百kJ级储能型Marx发生器建立时间及抖动

针对"闪光二号"百kJ级储能型Marx发生器,设计了研究其建立时间和抖动的实验方案,根据发生器开关击穿模式的不同,分别研究了典型排的建立时间和抖动与Marx发生器建立时间和抖动之间的关系,研究了开关工作系数与Marx发生器及其典型排建立时间的关系。对Marx发生器建立时间、发生器第一排和第二排建立时间的实验测量表明:Marx发生器第一排建立时间对整个发生器的贡献大于60%,前两排建立时间对整个发生器的贡献大于73%;Marx发生器建立时间抖动主要来源于发生器第一排建立时间抖动,第一排建立时间和抖动则主要来自于气体火花开关的击穿时延抖动。根据实验结果,分析了影响建立时间抖动的主要因素,提出了减小建立时间抖动的措施。     

混合模式直线型变压器驱动源模块

在对Marx发生器和直线型变压器驱动源(LTD)电路拓扑结构及等效参数进行分析对比的基础上,结合两种电路拓扑结构的技术特点,提出了基于Marx基本回路的混合模式LTD模块构想。在混合模式LTD模块中,每个基本回路是一个多级的Marx发生器回路,回路中只有前一级或几级开关需要外部触发,而后级开关工作在自击穿模式。计算分析表明:混合模式LTD模块设计可以有效降低LTD系统对多路同步触发的要求;独立回路式结构可提高整个混合模式LTD模块的可维护性;回路间耦合触发的方式可提高整个混合模式LTD的工作可靠性。最后,还探讨了回路内阻、磁芯损耗及Marx发生器回路中后级自击穿开关抖动对混合模式LTD模块参数设计的影响。     

1MV小型重复频率Marx发生器研制

设计了MV级小型重复频率Marx发生器,简化了发生器充放电回路,减小了能量损失;分析了隔离电感变化时对发生器输出脉冲电压波形的影响,减小了隔离电感体积,提高了隔离有效性;优化了开关腔体结构,实现了间距连续可调,且受外围结构的变化或振动影响,13个开关间隙置于同一垂线上,火花放电时产生的紫外线或射线相互照射,加速了开关导通,减小了Marx发生器输出电压抖动。塑壳电容降压使用,提高了发生器的可靠性;通过Pspice模拟和三维静电场分析,实现了发生器小型化,整个Marx发生器放置在一个密封纯净SF6气体的金属圆筒内,体积小于0.25m3。优化设计和实验研究,发生器在高阻负载上输出峰值1.02MV、前沿约30ns的高压脉冲,发生器储能290J,电压幅度抖动约10%,前沿抖动小于10ns,可实现重复频率20Hz稳定运行。     

“聚龙一号”装置同步性实验研究北大核心CSCD

分析了"聚龙一号"装置同步控制时序及Marx发生器、主开关、自击穿水开关工作状态对装置同步性的影响,Marx发生器的同步性影响装置的能量传输效率,主开关和自击穿水开关的同步性共同决定装置的同步性。实现装置精确同步的关键,即每台激光器经过左右分光后同时触发2个主开关导通,12台激光器可以独立调整精确的出光时间,用下方的主开关比上方的提前20ns导通的方式来修正传输线长度上的差异,将自击穿水开关的电极间隙设置为合适的距离来控制其导通时间。实验结果表明,Marx发生器同步性抖动为11ns,主开关和自击穿水开关上下分组的平均同步性抖动分别为4ns和10ns,"聚龙一号"装置的同步性抖动为6ns。在同一负载参数下,磁绝缘传输线和负载电流具有较好的重复性。     

纳秒脉冲电压下气体开关的击穿特性

 采用快速Marx发生器产生ns量级的高电压脉冲,分别开展了不同脉冲电压值下气体开关自击穿实验,获得了气体开关在不同气压下的击穿电压和击穿延迟时间以及抖动。详细介绍了纳秒脉冲电压作用下,气体火花开关击穿电压和击穿延迟时间随工作气压变化的特点,指出了气体开关在不同场合应用时的要求。     

