高功率紧凑PFN-Marx发生器研究进展综述

PFN-Marx发生器可同时实现升压和脉冲形成,具有紧凑的基因。特别是近年来脉冲储能技术的发展,使得直接利用PFN-Marx发生器驱动各类负载成为现实,因而PFN-Marx发生器逐渐成为国内外研究热点。对国内外的高功率紧凑PFN-Marx发生器的研究进展进行了系统介绍,评述其参数和结构特点。通过总结,从时间发展历程上看,PFN-Marx发生器采用高储能密度器件,装置的储能密度水平在不断地提高,尺寸紧凑化水平也在提高;在追求紧凑化的手段上,PFN-Marx发生器的空间结构的优化设计效果优于PFN网络拓扑参数的优化设计;PFN-Marx发生器采用波形优化方法具有较明显的收益,可有效降低装置紧凑化带来级间分布参数更强耦合的负面影响。同时论文探讨了PFN-Marx发生器的发展趋势,为PFN-Marx发生器的研究和技术路线探索提供参考和依据。     

紧凑重频PFN-Marx脉冲发生器

研制了一台紧凑重频脉冲形成网络(PFN)-Marx脉冲发生器,由PFN-Marx发生器、脉冲充电单元、重频触发单元等组成。PFN-Marx发生器模块采用全电感隔离,直径为480 mm,长度为700 mm。脉冲充电单元采用中储电容加脉冲变压器方法,单次充电可以满足10次输出。重频触发单元采用变压器和磁开关一体化设计的全固态Marx发生器技术,输出电压大于50 kV,前沿小于100 ns。脉冲发生器早期输出电参数为单次10 GW,脉冲宽度100 ns,前沿10 ns,阻抗40 。重频工作时输出功率7 GW,频率5 Hz。后期调整后电参数更改为单次10 GW,脉冲宽度70 ns,前沿10 ns,阻抗50 。重复频率工作时稳定输出功率8 GW,频率10 Hz,单串10个脉冲。初步的应用研究中,利用改进后的平台,在5 GW条件下驱动磁控管获得了S波段约1 GW的微波输出。     

寄生传输线对PFN-Marx输出波形的影响

紧凑型PFN-Marx脉冲发生器中,级与级之间存在着较大的寄生电容,该电容和PFN节电感构成了寄生传输线。对两种排布方式下的寄生传输线的放电过程进行了简单分析,重点开展了双列排布方式下全电路仿真模拟,对负载类型、寄生电容、负载电感等参数对输出波形的影响进行了计算,得到了二极管负载会在波形前沿上造成下降、寄生电容大小决定振荡频率、负载电感放大振荡幅值等结论。开展的PFN-Marx实验研究也进一步验证了上述分析结果。根据分析,提出了一种有效抑制输出波形振荡的方法,从电路上进行了仿真验证,进一步实验证实了该方法的有效性。     

紧凑型重复频率快前沿Marx发生器研究北大核心CSCD

设计一种紧凑型重复频率快前沿Marx发生器,采用3.3nF陶瓷电容器作为储能电容,螺旋形空芯电感作为充电电感,通过各级气体火花开关迅速放电在负载上建立了陡化前沿的输出电压波形。将电容器、气体开关、充电及隔离电感设计为同轴一体化结构,整个Marx发生器放置在一个密封的金属圆筒内,通过充氮气或者六氟化硫气体来绝缘。在考虑开关电极分散电容、回路电感等因素基础上,利用自击穿火花开关模型建立了等效放电电路模型,并利用PSpice电路模拟软件进行了数值模拟。在理论分析的基础上,通过优化电路结构,完成了12级Marx发生器的设计与研制。在50Ω电阻负载上获得了电压150kV、脉宽30ns、上升时间10ns的脉冲波形,Marx发生器可60Hz重复频率运行,与模拟结果基本一致。     

全同轴型Marx发生器的研制与场路协同仿真

针对Marx发生器小型化的应用需求和快前沿脉冲下Marx发生器内部存在波过程的实际情况,开展了全同轴结构Marx发生器的研制和场路协同仿真。Marx发生器采用基于环形电容器、环形开关、锥形隔离电感、轴心单边充电的全同轴结构方案,避免结构偏心带来的局部场增强效应。在CST软件中建立了Marx发生器实际结构模型,利用时变材料和场路协同仿真功能实现了充放电过程的动态仿真,仿真结果显示出快前沿脉冲下Marx发生器内部存在波过程。据此可以对绝缘设计进行优化,并分析结构参数对输出脉冲的影响。研制的5级Marx发生器体积小于0.015 m3,可在10 μs内充电至88 kV,对40 Ω传输线输出峰值电压210 kV的高压脉冲,峰值功率约1.1 GW,脉冲前沿5.3 ns,半高宽11.2 ns。     

