低电感大电流长寿命同轴型电容器

 介绍了一种应用于高功率脉冲源的低电感、高通流能力、长寿命的同轴型电容器。通过理论计算,综合考虑电容器的工作电压、电感、通流能力、与开关的连接方式等,确定了电容器的芯子结构、绝缘子结构及电极结构。通过设计实验线路,测试了电容器的电压、电感、通流能力、寿命等参数。实验结果表明：电容器电容量1.5 μF,工作电压100 kV,工作电流250 kA,峰值电流大于300 kA,电容器电感小于20 nH,储能密度205 J/L,工作寿命大于6 000次。     

脉冲功率应用中的金属化膜电容器寿命预测

分析了金属化膜电容器的寿命特性,根据电容器寿命Weibull分布、可靠性分析和影响因素等建立了从元件到整机的电容器寿命预测模型。通过电容器元件和整机的寿命试验,验证了该预测模型的适用性。研究结果表明:储能密度0.5kJ/L下寿命达到6万次以上;储能密度0.95kJ/L下寿命达到2万次以上;通过新技术措施改进,2.0kJ/L下寿命达到1000次以上。     

脉冲大电流系统空芯变压器设计

设计了一种变流用的带绕式空芯变压器,分析了变压器的工作原理并详细介绍了其制作过程。该变压器主要由引线、绝缘膜、铜带和内绝缘筒组成。在电容器充电电压为2500 V的条件下,实验得到该变压器原副边电流峰值分别为5.52 kA和1.48 kA,电流上升率分别为37 A/s和138 A/s。理论分析和实验结果表明:该变压器可以有效降低脉冲功率电路对开关电流上升率的要求,从而将重复频率和稳定性能更好的晶闸管应用于脉冲大电流系统,可以大大提高系统的放电频率和寿命。     

20GW低阻负载电感储能功率调节装置研究

 对电感储能/电爆炸丝断路开关功率调节系统进行了数值模拟，研制了输出峰值功率大于20GW的小型化低阻负载电感储能/电爆丝断路开关功率调节装置。实验结果表明：以电容器作为初始能源，在6~10Ω电阻负载上输出脉冲电压大于400kV、脉冲电流50~60kA，峰值功率大于20GW，能量转换效率大于30%。     

高功率紧凑型重频快Marx脉冲驱动源

基于快Marx发生器技术路线,研制了一套具有高功率密度的低阻抗紧凑型重频脉冲驱动源。采用18级Marx发生器电路结构,每级由1只60 nF/100 kV脉冲电容器、1个气体开关及隔离电感构成,每两级构成一个模块,整体采用SF6气体绝缘,储能密度达到25.7 kJ/m3;采取开放式气体开关,其中两级为触发开关,其余为过电压自击穿开关;触发源采用小型化Marx电路及绝缘胶真空灌封设计。实验中脉冲驱动源单次工作时在约18 阻抗负载上输出电压达到765 kV、脉宽约160 ns、前沿约50 ns,功率密度达到157 GW/m3;受充电电源功率限制,重复频率5 Hz充电70 kV,连续5脉冲输出功率约17 GW,脉冲波形重复性较好。     

100 GW快脉冲直线型变压器功率源

基于已经研制完成的100 kV/100 kA快脉冲直线型变压器驱动源（LTD）原型模块,设计研制了输出电压/电流分别为1 MV/100 kA（功率为100 GW）的快脉冲LTD装置。装置由10级100 kV/100 kA快脉冲LTD模块串联而成,总储能为20 kJ,装置直径约1.5 m,长度约2.2 m。最终在85 kV充电电压下,二极管负载上获得的电流约为116 kA,电压约为1.1 MV,电压上升时间53 ns,电压脉宽146 ns,二极管阻抗约为9.4 。     

