高功率重复频率Marx型脉冲功率源小型化技术研究进展

传统的高功率重复频率脉冲功率源通常以低电压储能、升压、高压脉冲形成线、输出的顺序工作。因而系统至少包括低压储能和高压脉冲形成线两个储能环节,同时高压脉冲形成线的体积随着电压的升高快速增长。针对这些问题,课题组提出了一种高功率重复频率Marx型脉冲功率源小型化研究的设计思路和实现方式,并开展了相关技术研究。主要介绍了课题组在关键技术上取得的重要进展,包括高储能密度的储能/脉冲成形一体化技术、低抖动重复频率气体开关技术、低抖动高能触发技术、紧凑型Marx高压串叠技术等一系列关键技术。同时介绍了课题组研制的几种典型紧凑结构重复频率Marx型脉冲功率装置:同轴结构快Marx发生器、基于薄膜介质线的脉冲功率源、模块化低阻抗紧凑型Marx发生器、20 GW高功率重复频率脉冲驱动源。通过探讨关键技术研究及其发展现状,为未来脉冲功率源小型化研究的发展和应用方向提供参考。     

基于磁开关的全固态、高功率、长脉冲发生器的初步研究

大多数电容储能型脉冲功率装置的共同特点是采用了气体开关, 由于气体绝缘恢复的限制和电极的烧蚀, 使得其重复频率都不太高, 而且寿命有限. 而目前广泛研究的磁脉冲压缩技术在脉冲功率系统的长寿命、高平均功率和高重复频率运行方面具有很大的应用前景. 通过对BOOST电路、LC谐振电路和磁脉冲压缩电路详细的理论分析和计算机模拟, 设计了由BOOST电路, LC谐振电路, 脉冲变压器, 磁压缩系统, 负载五大部分组成的脉冲发生器电路系统模型, 使用Pspice软件对系统进行了模拟、优化, 得到了电压幅值为55kV, 脉宽为500ns的输出脉冲.     

20 GW紧凑Marx型重复频率脉冲驱动源研制进展

介绍了一种基于电触发技术的重复频率脉冲驱动源,其突破了双电容结构脉冲成形、紧凑型结构高压产生、大电流条件下重复频率稳定运行等关键技术,采用电路结构最简单的Marx电压叠加技术,解决了Marx在重复频率运行中的技术难点。脉冲功率驱动源设计输出功率20 GW、脉冲宽度180 ns、重复频率1~50 Hz,输出功率和重复频率在一定范围内可调。研制的脉冲功率驱动源体积仅2.5 m3,重量低至2.2 t,脉冲形成单元储能密度高达23 kJm-3,驱动源单次工作状态下输出功率约20 GW;在重复频率30 Hz工作状态下,输出功率16 GW、连续运行时间10 s、系统抖动约6 ns,系统运行稳定可靠。     

高重复频率脉冲功率技术及其应用:(5)脉冲叠加的意义

通过对多个脉冲功率发生器的输出进行同步叠加可以获得功率合成。脉冲叠加还可以使脉冲功率源的设计和制作走向模块化。从直线变压器驱动源（LTD） 的观点出发,综合论述了脉冲叠加在重复频率脉冲功率技术中的意义。特别针对固态LTD,通过实验结果归纳了它的技术特征,并在此基础上提出了智能化脉冲功率的概念。     

高重复频率脉冲功率技术及其应用:(7)主要技术问题和未来发展趋势

综合论述了高重复频率脉冲功率技术所面临的主要技术障碍和工程问题。从实用的角度归纳了脉冲功率源设计时经常遇到的矛盾关系。结合目前的技术发展动态,探讨了未来这项技术的发展趋势和主要方向。目前,高重复频率脉冲功率系统的主要瓶颈是开关技术;主要技术障碍包括冷却、效率及可靠性;主要矛盾体现在系统的紧凑性与绝缘要求、上升时间与峰值功率、工作参数与可变范围及技术性能与制作成本等方面;未来发展趋势主要包括模块化、通用化和智能化。     