600 kV波形可调快前沿脉冲源的研制

介绍了一种波形可调的高电压快前沿脉冲源。该脉冲源由Marx发生器、脉冲成型组件、主开关、匹配负载、分流电阻、串联电感等部件构成。各部件自成一体,呈模块化分布。以Marx发生器作为初级储能,通过调节发生器输出端分流电阻、串联电感及脉冲成型组件等模块,可以输出包括双指数波和方波在内的5种脉冲波形。输出脉冲幅值在200~600 kV范围内可调,最小脉冲前沿可达2 ns。     

600 kV波形可调快前沿脉冲源的研制

 介绍了一种波形可调的高电压快前沿脉冲源。该脉冲源由Marx发生器、脉冲成型组件、主开关、匹配负载、分流电阻、串联电感等部件构成。各部件自成一体,呈模块化分布。以Marx发生器作为初级储能,通过调节发生器输出端分流电阻、串联电感及脉冲成型组件等模块,可以输出包括双指数波和方波在内的5种脉冲波形。输出脉冲幅值在200~600 kV范围内可调,最小脉冲前沿可达2 ns。     

1MV小型重复频率Marx发生器研制

设计了MV级小型重复频率Marx发生器,简化了发生器充放电回路,减小了能量损失;分析了隔离电感变化时对发生器输出脉冲电压波形的影响,减小了隔离电感体积,提高了隔离有效性;优化了开关腔体结构,实现了间距连续可调,且受外围结构的变化或振动影响,13个开关间隙置于同一垂线上,火花放电时产生的紫外线或射线相互照射,加速了开关导通,减小了Marx发生器输出电压抖动。塑壳电容降压使用,提高了发生器的可靠性;通过Pspice模拟和三维静电场分析,实现了发生器小型化,整个Marx发生器放置在一个密封纯净SF6气体的金属圆筒内,体积小于0.25m3。优化设计和实验研究,发生器在高阻负载上输出峰值1.02MV、前沿约30ns的高压脉冲,发生器储能290J,电压幅度抖动约10%,前沿抖动小于10ns,可实现重复频率20Hz稳定运行。     

陡化前沿Marx发生器的重频运行研究

 将10级陡化前沿Marx发生器由电阻隔离型改造成为电感隔离型,以便对其开展重频特性研究。通过恒压源充电的单次实验发现,发生器在氮气(N₂)中工作时,两种隔离方式的输出脉冲波形基本一致,然而在六氟化硫(SF₆)气体中工作时,电感隔离型相对于电阻隔离型的输出脉冲前沿较慢;对其原因做出了初步分析。在利用恒流充电装置充电的重频实验过程中,通过采用提高充电电流的方法,解决了发生器恒流充电时的充电脉动问题,进而开展了重复频率运行实验研究。实验结果表明,在不对开关进行吹气的情况下,当充电30 kV时,发生器可以在8.2 Hz的重频下稳定工作,输出脉冲的重叠一致性比较好,输出电压约为150 kV,电流约为1.8 kA,脉冲前沿为十几ns。     

陡化前沿Marx发生器的设计与初步实验

 设计了10级同轴结构的陡化前沿Marx发生器,实现了电容储能型脉冲功率调制系统的小型化。该系统采用3 nF低电感电容器作为储能电容,采用固体电阻作为充电电阻,通过各级短间隙气体火花开关迅速放电及级间紫外光耦合在50 Ω负载上建立了陡化前沿的输出电压波形。在考虑开关电极分散电容、等效传输线效应及回路电感等因素基础上,利用自击穿火花开关模型建立了等效放电电路模型,并利用PSpice电路模拟软件进行了数值模拟。根据数值模拟结果设计加工了10级陡化前沿的Marx发生器实验装置,在较低充电电压下（7 kV与11 kV）,得到了初步实验结果,输出电压波形大致为方波,相对于传统Marx发生器输出前沿缓慢的三角波有较大改善,半高宽为40~50 ns,前沿时间为十几ns,幅值约为41 kV和57.5 kV,实验结果与模拟结果基本一致。     