高储能密度电容器

 电容器是脉冲功率设备的重要储能元件，提高电容器的储能密度能有效地减小脉冲电源的体积。根据箔式结构电容器的缺点及其击穿机理，采用金属化膜和混合膜结构技术,研制出了两种高储能密度高压脉冲电容器，储能密度分别超过800J/L和500J/L。     

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。     

高储能密度陶瓷电容器的性能

 根据陶瓷介质材料具有高介电常数和高工作场强的特性，从理论上分析了陶瓷电容器具有的储能密度高、可工作在数kHz至数MHz的振荡放电回路中和老化缓慢等特性。对试制的1μF/500V的多层陶瓷电容器（MLC）试样品进行了750V 的1min直流耐压和100Hz重复充放电等可靠性试验研究，结果表明：该MLC在500V工作电压下（对应的体积储能密度达到720J/L）重复充放电寿命达10⁷次以上；50kHz振荡放电输出电流峰值达320A；试验前后电气性能保持不变。因此，这种陶瓷电容器适合用作强脉冲大功率电源的储能元件。     

高功率大电荷量重复频率气体开关实验研究

 在自行研制的纵吹式场畸变型气体开关上，开展了大电流、大电荷传递量重复频率实验研究，已实现的开关最大工作参数为：电压100kV，电流85kA，电荷传递量0.6C/脉冲,重复频率10Hz，单脉冲能量5kJ。结果表明，气流流速、电极烧蚀及绝缘筒污染对开关重复频率和工作寿命有较大影响。     

高场强下金属化膜电容器绝缘电阻特性

分析了高电场强度下金属化膜电容器绝缘电阻的特点,得出高电场强度下金属化膜电容器绝缘电阻是电容器介质膜泄漏和自愈过程的综合反映。针对高场强下的应用条件提出一种金属化膜电容器绝缘电阻的测试方法,并对高场强下电容器的绝缘电阻进行测试。测试结果表明:在300~400 V/m工作场强范围内金属化膜电容器绝缘电阻随工作场强增大会急剧减小,由于自愈的作用,绝缘电阻下降幅度随场强增加会逐渐变缓;在20~50 ℃工作温度范围内,金属化膜电容器绝缘电阻随温度升高会急剧减小,同样由于自愈的作用,绝缘电阻下降幅度随温度增高会逐渐变缓。分析得出,高温高场强下金属化膜电容器介质膜泄漏将会导致电容器电压出现明显下降,影响电容器和脉冲功率系统的储能效率。     

高功率反向开关晶体管开关寿命特性

研制了10 kV高压反向开关晶体管（RSD）开关组件。在重复频率0.2 Hz、峰值电流约107 kA、峰值功率约1 GW、单次传输电荷约20 C、单次传输能量约100 kJ条件下,实验次数达50 000多次;主要研究了RSD开关的静态伏安特性随实验次数的变化趋势。采用数值分析的方法,统计拟合得到了长脉冲大电流条件下RSD开关的寿命模型,并依据失效判据初步预估RSD开关的寿命可达107次。     

基于耗损失效模型的金属化膜脉冲电容器可靠性评估

 高储能密度金属化膜脉冲电容器是惯性约束聚变装置的关键元器件，由于其“自愈”特性，在短时间内很难得到它的失效数据。通过分析电容器的失效机理，给出了金属化膜脉冲电容器的一个耗损失效模型，推导了该模型的失效概率密度函数和分布函数，并利用电容器的性能衰退数据对其进行了可靠性分析。所选的某型金属化膜脉冲电容器未知参数估计值为0.000 119 4和0.006 7，将该值代入失效分布函数和概率密度函数中，从而确定电容器的失效模型，由此模型求得该型电容器充放电10 000次的可靠度为0.988 5，预计寿命为23 461次充放电。在工程实践中使用该模型对该型电容器进行可靠性分析可节约大量的试验成本。     