高重复频率脉冲功率技术及其应用:（3）磁开关的作用

描述了磁开关的原理和使用方法,并结合实例介绍了磁开关在具体装置中的作用。从磁性材料的磁化特性出发,概述了磁饱和现象的机理和特征。 讲解了磁开关在脉冲压缩、磁助器和可饱和变压器等方面的应用。在此基础上,描述了典型的高重复频率脉冲功率发生器、高功率脉冲功率发生器和半导体断路开关(SOS)驱动电路中的磁开关的工作原理。     

高重复频率脉冲功率技术及其应用:(6)代表性的应用

综合介绍了高重复频率脉冲功率在材料、环保、生物·医疗、光源和高能加速器领域的代表性应用。采用脉冲功率的离子注入和表面改性已经被用于工业产品。废气和废液处理的研究成果正在向实用化接近。使用脉冲电场的杀菌和癌症治疗正在吸引很多学者和厂家,因此脉冲功率在生物医学领域的应用前景是非常乐观的。另外,决定未来集成电路工艺标准的极紫外光源已逐步走向生产线。高能加速器上的闸流管会渐渐被功率半导体器件取代。     

三脉冲功率系统模块

采用基于并联Blumlein脉冲形成线的MHz重复频率脉冲功率技术和基于激光触发气体开关的多级触发系统,设计了脉冲功率系统模块,该模块具备6路输出能力,每路均可以MHz重复频率猝发方式输出三脉冲,幅度可达300 kV。对模块中的Blumlein装置、脉冲汇流、隔离网络、触发系统等部件参数进行了设计。以多脉冲直线感应加速器感应腔作为负载,对该模块的性能进行了分析,结果表明:模块中每个脉冲的输出时间抖动小于2.3 ns（标准差）,脉冲间最小时间间隔大于500 ns时可在负载上获得高品质波形。     

基于弧形PFN的长脉冲功率源研制

设计了基于弧形Blumlein 脉冲成形网络(Blumlein PFN)的LTD型重复频率长脉冲功率模块。该模块将四路阻抗均为24 的弧形Blumlein PFN对称分布在LTD外筒圆周上,连接于LTD的初级绕组上,并采用两个激光触发放电开关同步驱动,整个脉冲功率模块结构紧凑,缩短了高压馈线和开关引线长度,有利于形成良好脉冲波形。在此基础上研制了两模块重复频率长脉冲功率源,实验结果表明,研制的长脉冲功率源在5 Hz重频运行时假负载上输出脉冲幅值约为260 kV,脉冲功率达到5.2 GW,脉冲宽度约170 ns。     

MHz重复频率脉冲功率技术

采用串联单传输线、并联Blumlein脉冲形成线和高重复频率固体开关等技术路线开展了MHz重复频率脉冲功率技术研究。利用串联单传输线获得了幅度约200 kV,时间间隔约500 ns的双脉冲。利用并联使用的Blumlein系统和特殊设计的汇流/隔离网络获得了幅度约275 kV,时间间隔约500 ns的三脉冲。利用并联MOSFET和感应叠加原理研制了6 kV/2.5 MHz固体调制器。结果表明:3种方式均可以猝发MHz的方式输出高品质的高压脉冲串,可根据实际的需求选择合适技术路线。     

中国脉冲功率科技进展简述

从脉冲功率科学技术的基本内涵出发,回顾我国脉冲功率发展历史,按照高功率脉冲加速器建设历程,我国脉冲功率技术发展史可大致分成三个阶段:自主创业、加速成长到创新超越;尝试以国际视野介绍我国在闪光照相、Z箍缩、高功率微波、电磁发射和工业应用等方面的发展成就;简要阐述脉冲功率技术未来发展趋势,建议大力发展先进辐射源技术,关注爆磁压缩技术,加强HPM、抗核加固和电磁发射等各类负载技术攻关,加大协同创新和应用推广。     

