电容参数对超导储能重复频率脉冲电源性能影响

介绍了单级超导电感储能重复频率脉冲电源电路,对放电过程及转换电路中电容器的作用进行了分析,建立了单级脉冲电源的基础试验平台和电路仿真模型,利用仿真分析了不同电容参数对脉冲电源性能的影响。仿真波形与实际试验波形具有较好的一致性,能够很好地反映超导电感储能重复频率脉冲电源的输出性能,证明了电路仿真模型是可行的。仿真结果表明:电容参数对电容电压和最大电容储能比例影响较大,对输出脉冲峰值和负载的实际能量利用效率影响相对较小,选择较大的电容参数,可以降低电容电压,从而降低脉冲电源对断路开关的耐压要求,但是同样会降低输出脉冲峰值和增大最大电容储能比例。在未来大功率系统中,应在满足断路开关耐压的条件下,选择较小的电容参数。     

XH-1装置电感储能系统的电路模拟

 针对XH-1装置电感储能系统,建立了电爆炸断路开关基于开关电阻倍增比与比能关系的电路模型,给出了与电感储能系统耦合时,利用PSPICE模拟计算得到的开关上的电流电压波形和负载上的电压波形,分析了负载阻抗参数对输出脉冲的影响。     

快速关断半导体开关工作特性及实验研究北大核心CSCD

介绍了快速关断半导体开关(DSRD)的工作原理,研究了开关内部的物理过程,分析了系统参数对开关输出特性的影响,研究发现:基区材料的击穿阈值越高、载流子饱和漂移速度越大输出电压上升速率越快;基区高的电场击穿阈值或低的掺杂浓度会增加器件关断时间和最大工作电压;考虑各参数的影响,基于高击穿阈值的DSRD是实现快脉冲输出的理想器件;缩短正向泵浦时间可有效抑制预脉冲,当正向泵浦时间小于200 ns时,输出脉冲波形基本不变;为了获得理想的脉冲前沿,反向电流应在达到峰值时完成对注入电荷的抽取。设计了单前级开关的DSRD泵浦电路,研制了基于DSRD的快脉冲产生系统,输出脉冲前沿约4 ns,电压约8 kV,电压上升速率约2 kV/ns,满足FID开关器件对触发电压的要求。     

脉冲成形网络参数对轨道型电磁驱动系统效率的影响

针对分布馈电式(DES)轨道型电磁驱动系统,建立了基于PSpice的电路模型;采用最常见的电容储能方式构成脉冲成形网络(PFN);负载模型充分考虑电枢运动时的滑动摩擦,以及导轨电感、电阻等非线性因素。由仿真结果得到的电流值可以计算出电枢所承受的电磁力,从而得到电枢的加速度、速度,以及动能。分别选取不同电容器组的电容量或初始电压,脉冲成形电感器的电感量,主放电开关的闭合时间间隔,以及PFN模块参数(包括模块的数量、结构等),进行仿真分析,得出在各种参数下的系统效率,并加以比较,确定了几种可以有效提高轨道型电磁驱动系统效率的方法或者最优化的参数。仿真结果表明:在电枢质量与加速距离不变的条件下,电容器组的电容量或初始电压越高,电枢初速度越大,而系统效率随着电压的升高先增大后减小;脉冲成形电感器的电感量越大,电感器中的剩余能量越大,系统效率越低;主放电开关的闭合时间间隔越短,系统的效率越高;在初始能量一定的前提下,电源的模块数越多,电枢的出膛速度越大,系统效率也越高,可以通过采用多组小电容值的电容,来提高系统的效率;优化的PFN模块参数设计能够提高系统的效率。     

多间隙气体开关的电场分布特性

为了寻求可用于快前沿直线型变压器驱动源最理想的多间隙气体开关结构,利用有限元分析软件模拟计算了几种不同电极结构气体开关内各间隙在开关触发前后的电场分布,并利用新型开关电路模型研究了气体开关触发导通前均压措施对开关内部各间隙电场分布均匀性的影响,以及触发后各中间电极对主电极杂散电容与气体开关内电场分布规律之间的关系。结果表明:圆形环状结构电极有利于形成稳定的多通道放电,降低开关的电感及抖动;在开关各个间隙之间并联相同阻值的电阻可以有效地改善开关直流耐压特性;在开关触发导通时,各间隙的电压分布主要与触发电压的上升时间、各个电阻及杂散电容值有关;触发电压的上升时间越短,杂散电容值对间隙电压分布的影响越明显。     