长寿命同轴三电极气体火花开关设计和实验北大核心CSCD

设计了一种新型的同轴三电极结构,仿真计算结果表明开关在充电及触发时电场最大值区域均匀性良好。引入循环吹气系统能够控制放电产物的流向,减小对开关绝缘结构内壁的污染,可在提高气体绝缘恢复能力的同时延长开关绝缘外壳寿命。在重频实验条件下(±40kV/20kA/0.1 Hz)进行了寿命考核实验,目前单个开关寿命考核实验已大于17.2万发次,开关工作稳定,自击穿电压特性和触发延时抖动特性良好。     

喷气Z箍缩X光辐射信号分析

 在清华大学喷气Z箍缩平台上进行了对Ne气的箍缩软X射线诊断工作。该喷气装置由4个充电至23 kV的电容器并联组成，总储能4.5 kJ，放电电流峰值210 kA，上升沿2.5 ms。实验中通过观测放电电流微分信号来观测箍缩聚焦点的位置（波形的下凹尖峰点），此尖峰也是X光辐射的时间分辨点。利用响应时间为亚ns量级的光敏半导体探测器(PIN)探头获得了Ne气箍缩时等离子体发出的软X射线信号，X光辐射出现在放电电流微分信号突变点附近。一般来说，多次箍缩会导致多次的X光辐射输出，实验中的X光脉冲实际为多个等离子热点辐射叠加的结果，单次箍缩所产生的X光辐射比多次箍缩所产生的X光辐射要强。对每次箍缩来说，单个X光脉冲信号比多个X光脉冲信号的幅值要大。     

自愈式金属化膜脉冲电容器耗损失效模型

 自愈式金属化膜脉冲电容器广泛应用于各类激光装置的能源系统中，它的可靠性直接影响到系统的可靠性与运行费用。在参考国外相关研究方法的基础上，分析了金属化膜脉冲电容器的失效机理，提出了一种新的耗损失效模型-Gauss Poisson模型，该模型将电容器的损耗分成自然损耗和突发损耗，与脉冲电容器传统的寿命分布模型Weibull模型相比具有预测更为精确的特点，而且基于该模型的寿命试验具有设计简单、时间较短、费用较低等优点，是一种较好的退化失效模型，应用前景较为广阔。     

金属化膜脉冲电容器寿命特性

从热处理工艺、电极结构设计及工作场强等方面对电容器寿命性能加以分析与试验研究。结果表明:金属化膜电容器热处理温度的选择需要综合考虑膜的收缩以及电极厚度;对应不同方阻,热处理温度存在一个最优值,在该值下电容器可获得最佳的自愈性能,进而达到较长的工作寿命;在不同工作场强下,需权衡电极边缘局部放电以及膜中自愈产生的容量损失比例,优化电极结构。在电极结构、热处理工艺等参数优化设计的基础上,研制出的1.0 kJ/L电容器达到10 000次的大电流充放电寿命。     

多原边脉冲变压器的优化设计及应用

通过对脉冲变压器原副边回路参数、绕组结构、铁心材料的优化设计,实现了小尺寸变压器对大电流三电极开关的触发。变压器空载输出可达40 kV,增加中间储能环节后,在大电流触发管的触发极可产生百A数量级的触发电流,可以实现触发管在较低的欠压比下稳定触发。通过对脉冲变压器绝缘结构的优化设计,确保了脉冲变压器在与触发管配合过程中可以承受其输出电缆折返射造成的过电压与反灌电流。     

多间隙气体开关绝缘子寿命

针对设计的一种堆栈式结构多间隙气体开关,分析了绝缘子污染对开关寿命的影响机理。对绝缘子表面电场分布进行了模拟计算,实验研究了绝缘子污染对开关自击穿电压的影响,得到了开关自击穿电压和绝缘子表面绝缘电阻的变化规律,开关在放电电流32 kA实验条件下工作13 000次后,自击穿电压平均值由171.5 kV降低至130.8 kV,绝缘子表面绝缘电阻由200 G下降至22.6 G,绝缘子已无法正常使用。同时提出了提高绝缘子抗污染能力、延长绝缘子寿命的措施和方法。