初次级等效比为1:43.4分数比脉冲变压器

 在理论分析分数比脉冲变压器输出脉冲上升时间与变压器次级绕组匝数、磁芯截面积和伏秒积等参数关系的基础上,设计建造了一台初次级等效比为1∶43.4分数比脉冲变压器,等效到次级的漏感为157.3 μH,分布电容为412.4 pF。低电压实验得到负载上的脉冲上升时间为894 ns,高电压实验得到负载上的脉冲上升时间为917 ns,电压幅值42.7 kV,表明所设计建造的分数比脉冲变压器达到了设计要求。     

150kV/1 kHz可调脉宽电晕等离子体驱动源

建立了重复频率、可调脉宽线板放电型电晕等离子体驱动源实验平台,该平台由谐振充电、脉冲升压变压器和磁开关宽脉冲调制等部分构成,试验平台输出脉冲电压峰值150 kV、最高重复频率1 kHz、输出脉冲前沿0.53μs、脉冲宽度5~25μs可调节。阐述了该平台脉冲调制原理,通过实验结果分析了脉冲变压器分布电容对系统能量传输的影响,指出提高脉冲氢闸流管开关能力、改善脉冲变压器绝缘结构设计、降低匝间分布电容可以进一步提高输出电压和重复频率。     

基于双锥形绕组铁芯变压器的三谐振脉冲变压器

研制了一台基于双锥形绕组铁芯变压器的三谐振脉冲变压器,具有结构紧凑、小巧轻便等优点。铁芯变压器磁芯由0.08 mm的硅钢薄带绕成半月形闭合结构,放置于铝制紧固件中;初次级绕组采用双绕组并联结构,两个锥形高压绕组对称绕制在刻槽的有机玻璃骨架上并将高压从圆筒中轴线引出,改善了绕组电场分布的不均匀性并实现了高压的同轴输出。铁芯变压器、LC调谐回路和27 pF脉冲形成线组成三谐振回路,其中谐振电容为同轴结构电容,谐振电感由直径0.08 mm的漆包线不均匀绕制于刻槽的有机玻璃绝缘体上。实验结果表明,该三谐振脉冲变压器最大工作电压大于800 kV,充电时间约为650 ns,同时也验证了将双谐振铁芯脉冲变压器改造成三谐振脉冲变压器具有可行性。     

变压器寄生参数和负载特性对高压脉冲波形的影响

构建了输出电压幅值为0～20 kV、脉冲重复频率为0.25～20 kHz的双极性高压脉冲电源实验平台,研究了变压器寄生参数与负载特性对输出脉冲波形的影响。采用等效电路复频域解析方法,分析了变压器寄生参数对输出脉冲波形的上升沿、平顶及下降沿的影响规律,并通过改变变压器绕线方案间接验证。发现变压器分布电容和漏感越大,输出脉冲波形上升沿与下降沿越平缓,过冲电压幅值越大,并采用脉冲变压器二次侧均匀密绕、一次侧均匀疏绕、高匝数的方案进行优化。进一步分析了纯阻性、阻容性或阻感性负载特性对输出高压脉冲波形的影响规律,发现电阻值增大（5～50 kΩ）,过冲电压幅值增大,脉冲上升沿和下降沿变陡;当负载电阻回路串联小电容时,过冲电压幅值显著增大,而电容值高于一定值时输出脉冲波形恢复至与纯电阻波形一样;当负载电阻回路串联电感时,输出脉冲波形下降沿变平缓。     

高频高变比脉冲变压器耦合固态刚管调制器

调制器输出脉冲宽度存在两种模式,输出脉冲宽度为10μs时,工作频率0~8kHz可调,输出脉冲宽度为200μs时,工作频率0~400Hz可调。为了实现了调制器的小型化,初级电压设计为700V,初级储能电容可采用高储能密度的电解电容,且可降低绝缘栅双极晶体管(IGBT)串联的风险,次级输出电压为70kV,采用变比为100的脉冲变压器。概述其各个组成部分及其工作原理,重点对IGBT固态开关的驱动、保护电路、损耗和吸收回路进行了分析讨论,并对高变比的变压器进行了理论分析。对调制器进行了实验测试,脉冲前沿2.2μs,脉冲后沿1.65μs,过冲小于7%,脉冲顶降小于1%。     

800 kV高变比螺旋线型空芯变压器的研制

 介绍了螺旋线型空芯脉冲变压器的基本理论及设计中的关键技术,设计了一台高变比螺旋线型空芯脉冲变压器,此空芯变压器初级为紫铜皮沿绝缘外筒内壁螺旋绕制三匝,次级为锥形高压绕组,约1 800匝。其初级充电电压只需要几kV,因此初级开关采用可控硅,而不需要晶闸管,这样将使初级回路及初级电容体积大大减小。 对设计的空芯变压器进行了模拟计算和实验研究, 实验结果表明： 在初级储能电容充电为2 400 V时,变压器次级所接形成线负载的输出电压达到900 kV,充电时间约为32.6 μs。     