Marx发生器建立时间及抖动实验研究

 Marx发生器建立时间及抖动与Marx发生器中球隙开关的工作状态有关，同时与开关的触发电压幅值及极性有关。通过实验获得了Marx发生器建立时间及抖动最小时最佳工作状态的相关参数。天光一号电子束加速器从同步机发出指令信号至主Marx输出，总的延时及抖动为（1629±8.4）ns，满足MOPA系统建立时间抖动小于20ns的要求。     

基于Tesla变压器和Blumlein线的低抖动重频脉冲发生器

为实现MV级多级气体开关精确触发控制, 提出了基于Tesla变压器和Blumlein线的低抖动重频脉冲发生器的电触发方案。完成了Tesla变压器与Blumlein线一体化设计;优化了初级回路结构及绝缘栅双极型晶体管触发控制电路, 减小了初级杂散电感, 缩短了变压器次级高电压建立时间及时延抖动;优化了百kV级自击穿气体开关工作参数, 研制出一套多级低抖动电晕稳定开关;将传统Blumlein线绝缘介质由变压器油更换成高介电常数的MIDEL7131新油, 增加了输出脉冲宽度, 进一步提高触发能力。最终研制出一台输出电压130 kV、脉冲宽度大于5 ns、重复频率50 Hz、连续工作时间1 min、输出抖动小于10 ns的紧凑型脉冲发生器。     

紧凑型重复频率快前沿Marx发生器研究北大核心CSCD

设计一种紧凑型重复频率快前沿Marx发生器,采用3.3nF陶瓷电容器作为储能电容,螺旋形空芯电感作为充电电感,通过各级气体火花开关迅速放电在负载上建立了陡化前沿的输出电压波形。将电容器、气体开关、充电及隔离电感设计为同轴一体化结构,整个Marx发生器放置在一个密封的金属圆筒内,通过充氮气或者六氟化硫气体来绝缘。在考虑开关电极分散电容、回路电感等因素基础上,利用自击穿火花开关模型建立了等效放电电路模型,并利用PSpice电路模拟软件进行了数值模拟。在理论分析的基础上,通过优化电路结构,完成了12级Marx发生器的设计与研制。在50Ω电阻负载上获得了电压150kV、脉宽30ns、上升时间10ns的脉冲波形,Marx发生器可60Hz重复频率运行,与模拟结果基本一致。     

150kV脉冲X光机

介绍了基于Marx发生器原理设计的脉冲X光机,在设计Marx发生器时选择了正负极充电,极间电容耦合为Z形回路的Marx发生器线路,采用低抖动场畸变开关和固体低感电阻为结构元件,低感陶瓷电容作为储能元件。Marx发生器通过高压电缆和X射线管连接,得到脉冲X光机特性为:输出电压100~150kV;0.25 m处的X射线剂量约为90.3×10-7C/kg;脉冲宽度约为70 ns。具有性能稳定、结构紧凑、使用方便等特点。     

同轴-三平板型水介质脉冲输出开关实验研究

设计了用于脉冲功率装置的4 MV水介质同轴 三平板型输出开关。该脉冲功率装置将由24路相同的独立模块组成，每路模块由Marx发生器、中间储能器、激光触发气体开关、脉冲形成线、水介质脉冲输出开关、脉冲传输线等组成。水介质脉冲输出开关是同轴 三平板结构水介质多通道自击穿开关，由输入输出电极、预脉冲屏蔽板和连接部件组成。进行了有预脉冲屏蔽板结构和无预脉冲屏蔽板结构的自击穿水开关实验研究。有预脉冲屏蔽板结构开关的输入、输出电极都是半球电极，直径分别是8 cm和5 cm；无预脉冲屏蔽板结构开关为针 板结构，输入电极为平板电极，输出电极为直径3 cm的电极棒。Marx发生器充电70 kV，开关的击穿电压为3 MV，放电电流为450 kA。在3 MV等级的击穿电压下，有预脉冲屏蔽板结构开关的抖动约6 ns，没有预脉冲屏蔽板结构开关的抖动减小至3 ns。     