固态化脉冲形成网络Marx脉冲发生器

和传统Marx发生器单级由单一电容组成不同,脉冲形成网络Marx发生器的每一级是以陶瓷电容排列成网络形式组成脉冲形成网络,然后再通过串联叠加的方式实现电压叠加。由于采用了脉冲网络形成线,该型发生器可以产生质量较高的脉冲波形。对该型Marx发生器的充电方式、开关结构、结构布局等进行了研究,设计了两种较为紧凑的实验装置。开展的初步实验研究中,利用脉冲变压器进行充电,利用SF6气体绝缘,10级叠加结构在50Ω水电阻负载上获得了400 kV,100 ns的高压输出;20级结构在50Ω水电阻负载上获得了500 kV,70 ns的高压输出。     

L型脉冲形成网络的仿真与实验研究北大核心CSCD

研究了L型连接结构对脉冲形成网络输出波形的影响。采用有限积分法,对L型连接结构的脉冲形成网络进行三维建模和仿真,并将其与直线型连接结构的脉冲形成网络仿真结果进行比较。结果表明:L型结构的脉冲形成网络前沿与直线型结构基本一致,约为40ns,半高宽为168ns,比直线型小7ns,平顶处较直线型结构有所波动,表现为平顶后段幅度升高。通过对两种连接结构的脉冲形成网络进行高压实验,验证了仿真结果。在脉冲功率驱动源结构紧凑化的工程应用中,L型连接结构的输出波形能基本满足要求。     

紧凑型长脉冲功率模块研制

设计了基于Blumlein脉冲成形网络(PFN)的紧凑型长脉冲功率模块。该模块将两路阻抗各为20Ω的Blumlein脉冲形成网络对称连接于LTD的初级绕组上,并采用同一个气体开关驱动,以保证两路PFN工作同步。PFN采用直角弯折"L"型结构,这种结构既保证了PFN与开关连接紧凑,又将模块横向尺寸缩减至最短,且对输出脉冲波形影响不大。实验结果表明,研制的长脉冲功率模块在10Ω负载上输出脉冲幅值约为135kV,半高宽约为180ns,前沿约为50ns,平顶约为100ns,重复脉冲频率可达到25Hz。     

40 kV/6 kA引出Kicker磁铁脉冲电源设计

 从脉冲电源参数计算、电源整体设计、脉冲形成网络（PFN）设计和优化等方面介绍了中国散裂中子源快循环同步加速器引出Kicker磁铁脉冲电源的初步设计情况，提出一种新型的低阻抗PFN设计方法，给出了脉冲电源和PFN的参数，利用PSPICE程序仿真了充电电压为36.5 kV时磁铁的励磁脉冲电流波形，励磁电流脉冲幅值达到5.8 kA。仿真结果表明：PFN的单元电容电感相同时,采用较多的PFN节数,励磁电流脉冲宽度会变宽,电流脉冲前沿和平顶度没有显著变化;采用合适长度的电缆,可以有效避免反射电流对主脉冲电流波形产生影响。     

200 kV长脉冲功率源研究

介绍了采用脉冲形成网络（PFN）获得长脉冲功率源的基本原理，用PSpice模拟Marx型脉冲形成网络的结果，以及200 kV长脉冲功率源的设计过程。建立了一台对匹配负载输出200 kV的长脉冲功率源，功率源电路结构采用5级Marx-PFN型脉冲形成网络，网络阻抗为14 Ω左右。实验得到该功率源输出电压脉冲前沿小于500 ns，平顶宽度为3 μs，脉冲半高宽为4.3 μs，电压脉冲平顶波动小于1%，脉冲电压幅度为200 kV左右。     

240 kJ模块化能库型脉冲放电电源研制北大核心CSCD

空间等离子体环境模拟与研究装置用于在地面模拟空间磁场和等离子体环境,需要在3.5μH电感、0.8 mΩ电阻的环向场线圈负载上产生前沿130μs、降流时间不大于1600μs、峰值260 kA的脉冲电流,因此设计了一套模块化的电容器型放电电源。针对相对较小电感的负载,根据设计要求的放电波形和开关组件通流能力,考虑负载短路故障的情形,给出了保护电感、优化的模块数量等回路参数计算方法。进一步采用传输电缆作为能量传输,同时将电缆寄生电感作为保护电感的方案,研制了一套由4个模块组成的放电电源。研究结果表明,本文给出的电路理论计算结果与设计要求一致,放电试验进一步证明电源设计满足设计放电波形要求。