双路脉冲输出结构理论设计与仿真

基于单台脉冲功率驱动源同时驱动两个微波器件产生双频高功率微波的构想,设计了一种双路短脉冲输出结构,其接于主开关后,能够将主开关产生的高压纳秒脉冲传输至高功率微波产生器。两路脉冲由同一脉冲源产生,具有很好的一致性。对双路输出结构脉冲传输过程进行了建模仿真,研究了传输线阻抗、输入脉冲前沿等电学参数对输出波形质量的影响规律,并完成了绝缘风险分析及结构优化。经评估,在前沿4～8 ns的准方波输入脉冲下,双路脉冲输出线的输出波形质量与单路传输线相当,其过冲振荡均小于20%、平顶振荡均小于1%,且能满足绝缘要求。     

高功率超宽谱脉冲产生实验

 介绍了纳秒传输线充电技术的原理,利用该原理设计了高功率超宽谱脉冲产生实验装置,通过电路模拟计算分析了实验装置的工作过程。结合1.2 MV高压脉冲电源开展了实验,实验中对输出脉冲形状、输出脉冲功率和工作稳定性进行了调试,在2.7 Ω负载上获得输出功率大于30 GW,脉冲宽度1.6 ns,重复频率100 Hz。系统运行稳定,达到设计要求。     

4路GW级纳秒脉冲源同步技术实验研究

 利用峰值功率可达1 GW的纳秒脉冲源CKP1000开展了4路GW级纳秒脉冲源同步技术实验研究。使用trigatron作为触发开关,通过单路开关触发特性实验研究优化了开关的结构与工作参数,单路开关抖动0.2 ns,建立了实验装置,实现了4路GW级纳秒脉冲源并联同步输出。同步实验结果为: 纳秒脉冲源输出电压230 kV,峰值功率1 GW,脉冲宽度6 ns,4路输出脉冲同步偏差95%以上概率分布在1 ns以内,平均同步偏差630 ps。     

层叠Blumlein纳秒脉冲形成线设计与实验

研究了一种结构紧凑型的多级层叠Blumlein纳秒脉冲形成线,从理论上分析了放电时回路各分布参数对层叠Blumlein脉冲形成线输出电压的影响,并利用PSpice模拟验证了各分布参数对层叠Blumlein脉冲形成线输出结果的影响,发现开关的导通电阻是制约输出电压幅值的主要因素,开关的分布电感对输出波形的影响大于负载分布电感的影响,基于时域有限差分法原理,利用XFDTD软件模拟了两级层叠Blumlein线的电磁耦合效应。开展了多级层叠Blumlein脉冲形成线实验,结果表明,基于陶瓷固态传输线和GaAs光导开关的层叠Blumlein脉冲形成线能够实现输出电压叠加,可用于产生ns量级脉宽的脉冲高压。     

小型整体径向传输线的设计与实验

设计了一个小型整体径向传输线并对其传输特性进行了实验研究。该传输线由两块相距1 cm的铝合金平板组成，其特征阻抗采用双曲线型。1个输出端口位于传输线中央，20个输入端口均匀分布在传输线的外圆周上，最多可供20路脉冲同时注入。此传输线浸没于去离子水中，其单向传输时间为15 ns。负载由20个154 的电阻并联而成，以保证输出端的阻抗匹配。实验测得的输出电压波形与3维电磁场仿真结果非常接近。此外，还通过实验研究了不同驱动脉冲路数情况下小型整体径向传输线的输出电压，发现在驱动脉冲路数较少的情况下，输出电压的幅值几乎正比于驱动脉冲的路数。     

用于等离子体焦点装置的强流装置

研制了用于稠密等离子体焦点的强流装置,该装置采用八台低电感低内阻脉冲电容器和八个低感大电流、可控触发高压开关并联组成初级储能模块,高压开关同步击穿后产生μs级强电流经平行板传输线加载到负载。脉冲电容器和高压开关采用一体化设计,结构紧凑,使脉冲电容器与高压开关间的连接电感尽可能小;平板传输线为扇形结构,一个扇形平板传输线连接一个高压开关,平行板传输线可以将电感做得较小,有利于大电流回路的传输。在脉冲电容器充电20 kV时,假负载上可以得到500 kA的电流,电流上升时间约为3.7 μs。     

