Z箍缩直线变压器驱动源原型模块设计

介绍了用于Z箍缩驱动器的快脉冲直线型变压器驱动源(LTD)原型模块设计和初步实验结果。该模块采用32个子块并联,每个子块由两台100kV/100nF脉冲电容器和一只200kV多间隙气体开关串联组成。32只开关由4路高压脉冲分别触发。模块直径为2.9m,厚度约27cm。电路模拟结果表明,在±90kV充电电压下,输出电流幅值为1.0MA,电流上升时间(10%~90%)约118.6ns。初步实验结果表明,在约90mΩ近似匹配电阻负载上获得的电流为995kA,上升时间(10%~90%)为120.8ns,脉冲宽度约335.2ns。实验结果与电路模拟结果较为接近。     

0.1 Hz 800 kA驱动源模块研制北大核心CSCD

介绍了面向Z箍缩驱动聚变裂变混合堆(Z-FFR)能源的重复频率800kA快上升沿的线性变压器驱动源(LTD)模块的设计和测试。LTD模块由34组RLC电路组成,每组包含2台100kV/40nF脉冲电容器、1个多间隙气体开关和非晶磁芯。研制的模块可以在匹配水电阻负载上以0.1 Hz的重复频率输出上升沿约100ns的800kA的电流脉冲。采用了一个高压触发信号来触发整个模块的新触发方式,将外触发信号通过模块内布置的角向传输线等网络同时到达并触发所有的高压开关,实验结果表明采用一路140kV、25ns前沿的触发脉冲可以可靠地触发整个模块。为了保证LTD模块每10s输出一个80kV/800kA的电流脉冲,非晶磁芯的去磁复位采用了一个5.2kA、脉宽30!s的电流脉冲,其运行频率为0.1 Hz。模块采用的多间隙气体开关运行寿命超过10 000次,其抖动小于3ns。     

100 GW直线变压器驱动源的物理设计与模拟

 基于已有四开关组直线变压器驱动源(LTD)模块设计了对1 Ω负载输出电流100 kA、脉冲上升时间小于60 ns的八开关组LTD模块,该模块采用轮辐式结构,由8个储能电容、气体开关、峰化电容器组并联向中心负载放电。在此基础上,给出了峰值功率100 GW、共10级的LTD装置的物理设计,该装置为同轴感应电压叠加型脉冲发生器。通过电路模拟和PIC模拟,对物理设计进行了检验,结果表明：10级八开关组100 kA LTD模块串联可使10 Ω负载获得超过100 GW的功率输出,脉冲上升时间小于60 ns,所选取的结构和参数能保证电子流的磁绝缘,高压脉冲能有效传输到负载。     

100kA快脉冲直线变压器驱动源模块

介绍了100 kA快脉冲直线变压器驱动源原型模块及其采用的200 kV多级多通道气体开关的设计和初步实验结果。该模块由20台100 kV/20 nF电容器按10个支路并联组成,其中每个支路包括2台电容器、1只多级多通道开关以及相应的传输线。模块直径约1.5 m,厚度仅为20 cm。采用B-dot探针诊断负载电流。当充电电压为±90 kV时,在1.1Ω负载上可得到102.2 kA的峰值电流,上升时间为53.6 ns,脉冲宽度为133 ns。实验结果表明,该快脉冲直线变压器驱动源模块具有较好的快脉冲输出能力。     

气体开关抖动对输出峰值功率和前沿的影响

根据已有的实验数据和理论,给出了抖动和延时的数值表示,利用Matlab软件生成随机数组模拟开关延时和抖动。在Simulink环境下建立简化模型仿真多子块并联直线型变压器驱动源（LTD）模块的工作特性。通过M文件控制模块内多个开关的击穿时序仿真开关抖动,分析开关抖动对40个支路并联输出电流1 MA、上升时间100 ns的LTD模块输出功率峰值及前沿的影响。模拟结果表明,在一定范围内,随着抖动增大,LTD模块输出功率峰值减小,脉冲前沿显著增加,系统的稳定性随抖动增加而降低。随着开关抖动增大,输出到负载的峰值功率减小的速率增大,而脉冲前沿近似于线性增加。由于开关抖动将影响负载输出,为满足一定的系统可靠性要求,存在一个抖动阈值,对于40个子块并联的1 MA LTD模块,在系统可靠性要求5%时,其抖动阈值约为17 ns。     