500 kV全固态Marx发生器

500 kV全固态Marx发生器采用Z型电路结构,以28个最大工作电压达22 kV、满载最高连续重复运行频率达200 Hz的绝缘栅双极型晶体管组件作为脉冲控制开关,采用以金属化膜电容器和线绕电感构成的梯形脉冲形成网络作为储能和脉冲形成器件。目前已实现500 kV脉冲输出,在50 Hz的重复频率下实现数十个脉冲的猝发输出。该发生器的输出脉冲电压峰值与已有文献报道的最高功率固态Marx发生器技术指标相近,输出脉冲电流峰值提高1倍,达到1000 A,发生器输出脉冲功率峰值达到500 MW。在采用电容器作为储能元件时,此Marx发生器输出脉冲宽度可在3～10 s范围内连续调整。     

一种调节Marx电源脉冲边沿的驱动电路北大核心CSCD

为了调节固态Marx发生器输出脉冲的边沿,提出了一种新型的的驱动电路,该方案通过调整充放电管的驱动电压,结合驱动电路的硬件结构,调节米勒平台时间,进而调整充放电管开通速度,实现了对于高压输出脉冲的边沿调节,其结构简单,不需要每级独立的控制信号。对于该电路中驱动电压和开关管开通速度的关系建立了模型进行了推导。结合理论分析结果设计了驱动电路的参数,仿真结果表明该驱动电路能够调节输出脉冲边沿。搭建带有设计参数下驱动电路的固态Marx发生器在容性负载下和阻性负载下进行了实验验证。利用该方案实现了对于6级Marx电路的3.6 kV输出脉冲在55~7.7μs的边沿调节,验证了该方案的可行性,并对比分析了不同阻性负载对于脉冲边沿造成的影响。实验结果表明:该电路在提高固态脉冲电源的边沿调节性能方面有独特的优势。     

重复频率低阻抗紧凑Marx脉冲功率源

为了实现重频脉冲功率源小型化,研制了基于快Marx发生器的紧凑型重频低阻抗脉冲功率源。采用大功率重频高压电源对Marx发生器充电,通过对充电电源和脉冲触发源的同步控制,实现对Marx发生器重频充电;Marx发生器中采用薄膜脉冲电容器、小型化气体开关、电感隔离以及SF₆气体绝缘等设计,以8级紧凑Marx发生器进行验证性研究,在16 Ω阻抗负载上实现了重复频率10 Hz、脉宽150 ns、峰值电压大于400 kV连续多脉冲输出;在此基础上,设计了18级紧凑型Marx发生器,在约18 Ω阻抗负载上输出功率达到33 GW,峰值功率密度大于150 GW/m3,实现重复频率5 Hz、脉宽约160 ns、峰值电压大于600 kV的连续多脉冲输出。为了降低Marx发生器的输出阻抗,采用4台电容器并联作为Marx发生器的一级储能模块,研制了同轴紧凑Marx脉冲功率源,有效减小放电回路电感,实现12 Ω低阻抗负载近似匹配输出,前沿减小至50 ns以下,脉宽约130 ns。     

Laser-triggered low timing jitter coaxial Marx generator

A coaxial Marx generator triggered with a UV laser pulse propagating coaxially through multigap switches is constructed. The Marx generator is operated at maximum voltage of 200 kV with a rise time of less than 10 ns. To trigger multigap switches in the Marx generator, the laser pulse is passed through fine metal mesh fitted in the holes formed along the central axis in electrodes of gap switches. Photoelectrons generated from the mesh part of the cathode trigger the discharge and close the switches. Timing jitter of the high voltage pulse with respect to the laser pulse is 800 ps for the case of single gap switch and 1 ns for the Marx generator with two stage gap switches. Since the spark path is always formed from the solid surface of the cathode instead of the metal mesh, the mesh part of the cathode is never damaged for a large number of shots, promising long lifetime of the electrodes     