基于MOSFET的纳秒级全固态脉冲源设计

采用MOSFET半导体固态开关作为主放电开关取代气体开关、高压二极管替代充电电阻的技术方法,设计了一种基于功率MOSFET固态开关的纳秒级全固态脉冲源。设计的脉冲源主开关级数共5级,每级主开关分别由5只功率MOSFET半导体固态开关器件串联组成,开关通断控制采用脉冲隔离变压器同步驱动方式。在重复频率1 Hz~1 kHz、充电电压4 kV、负载阻抗为1 k条件下,可实现输出幅度大于20 kV、前沿小于10 ns且脉宽大于100 ns的高压快脉冲。通过实验结果验证了所采用的设计原理及方法的可行性,并给出了单次和重复频率（1 kHz）触发信号作用下全固态脉冲源输出的实验结果。     

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。     

非匹配传输线产生宽谱脉冲实验研究

介绍了基于短路开关-锐化开关组合的非匹配传输线的工作原理,通过数值模拟分析了开关的导通时间、导通延时以及形成线的长度对输出宽谱振荡脉冲的影响。设计了非匹配传输线的实验装置并在500kV Marx发生器上开展了实验研究。在短路开关间距为4mm、腔体内充入SF6气体的压力为1.15MPa,锐化开关间距为2.5mm、腔体内SF6气体的压力为1.0MPa的条件下,在50Ω传输线上测得的峰值功率为3.3GW,振荡脉冲的中心频率为169MHz,百分比带宽为22.9%。     

基于脉冲形成线充电的脉冲压缩技术

利用脉冲压缩技术,将具有一定初始电压的高阻抗长脉冲形成线对低阻抗短脉冲形成线充电到一定值时,其输出开关导通,在其后的传输线上可以产生高功率短脉冲。给出了脉冲压缩理论分析;前级脉冲驱动源采用GW级纳秒脉冲形成线,其特性阻抗为40Ω、电长度为3.9ns,输出脉冲宽度约8ns;研制了与前级脉冲驱动源匹配的脉冲压缩装置和变阻抗传输线,考虑到脉冲压缩装置低阻抗形成线绝缘击穿和开关导通限制,选取脉压装置形成线特性阻抗6.5Ω、电长度0.5ns。利用GW级纳秒脉冲驱动源开展了脉冲压缩实验,得到了输出功率增益达4倍左右的脉宽1.5ns高功率短脉冲,输出脉冲功率增益与理论值基本相符。     

Blumlein双极脉冲形成线

 为了提高超宽带系统的辐射因子,对超宽带脉冲整形技术进行了深入研究,介绍了采用Blumlein线产生双极脉冲的高功率双极脉冲产生技术。对采用Blumlein线产生双极脉冲的原理进行了讨论,通过数值模拟分析了影响双极脉冲形成的主要因素。设计了一套Blumlein高功率双极脉冲形成线,在800 kV脉冲源上开展了高压实验研究,分析了开关及形成线长度对形双极脉冲的影响。在输入单极脉冲电压为652.0 kV、脉宽为2.1 ns的情况下,Blumlein双极脉冲形成线可以产生负峰电压为571.9 kV、正峰电压为550.4 kV、半周期为740 ps的双极脉冲,峰-峰值电压是入射脉冲峰值电压的1.72倍,辐射因子为4.54 MV。     

全固态电感储能形成线纳秒短脉冲功率调制器北大核心CSCD

全固态电感储能型脉冲形成线调制器是实现高重复频率、电压高增益和短脉冲输出的一种全新方案。但开关非理想的动态特性和传输线固定的物理空间尺寸限制,难以实现高压短脉冲的产生和调控。为解决上述难题,通过电磁场分析建立了碳化硅场效应器件开关驱动模型,发现高速驱动和开关器件低寄生参数能有效改善开关动态特性,提出了板上高速开关及驱动集成设计解决方案。基于波过程分析和多开关时序逻辑控制理论,提出多开关削波电路拓扑方法和主动负载阻抗调制技术。实验结果表明,该调制器可产生上升时间2.1 ns,下降时间3.5 ns,脉冲宽度5.1 ns的方波短脉冲,并且脉冲宽度5~20 ns连续可调。10级叠加后验证了调整器高压能力,初级储能充电电压25 V时,电压增益可达336倍,重复频率200 kHz。     