气体开关抖动对单模块快脉冲直线型变压器驱动源输出特性的影响

分析了快脉冲直线型变压器驱动源(FLTD)气体开关触发击穿延时的分布规律,利用MAT-LAB软件生成随机序列模拟开关击穿延时和抖动,在FLTD简化二阶电路的基础上,利用MATLAB分析了开关抖动对40个支路并联1 MA,100 ns FLTD模块输出电流脉冲前沿和幅值的影响。模拟计算结果表明:开关理想时,即抖动为0,输出电流峰值为996 kA,峰值时间为90 ns,10%~90%脉冲前沿为54 ns;开关自身抖动与开关之间分散性之和为10 ns时,输出电流脉冲前沿增加约14%,电流峰值下降约2%;开关自身抖动与开关之间分散性之和为20 ns时,输出电流脉冲前沿增加约38%,电流峰值下降约5%。     

用于LTD模块的多间隙气体开关

针对800 kA,0.1 Hz重复频率LTD模块设计新的多间隙气体开关,要求在较高工作电压(高于80 kV)和较低工作系数(低于70%)下抖动优于2 ns。通过电场仿真分析,优化了气体开关电极形状。串联间隙从4个增加为6个,总间隙长度为36 mm,充电100 kV、触发100 kV时触发间隙场畸变系数为3.98。实验表明,新气体开关静态自击穿性能稳定,动态触发性能可靠。充电90 kV、工作系数60%时击穿延时40.1 ns,抖动1.3 ns。     

快脉冲直线变压器驱动源模块的原理及实验

 介绍了直线型变压器驱动源（LTD）产生快脉冲的基本原理及技术优势，阐述了快脉冲LTD模块设计的要点，设计了输出脉冲上升时间小于100 ns的快脉冲LTD模块，并进行了初步的实验研究。实验得到该LTD模块充电±16 kV时，短路放电的电流峰值为23.7 kA，电流振荡1/4周期为69.6 ns；充电±50 kV驱动0.85 Ω负载时，电流峰值为41.4 kA，上升时间为36.8 ns（10%~90%）和60.8 ns（0~100%）。     

基于IGBT开关的重复频率直线变压器

 采用3 300 V/1 200 A IGBT开关及直线变压器的电路结构,实现了单模块时在0.57 Ω负载上4.3 kA的脉冲电流输出和模块串联时在2.2 Ω负载上4.6 kV的电压输出,猝发式重复频率达到200Hz。整个系统包括4个3 300 V/1 200 A的IGBT开关器件及相应的驱动模块、缓冲模块、储能电容和磁芯等。实验结果表明：采用线性变压器的电路拓扑结构能够拓展固态IGBT开关的输出能力;直线变压器的电路结构结合固态IGBT开关能够很好地实现重复频率工作。在实验基础上分析了磁芯饱和及复位问题,并提出了一种有效的不采用复位而解决磁芯饱和的方法。     

20 MA/300 ns Marx型直接驱动Z箍缩脉冲源

基于金属外壳1.0 F/40 nH/100 kV的电容器和100 kV/200 kA气体开关,提出了电流20 MA、前沿300 ns Marx型直接驱动Z箍缩负载的脉冲功率源概念设想,共40路并联,每路为6个Marx并联驱动一条水介质传输线, Marx为18级串联。分析了关键单元（电容器和气体开关）的技术可行性,建立了PSpice电路模型,模拟计算了Marx建立时间分散性、水介质传输线阻抗对负载电流的影响,模拟结果表明:Marx建立时间分散性从10 ns增加到60 ns时,负载电流前沿从平均282 ns增加到287 ns,峰值从21.0 MA降低到19.8 MA,脉宽几乎不变;Marx建立时间分散性对负载电流的影响随着并联数目增加变小;采用4.2 等阻抗传输线,负载电流最大。     

1MA直线型变压器驱动源模块设计

介绍了输出电流幅值为1 MA,电流上升时间为100 ns的快脉冲直线型变压器驱动源(LTD)模块的设计。模块由48个子块并联组成,每个子块由2个电容器和一个多级气体开关串联组成。48个开关由8路高压脉冲触发,每路高压脉冲(100 kV/50 ns)触发6个开关。电路模拟显示,在充电90 kV条件下,输出电流幅值为1.04 MA,电流上升时间为84.5 ns(0~100%)和52 ns(10%~90%)。电路模拟时的参数设置以实验数据为基础,开关的工作条件与已研制成功的100 kA-LTD模块中的开关工作条件近似,模块设计工作于腔体注油状态以保证高压运行安全,能够保证模块达到设计要求。     