基于脉冲变压器的快前沿固态触发器

结合理论求解、仿真分析与实验验证,确定了影响脉冲变压器型触发器输出前沿的主要因素,并研制了一台能可靠触发真空沿面闪络开关导通的快前沿固态触发器。研究结果表明：影响触发器输出脉冲前沿的关键因素为脉冲变压器漏感、匝数比和半导体开关开通速度;不同绕制方式的脉冲变压器漏感差异很大,最小漏感绕法的变压器漏感值低1个数量级;选用开通速度优于15 ns的碳化硅金属氧化物半导体场效应晶体管（SiC MOSFET）、绕制低漏感（小于0.5μH）的脉冲变压器,实现了前沿为20.4 ns(10%～90%)、幅值为16.5 kV的快前沿输出;控制SiC MOSFET的驱动脉宽在35～55 ns变化可以控制触发电流峰值在35～55 A范围内变化。     

传输线脉冲变压器次级线电感的优化设计

 建立并分析了传输线脉冲变压器的基本电路模型,采用优化次级线电感参数的方法,有效地提高了次级线的阻抗,达到了抑制次级线对输出结果影响的目的。在此基础上,分析并讨论了2种典型的传输线脉冲变压器拓扑结构,在一般情况下,推导了二者输出脉冲电压幅值的计算公式,优化了各次级线电感大小的设计。结果表明,级间无耦合结构从第二级开始电感逐级增加,第n级次级线上电感的最优大小为第二级的(n-1)倍;级间有耦合结构中同一磁芯引起的各次级线电感大小应相同。最后,比较了各类结构的输出,指出级间有耦合结构所需磁芯量最少。     

脉冲变压器驱动SiC MOSFET型Marx同步特性

为实现全固态Marx发生器中多个SiC MOSFET开关的同步驱动,设计了一种基于脉冲变压器的驱动控制电路。多路驱动信号的同步性会影响到Marx发生器的输出波形参数,因此要求驱动信号具有快脉冲前沿、低抖动特点。根据SiC MOSFET驱动原理及要求,分析了SiC MOSFET驱动电路脉冲前沿的影响因素,分析计算其相关参数,进行仿真模拟验证。设计了共初级穿芯10级串联的脉冲变压器,初次级的匝数分别为1匝和9匝,次级经正负脉冲信号调理电路后驱动10级Marx电路。实测结果表明利用脉冲变压器原边漏感与谐振电容构成的谐振电路在断续模式下,驱动功率越大,脉冲前沿越快且同步性越好。该同步驱动电路的脉冲前沿为112 ns,脉宽1~10μs可调,频率10~25 kHz可调,满足固态Marx发生器参数调整需求。     

脉冲变压器驱动SiC MOSFET型Marx同步特性

为实现全固态Marx发生器中多个SiC MOSFET开关的同步驱动，设计了一种基于脉冲变压器的驱动控制电路。多路驱动信号的同步性会影响到Marx发生器的输出波形参数，因此要求驱动信号具有快脉冲前沿、低抖动特点。根据SiC MOSFET驱动原理及要求，分析了SiC MOSFET驱动电路脉冲前沿的影响因素，分析计算其相关参数，进行仿真模拟验证。设计了共初级穿芯10级串联的脉冲变压器，初次级的匝数分别为1匝和9匝，次级经正负脉冲信号调理电路后驱动10级Marx电路。实测结果表明利用脉冲变压器原边漏感与谐振电容构成的谐振电路在断续模式下，驱动功率越大，脉冲前沿越快且同步性越好。该同步驱动电路的脉冲前沿为112 ns，脉宽1～10μs可调，频率10～25 kHz可调，满足固态Marx发生器参数调整需求。     

矩阵拓扑结构脉冲变压器

基于集中参数模型分析了脉冲变压器分布参数、变比、负载阻抗等对输出波形前沿和过冲的影响。在此基础上对传统脉冲变压器、矩阵变压器的分布参数进行了分析对比,分析结果表明相对于传统脉冲变压器,矩阵变压器可获得更小的漏感值,但分布电容将有所增大。设计建造了两台变比分别为1∶60,1∶120传统脉冲变压器及变比为1∶120的矩阵变压器,实验研究表明矩阵变压器可获得更小的上冲特征系数,其分布参数与理论分析结果相吻合。     

高变比螺线空芯脉冲变压器

设计并理论分析了高变比型螺线空芯脉冲变压器的输出特性,讨论了变压器次级输出电压达到最佳值的条件,对设计的空芯变压器进行了模拟计算和实验研究。结果表明:该种变压器型脉冲功率电源可直接利用市电充电,在初级变储能电容器充电800V的条件下,变压器次级所接形成线负载的输出电压达到350kV,变压器设计变比1∶700、耦合系数0.52;实验结果与计算基本吻合。     

高电压闭合磁环小型脉冲变压器

 研制了一种结构紧凑、电压升压倍数高达109倍的200 kV级脉冲变压器,以实现高压脉冲变压器的小型紧凑化。用电磁理论分析、电路模拟及实验测试3种方法对变压器的耦合、耐压和输出特性进行了研究, 对重要参数进行了计算和设计。采用晶粒取向硅钢薄带作为变压器磁芯,且磁芯闭合,变压器的有效耦合系数高达0.95以上。高分子材料的绝缘套筒结构和分层交替的绕线方式,使得变压器在初级低压充电2.1 kV时,次级可输出幅度为230 kV、半高全宽为3 μs的高电压脉冲。模拟和实验结果验证了理论设计的合理性。     