高电压脉冲功率调节系统的数值模拟

介绍高电压脉冲功率调节系统（储能电感／断路开关）的模拟计算方法．根据使用的初始能源种类不同，分别对电容器模型和简单的爆炸应压缩发生器（ＭＦＣＧ）模型作了初步计算．对于后者，分别考虑不带断路开关和带断路开关负载两种情况，从结果比较可知电流将变化２０％—３１％．在电容器模型中，分别考虑了负载、初始充电电压、储能电感等因素的影响．通过计算表明，要得到理想的输出结果，必须对系统运行参数进行优化．     

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。     

两种基于超导脉冲变压器的脉冲电源研究

为探索电感储能的脉冲电源,介绍了两种利用超导脉冲变压器储能和脉冲放大的脉冲电源模式,分别分析了两种脉冲电源的工作原理,以同一个实验用小型超导脉冲变压器的实际参数为依据,对两种脉冲电源模式进行了仿真计算,并分别分析了不同限压等级条件下的脉冲输出特性及效率特性。结果显示,两种电源模式都对超导脉冲变压器的原边有较好的限压,不过,利用电容限压的模式的综合性能要好于利用非线性电阻限压的模式。     

超高速大电流半导体开关实验研究

 利用自行研制的固态半导体开关RSD，采用电容储能方式，研究了RSD的电压响应时间、大电流特性、电流上升率等。在测试RSD的电压响应时间时，得到了25 ns的电压下降曲线。在主电容电压为8 kV时，得到峰值为10.1 kA、脉宽为34 μs、电流上升率为2.03 kA/μs的大电流脉冲。通过调整主电路，在主电容为3 kV时，得到的电流脉冲峰值为8.5 kA、脉宽为2.5 μs、电流上升率为7.2 kA/μs。结果表明，RSD是一种开通快、通流能力强、电流上升率高的大功率半导体开关器件。     

新型电感储能脉冲功率驱动源

提出了将传统单个储能电感利用传输线分隔成两部分的新型电感储能脉冲功率驱动源技术方案。理论分析表明,利用传输线电容的耦合延时作用,可有效对调制器输出脉冲波形进行整形,并且可以进一步提高能量转换效率,从而克服传统电感储能脉冲功率源输出波形质量差(类三角波波形)的缺点。基于该思想开展了实验研究,获得了电压约300 kV,电流约20 kA的电子束,并成功驱动S波段磁绝缘线振荡器获得了百MW量级的微波输出。     

新型半导体开关高压电磁脉冲产生技术

基于独特结构和物理特性的两类高性能新型高压半导体开关漂移阶跃恢复二极管和快速离化开关,提出一种新型高功率高压纳秒电磁脉冲产生方法,其技术路径是通过高压漂移阶跃恢复二极管开关将高贮能电感能量向高压快速离化开关及负载转移,产生高功率、高重复频率纳秒电磁脉冲,并用实验验证该方法在高重复频率（120,200,300 kHz）下产生高功率、高重复频率纳秒脉冲的有效性,输出脉冲电压分别为1.62,1.41,1.36 kV。     

基于光导开关及层叠Blumlein线的纳秒脉冲源

设计了一台层叠Blumlein线型脉冲功率源。该脉冲源以平板型Blumlein线为储能器件,使用4个GaAs光导开关作为脉冲形成开关,通过4级Blumlein线层叠结构以获得更高输出电压。分别使用10 mm及3 mm间隙光导开关进行实验,比较了PSpice电路仿真与实验结果。实验测试显示,10 mm开关充电23.5 kV时上升沿较大,可能的原因是偏置电场较低时开关导通时间较长。测试了不同工作电压下功率源的输出电压,结果显示:在10 mm间隙开关条件下,充电23.5 kV时,负载上得到了53 kV的高压脉冲输出;3 mm开关充电13.9 kV时输出电压39.4 kV,输出效率70%。实验结果表明, 随着工作场强的提高,电压输出效率呈现先下降后上升最终趋于饱和的趋势。     

高可靠性脉冲氙灯电源设计

对540 mm18 mm、极间距250 mm、充气压力26 kPa的脉冲氙灯进行分析计算,研制了一台具有手动和外触发功能、氙灯充电电压2.5～4.5 kV、输出脉冲电流幅度3～6 kA、脉冲宽度约230 s的脉冲氙灯电源,给出了单次触发情况下的实验结果。设计基于晶闸管移相调压方式,经由隔离模块、PLC控制构成的闭环反馈回路,控制调压模块对储能电容器线性充电;通过IGBT半导体开关器件产生脉冲信号,经脉冲变压器升压后触发氙灯,使氙灯导通发光。采用简单、可靠的绕丝触发方式和控制信号隔离、电容器一端接地等方法,有效抑制了地电位抬高,提高了氙灯电源的可靠性和抗干扰能力。通过百次的实验,脉冲氙灯电源能100%点亮负载氙灯,满足实际使用要求。     