大功率固态调制器的仿真研究

 设计了大功率固态调制器的新型固态脉冲开关模块。通过分析电力电子仿真软件Saber中绝缘栅双极晶体管(IGBT)物理模型的概念和等效电路，结合实验数据建立了IXDH20N120型IGBT的模型，研究了Saber环境下，不同参数条件和拓扑结构对调制器电路输出特性的影响。仿真结果表明：动态均压网络在有效地保护开关的同时，可以减少IGBT的开关损耗；电路中器件离散性与系统分布参数会造成调制器输出波形质量下降，效率降低。并对调制器在负载打火情况下，因严重不均流而损坏器件故障的机理作了分析，实验证明仿真结果和分析与实际相符。     

基于谐振电路与脉冲变压器的高压脉冲源设计

提出一种基于谐振电路与脉冲变压器结合的高压脉冲实现方案,该方案利用电容与电感的谐振效应,结合脉冲变压器的升压作用,在仅使用一个半导体开关的条件下,实现高压脉冲的输出,其结构简单,成本低,并且可实现零电压关断。并对于电路的运行模式进行了理论分析,搭建了原理样机进行实验。容性负载条件下,实现频率1～ 15 kHz、幅值0～ 10 kV可调的高压脉冲输出,对比分析了续流支路以及续流电阻对于输出高压脉冲波形的影响。利用该脉冲电源进行DBD放电实验,成功驱动介质阻挡放电反应器,验证了该方案的可行性。     

带陡化间隙的触发真空开关触发源研制北大核心CSCD

针对主电极间距20mm以上的沿面击穿型多棒极触发真空开关(TVS),研制了开关触发源。触发源利用脉冲变压器产生脉冲高压输出,在脉冲变压器高压侧并联小容值电容并在电容后串联陡化间隙。陡化间隙的加入可以使触发源输出不受触发沿面金属蒸气沉积的影响。通过调节间隙击穿电压也可以提高电容充电电压及储存能量,从而增加TVS触发沿面被击穿时注入到其中的触发能量。使用该触发源对TVS进行导通实验,结果表明,加入陡化间隙后的触发源输出能量大幅提高且不受触发沿面金属蒸气沉积的影响,能够实现TVS的100%可靠导通。     

非匹配传输线型宽谱振荡器实验研究

设计了基于低阻形成线对非匹配传输线充电型宽谱振荡器,介绍了振荡器的工作原理。在数值模拟分析的基础上,完成了低阻形成线、非匹配传输线的结构设计。此宽谱振荡器在1 MV Marx实验平台上开展了实验研究,在主开关的间隙为14 mm、气压1.5 MPa,短路开关间隙为6 mm、气压1.0 MPa,锐化开关间隙为4 mm、气压1.1 MPa的条件下,实现了宽谱脉冲重复频率20 Hz稳定输出,中心频率达到260 MHz。采用低阻形成线对非匹配传输线充电技术,既实现了高功率宽谱振荡脉冲又提高了脉冲的中心频率。     

双脉冲高功率脉冲调制器的设计

采用螺旋线和折叠线技术相结合的方法,设计了一种基于水介质高功率脉冲调制器。该调制器采用了两个开关,通过控制两个开关的导通时刻,可以在两个负载上得到脉冲长度相等的两个脉冲。对该种折叠型传输线的波过程进行了详细分析,给出了过渡段部分阻抗等参数对负载电压的影响;用Pspice电路软件对脉冲形成线的充电电压和二极管电压、电流进行了模拟;最后利用高压同轴电缆,对该种类型调制器进行了低压情况下的验证实验,实验结果与理论分析、模拟研究一致。此种类型的调制器具有结构紧凑、可同时输出两个脉冲的优点。     

便携式脉冲形成线设计与实验研究

采用聚酯薄膜为绝缘材料,设计了一种小型化便携式层绕Blumlein线,其主要特点是采用S型层绕的方法对薄膜介质平板Blumlein线进行绕制,使形成线的体积小,结构紧凑,有利于脉冲功率源小型化、实用化的发展。其集成了薄膜电容器易卷绕、耐高压、储能强的优势,同时具备了传输线的特点。采用气体火花间隙开关,对S型薄膜介质脉冲形成线的耐压特性及负载输出波形进行了实验研究。结果表明:开关的导通特性对脉冲形成线的负载输出波形有很大的影响,开关电感及开关抖动等因素会影响脉冲波形的前后沿,使输出脉冲方波波形质量变差。采用PSpice软件对实验等效电路进行了模拟,得到了与实验一致的结果。设计的Blumlein线体积为50 cm18 cm12 cm,承载电压50 kV,负载输出脉冲上升沿50 ns,平顶宽度120 ns。