半导体开关在脉冲功率技术中的应用

国内外脉冲功率技术的一个重要的发展趋势, 即高功率、长脉冲、高重频以及小型化, 由此以半导体器件为基础的全固态脉冲功率技术得到了广泛的关注和应用; 文章以晶闸管(SCR)、绝缘门双极晶体管(IGBT)以及半导体断路开关(SOS)的应用为例进行了说明; 对用晶闸管控制的充电系统、IGBT应用于Marx发生器和脉冲变压器驱动源以及半导体断路开关的应用做了较为详细的原理性说明, 并给出了一些实验结果. 半导体开关技术的应用在一定程度上解决了传统脉冲功率发生器装置中存在的短寿命, 低重复频率, 稳定性差等缺点, 具有广泛的应用前景.     

1.2MV重复频率脉冲电源的测试诊断系统

为了更好分析系统的放电特性和工作状态,优化脉冲功率源系统的设计,研制了一套1.2MV重复频率高功率微波驱动电源测试诊断系统。通过研究高电压、大电流测试技术和数据采集、信号处理、故障诊断技术,同时运用虚拟仪器和电磁兼容等技术,探索开发了一套重复频率脉冲电压电流测试诊断系统。结合系统的研制需求,通过分析各种数据采集设备的优缺点,硬件选用了凌华公司的PXI数据采集系统,软件采用LabVIEW,设计开发了重复频率快信号的采集诊断程序,研制出实时诊断系统,并在1.2MV重复频率脉冲电源系统中应用,实现了对重复频率电源关键点电压电流的测试以及数据的诊断、处理和远程在线监测,出现故障时报警、存储数据并自动断电等功能。     

半导体脉冲功率开关的最新进展

简述了脉冲功率开关的发展及国内外脉冲功率晶闸管产品的现状,并详细介绍了国内的脉冲功率开关产品及其特点。阐述了脉冲功率晶闸管组件产品的设计与应用,以及半导体脉冲功率开关的测试试验平台。简要介绍了脉冲功率晶闸管及其组件在工程应用中的同步驱动、感应取能和串联均压等关键技术,并简述了脉冲功率晶闸管组件的工程应用实际效果。阐述了半导体脉冲功率开关及其测试试验平台的发展方向。     

重复频率脉冲功率系统触发器设计

根据重复频率脉冲功率系统中大功率开关器件氢闸流管的触发原理,针对选用的氢闸流管VE4147的触发要求,设计了直流偏压-150 V、空载电压2 000 V、脉冲电流10 A、脉冲宽度800 ns、重复频率10 kHz的触发器。设计中着重从增强抗干扰能力、降低功耗、改善散热等方面进行考虑,保证触发器以10 kHz的重复频率持续工作,已经应用于100 kV/2 kHz高压脉冲电源、70 kV/10 kHz氢闸流管老练平台、150 kV/1 kHz可调脉宽电晕等离子体驱动源等多个重复频率脉冲功率系统中。     

强激光脉冲电源系统故障分析和对策

 详细分析了强激光脉冲电源系统可能存在的故障问题, 通过电路模拟给出了故障电流波形。在此基础上提出了电源系统故障保护的方法和对策,这对于电源系统的设计和安全运行具有十分重要的意义。     

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。     

10MW串级脉冲发电机的理论、设计、实验及应用研究

 脉冲发电机具有小型、机动、灵活、可靠、寿命长等特点, 作为高功率固体激光器和加速器电源是一新的技术路线。比较了各种类型脉冲电源的性能指标,解释了旋转磁通压缩和串级原理,提出串级脉冲发电机的自激、偏极与双机同壳概念,给出电机的设计公式,10MW串级脉冲发电机的设计、实验及在强激光与粒子束领域中的潜在应用。