Fast high-voltage pulse generation using nonlinear capacitors

Many pulsed power applications require short high-voltage pulses with a high-repetition rate. Conventional high-voltage discharge pulse-switches such as thyratrons, spark gap switches, and vacuum tube switches have a short lifetime, whereas the semiconductor switches have a long lifetime and high reliability. The semiconductor switches, however cannot be directly applied to fast high-voltage pulsed power generation due to their limited operating voltage ratings despite their relatively long switching times. Therefore, they are used with voltage amplification and a pulse compression stage. This paper describes two pulse generators that use the semi-conductor switches and nonlinear capacitors: one is based on an opening switch (IGBT) and inductive energy storage, the other is a combination of a closing switch (RSD) and capacitive energy storage     

150 kV全固态高压脉冲发生器设计

设计了一种基于全固态MOSFET半导体开关器件的Marx脉冲发生器。充电回路用快恢复二极管代替充电电阻,减小了充电部分功率损耗;将主电路和驱动电路集成在一起,采用自取电模式给驱动电路供电;由光纤传输驱动信号,抑制了放电回路对触发信号的干扰;采用顺/逆时针方向环形分布的紧凑型拓扑结构,不仅减小了回路电感,而且实现了脉冲发生器的小型化与模块化。所设计的Marx发生器充电部分仅需提供900 V低压,用180级单元串联,获得最高幅值为150 kV、脉宽1~5 s可调的高压快脉冲,前沿控制在500 ns以内。利用该脉冲发生器在50 k电阻和5 pF电容并联的等效负载上进行了一系列实验;比较分析了脉冲发生器工作过程中影响脉冲上升沿的几个主要因素,包括回路电感、MOSFET驱动电压及主回路分布电容等,并讨论了提升脉冲前沿的技术措施。     

Comparison of characteristics of an x-ray preionized XeCl laser, pumped by water transmission line and low inductance capacitor bank

With a high uniformity of x-ray preionization, a long pulse duration and a high specific energy (9 J l^-1), an XeCl excimer laser output has been obtained by using a compact low inductance capacitor bank as the laser excitation circuit. The superior features of the low inductance capacitor bank (LICB) compared to the water transmission line (WTL) are attractive for repetitively pulsed XeCl excimer lasers.     

Research on electrical pulse of 20-kV/30-Hz GaAs photoconductive switches

Photoconductive semiconductor switches (PCSSs) are widely used in high power ultra-wideband source applications and precise synchronization control due to their high power low-jitter high-repetition-frequency. In this letter, a 14-mm gap semi-insulating GaAs PCSS biased under 20 kV is triggered by a 1064-nm laser with a repetition frequency of 30 Hz. Although the trigger condition is greater than the threshold of the lock-on effect, the high gain mode is not observed. The results indicate that the high gain mode of the PCSS is quenched by decreasing the remnant voltage of pulsed energy storage capacitor.     

正负双极性直流高压充电电源设计北大核心CSCD

高压脉冲电容器是脉冲功率系统中应用较广的储能器件。根据大容量能库型脉冲装置对充电电源的技术要求,研制了一种输出电压±0.5~±10 kV可调、最大平均功率约3 kW、双极性一体化直流高压充电电源。设计上采用控制电路与正负双极性直流高压输出主电路一体化方式,通过隔离、屏蔽和保护措施,解决了目前双极性直流高压充电电源存在的正负极性电压不平衡、采样控制信号与高压地未隔离问题,减小了电源体积,提高了电源的鲁棒性、可靠性和电磁干扰能力。100多台充电电源在18.3 MJ脉冲装置中同时运行,在复杂电磁干扰环境下可靠稳定工作。     

基于薄膜介质线的紧凑型脉冲功率源设计与实验研究

介绍了一种基于薄膜介质线的紧凑型脉冲功率源的设计与实验,脉冲功率源系统体积约0.5 m3,输出功率大于4 GW、脉宽约150 ns。该脉冲功率源采用模块化设计,系统主要包括充电组件、薄膜介质线模块和气体火花间隙开关组三个部分。薄膜介质线储能介质为聚酰亚胺薄膜,为抑制电磁耦合以及电晕现象,匝间距选为30 mm。优化设计的三电极场畸变开关直径150 mm、高45 mm、电感值16.2 nH。为降低系统电感,薄膜介质线模块与开关间采用传输线的布线方式,中间绝缘采用聚酰亚胺膜,在2 mm间距下实现了100 kV耐压。