Marx发生器等效对地分布电容估算方法

介绍了两种估算Marx发生器等效对地分布电容的方法:逐级累积法和能量守恒法。逐级累积法通过近似求出各级对地电容对Marx发生器等效对地分布电容的贡献,并将之累加得到发生器等效对地分布电容;能量守恒法认为各级对地电容存储的能量之和与发生器等效对地分布电容存储能量相同,从而推导出发生器的等效对地分布电容。采用两种方法计算了闪光二号加速器发生器的对地等效分布电容,并与实测值进行了对比。两种方法计算结果均为114pF,实测值为109pF,二者相差4.6%。     

多间隙气体开关的电场分布特性

为了寻求可用于快前沿直线型变压器驱动源最理想的多间隙气体开关结构,利用有限元分析软件模拟计算了几种不同电极结构气体开关内各间隙在开关触发前后的电场分布,并利用新型开关电路模型研究了气体开关触发导通前均压措施对开关内部各间隙电场分布均匀性的影响,以及触发后各中间电极对主电极杂散电容与气体开关内电场分布规律之间的关系。结果表明:圆形环状结构电极有利于形成稳定的多通道放电,降低开关的电感及抖动;在开关各个间隙之间并联相同阻值的电阻可以有效地改善开关直流耐压特性;在开关触发导通时,各间隙的电压分布主要与触发电压的上升时间、各个电阻及杂散电容值有关;触发电压的上升时间越短,杂散电容值对间隙电压分布的影响越明显。     

脉冲变压器磁芯重复频率复位电路的研究

为了提高脉冲变压器磁芯的利用率,需要给脉冲变压器施加退磁电流,使磁芯达到负向饱和点以获得最大的磁感应强度增量。研究了一种工作电压在几十伏的重复频率脉冲复位电路,产生反向脉冲电流,实现磁芯复位。研究了不同复位电容容量和充电电压条件下的磁芯复位效果,发现磁芯复位效果与复位电容所储存的能量具有正相关性。综合考虑脉冲变压器工作的要求,选用较低工作电压和较大复位电容容量的方案。对比分析了有无磁芯复位时硅钢带环形磁芯脉冲变压器的磁化特性,说明了加入复位电路的必要性。试验表明,该复位电路在50 Hz重复频率下可长时间稳定运行。     

三谐振高压脉冲变压器

介绍了一种基于空芯变压器的三谐振高压脉冲变压器。通过对三谐振脉冲变压器无损等效电路的理论分析,给出了在回路本征频率1∶2∶3时,电路各参数的关系及输出电压解析表达式,此条件下负载电压最大值为空芯变压器次级高压输出电压的2.77倍。根据理论分析及电路模拟的结果,提出了适用于三谐振脉冲变压器的设计方法迭代模拟法,并采用迭代模拟的方法在研制的空芯变压器基础上研制了一台基于三谐振脉冲变压器的脉冲功率源,进行了实验研究。实验结果表明:所研制的三谐振脉冲变压器输出电压的最大值可以达到锥形高压绕组输出电压的2倍,系统最大工作电压约为600 kV,与理论分析的结果相吻合,说明将任意一台双谐振脉冲变压器改造成三谐振脉冲变压器具有可行性。     

一种用于触发引燃管的脉冲电源

设计了一种单电源的变压器型高电压、大电流脉冲源。该电源只有一套放电电容,以晶闸管作为放电开关,单原边双副边的脉冲变压器作为传输线。利用二极管的单向导通特性,使变压器根据负载不同的工况运行在不同的状态,分时输出高电压、大电流脉冲。该设计利用变压器在空间上将高压输出回路和低压控制回路隔离,与一般的双电源设计方式相比,降低了驱动电路的成本,减少了装置的体积,有利于设备的小型化和紧凑化。试验结果表明:当原边18 μF的储能电容充电电压为700 V时,通过晶闸管开关控制电容向2 ∶2 ∶20的单原边双副边脉冲变压器放电,副边开路时输出幅值7.6 kV、上升沿432 ns的开路电压,副边短路时输出幅值690 A、半高宽15.6 μs、前沿7.0 μs的短路电流,满足NL37248引燃管的触发要求。     

应用于PFN-Marx发生器重频充电的紧凑空心脉冲变压器

通过理论分析研究了一种高能量转换效率(高于50%)的紧凑重频空心脉冲变压器。这种脉冲变压器可以应用于PFN-Marx发生器的重频充电。通过深入分析脉冲变压器的等效模型,得到了脉冲变压器能量转换效率、次级电压峰值、初级电流峰值以及初级电流变化率最大值的表达式,并与Pspice软件的模拟结果进行比较。结果表明:理论计算的电压、电流波形与模拟计算结果基本一致,验证了理论分析的正确性。同时,通过理论分析得到了能量效率大于50%的脉冲变压器结构尺寸。