Z箍缩实验装置高压低抖动Marx发生器

 中物院的初级实验平台(PTS)低抖动Marx发生器由60个标称电压为100 kV、电容量为1 mF电容器和30个低抖动环轨式场畸变开关构成,采用以S型线路为基础的超前触发型电路。近千次实验结果表明：在工作欠压比71%、触发电压200 kV的条件下,Marx发生器的建立时间175 ns,抖动极差小于±10.0 ns,均方根抖动小于7.0 ns。Marx发生器的串联电感13.5 mH,串联电阻3.2 W,在电容器充电80 kV时,实验测得输出电压4.3 MV, Marx发生器电压建立时间175 ns,与电路模拟结果（输出电压为4.6 MV,电压建立时间160 ns）吻合良好。     

全固态高重频高压脉冲电源

设计了一款全固态高重频高压脉冲电源,主电路采用以IGBT为主开关的半桥式固态Marx电路,驱动电路采用磁芯隔离带负压偏置的同步驱动方案,并由FPGA提供充放电控制信号和故障诊断、保护。该方案既可实现对多级电容的低阻抗的快速并联充电控制,又可实现截尾功能以加快脉冲后沿获得方波脉冲,且可实现百μs以上的宽脉冲输出,可用来产生高压脉冲电场。此外,该电源还可在突发模式下输出脉冲个数和频率均可调的多个高频脉冲系列。实验表明,该输出电压幅值可高达40 kV,输出峰值电流可达100 A,重频可达30 kHz,上升沿和下降沿均低于100 ns,突发模式下重频可高达200 kHz。所设计的脉冲电源输出参数连续可调,且体积小巧。     

自触发驱动的全固态Marx发生器

随着全固态高压脉冲发生器在材料改性、生物医学和工业等领域上的广泛应用,全固态脉冲发生器正朝着小型化、智能化和模块化方向发展。为了进一步减小电源的体积、降低成本,提出了一种自触发驱动的正极性全固态Marx发生器的拓扑。只需提供一路隔离信号控制一级放电开关管的导通和关断,通过级间电容对相邻级的放电管门极自动充电和放电,使其依次导通和关断。这种拓扑使得Marx发生器中的多个开关管的驱动电路简单很多,无需提供隔离供电的多路驱动电源,且避免了开关的动态、静态均压问题。基于这种拓扑搭建了一台17级的正极性Marx发生器样机,且电压幅值和脉宽都连续可调,在10 kΩ纯阻性负载上输出10 kV、重复频率100 Hz的正极性高压脉冲,脉冲前沿约为328 ns。样机体积小巧、工作稳定,验证了该方案的可行性。     

基于半导体开关和磁开关的全固态脉冲电源

利用磁开关来改善全固态Marx发生器的脉冲上升沿,并构建出一套脉冲电源。该套脉冲源包括基于IGBT半桥模块的Marx发生器和由磁开关与锐化电容构成的脉冲陡化电路。该电源用原边一匝的脉冲变压器为IGBT提供驱动信号,并且原副边绕组均采用同轴线以屏蔽电磁干扰;在门极采用无源过流保护的方法,以防止负载短路对IGBT放电开关造成损坏。实验结果表明:在电压10 kV,电流170 A的情况下,脉冲前沿由1.5μs压缩到了200 ns,同时IGBT的开通损耗由原来的10 mJ降到不足1 mJ。     

自同步多开关纳秒脉冲发生器

介绍了一种基于传输线变压器（TLT）的多开关脉冲功率技术。该技术可以像Marx发生器一样实现多个开关的自动同步,而且在输出上更具灵活性:不仅可以通过电压叠加获得高电压输出,而且可以通过电流叠加实现大电流输出,或者用于同时驱动多个独立的负载。基于该技术已成功开发了10火花开关的短脉冲系统。理论设计了带有20开关和20级TLT的脉冲发生器,单脉冲能量140 J,预计峰值功率可达5 GW,可实现多种不同输出方式以满足不同应用需求。