200 kV/200 kA脉冲源的研制

研制了一台200 kV/200 kA脉冲源,脉冲源由初级储能单元、水介质整形与传输单元、气体开关和负载组成。通过优化设计由2 到1 的水介质变阻抗线、高压气体主开关和陡化开关,使得脉冲功率源在匹配负载下产生输出电压200 kV、电流200 kA、前沿40 ns、脉宽40 ns的高压脉冲。在此脉冲源平台上已开展了低阻抗1 二极管发射特性研究,并且将在高压气体开关、同步触发、二极管等离子体发射诊断等方面发挥作用。     

直线变压器驱动源模块输出电流上升时间调节

针对磁驱动等熵压缩实验对加载电流波形的特殊需求,基于改造后的1MA直线变压器驱动源(LTD)原理性模块,开展了输出电流上升时间调节实验研究。48只开关分为4组,由4根高压电缆引入触发脉冲分别触发,共进行了三组不同电缆长度组合的触发放电实验。结果表明:在±32kV充电电压下,输出电流上升时间(0~100%)可由301.2ns增加至436.0ns,相应的输出电流幅度由294.0kA下降至210.2kA。实验还采用光纤探针阵列测试系统同时对其中40只多间隙气体开关的放电发光过程进行了诊断,获得了相应开关的闭合导通起始时间。基于实验参数,利用PSpice电路模型进行了校验,并对早期触发的支路组对后续触发支路组的影响进行了分析。实验初步验证了LTD模块内部子块通过分时放电实现输出波形调节的能力。     

快前沿直线脉冲变压器单级模块开关触发时延分散性实验研究

针对12支路并联的快前沿直线脉冲变压器单级模块,给出了模块的电路结构和关键器件参数,实验获得了12只多间隙气体开关的自击穿特性和触发特性。同时,还给出了快前沿直线脉冲变压器模块输出电流的初步实验结果,工作电压150 kV时,次级短路放电电流幅值为235 kA,电流前沿88.2 ns（10%~90%）。次级带0.58 负载情况下,输出电流幅值114.5 kA,电流前沿88.9 ns（10%~90%）。利用微分环测量了12只开关的触发时延分散性,结果表明100次实验开关触发时延分散性近似符合正态分布,开关触发时延分散性对输出电流的影响不大,电流幅值和前沿的标准偏差分别小于2.0%,4.0%,电流波形的畸变主要以平顶为主。     

模块化低阻抗紧凑型Marx发生器

设计的10级低阻抗紧凑型Marx发生器整体体积约0.12 m3,输出功率为30 GW,脉宽200 ns。该发生器采用正负充电,触发开关为三电极场畸变开关,其余开关采用过压自击穿开关;经优化设计,自击穿开关高33 mm、电感13.1 nH,触发开关高42 mm、电感15.2 nH。电容正负电极片与开关电极采用挤压连接,电极片间绝缘材料为聚丙烯薄膜,薄膜共100层,总厚度2 mm,耐受电压大于100 kV;Maxwell模拟表明:此种连接方式可将每个电极连接片电感降低到4.16 nH。Pspice电路模拟和实验均表明:电容器充电100 kV条件下,12 负载上可获得电压高于600 kV、峰值电流大于50 kA的输出。     

100 kV重频气体开关初步研究及应用

为了减小脉冲功率源装置的体积, 对三电极气体开关和两电极气体开关的结构进行了小型化设计。采用电磁场仿真软件对局部结构进行优化, 对初步设计的触发开关和自击穿开关在不同SF6气压（0～0.2 MPa）、不同开关间隙条件下的击穿电压及触发工作电压等进行了实验研究。结果表明:设计的触发开关和自击穿开关在0～0.2 MPa气压范围内, 自击穿电压随气压具有很好的线性关系; 自击穿开关间隙为8 mm, 改变气压（0.1～0.2 MPa）可实现自击穿电压90～125 kV可调; 触发开关主间隙为7 mm, 改变气压（0.1～0.2 MPa）可实现触发工作电压40～95 kV 可调; 初步估算, 触发开关和自击穿开关的工作电感均约20 nH。利用重频脉冲电源, 测试了开关的重频工作能力, 在工作电压80 kV、导通电流约20 kA的条件下, 重复工作频率在20 Hz以上。此外, 利用研制的开关构建了八级紧凑型Marx发生器, 实现了5和10 Hz重频多脉冲输出。