20 kV/20 kHz/100 A高压脉冲源设计

设计了一种基于功率金属氧化物半导体场效应晶体管(MOSFET)为开关的高压脉冲电源。采用自匹配传输线结构线路形式,串联多个以光纤信号隔离触发的MOSFET作为高耐压开关,在传输线的外皮产生2个纳秒脉冲,再用传输线变压器对2个纳秒脉冲进行功率合成,在200 Ω负载上输出了幅度20 kV,重复频率20 kHz,脉冲宽度约40 ns的脉冲。分析脉冲源装置结构,对实验装置建立仿真模型,阐述了输出波形畸变的原因,给出了影响输出脉冲波形特性的因素,为下一步优化波形工作提供了理论参考。     

一种用于电光开关的高速、高压电脉冲的产生

介绍了一种用于电光开关驱动源的高压超快电脉冲产生技术；电路采用级联的雪崩晶体管串和微波传输线结构，输出阻抗50Ω；在50Ω负载情况下，获得脉冲下降时间为1ns、幅度达到5kV、峰值电压为6.4 kV、幅度和半宽度稳定性优于2％、触发晃动为±15ps、触发延时为30 ns，脉冲峰值电流为128 A的高压高速大电流脉冲.     

级间耦合传输线脉冲变压器

级间有耦合传输线的脉冲变压器除第一级传输线外所有传输线均绕制在同一磁芯上。利用电路等效法对该变压器进行了理论分析,结果表明:相比采用其他绕线结构的传输线变压器,该传输线变压器的顶降更低,而且仅需要一块磁芯。根据该设计方法,研制了一台四级传输线脉冲变压器,变压器的输入阻抗为4.2Ω,输出阻抗为67.7Ω。利用该变压器对脉冲形成网络(PFN)形成的脉冲进行电压变换,变压器匹配负载上输出电压脉冲脉宽为120 ns,前沿为20 ns。该脉冲幅值是PFN对4.2Ω负载直接放电形成脉冲幅值的4倍,且两者波形基本一致。     

利用脉冲循环产生高压多脉冲

依据电压脉冲在传输线中的传播特性,分析了将形成线和传输线构成封闭回路,使电脉冲在其中反复循环,从而在高阻负载上得到高压多脉冲输出的可能性,并进行了电路模拟研究。利用Blumlein脉冲形成线系统和400 kV高压电缆组成封闭回路,进行了高压实验研究,在高阻约1 kΩ负载上得到了大于200kV的多个脉冲输出,脉冲宽度120 ns、间隔不超过400 ns。研究表明,利用脉冲循环方法可以在较高阻抗的负载上产生MHz重复频率的高压多脉冲串,其脉冲质量与形成线开关状态密切相关。     

100kA快脉冲直线变压器驱动源模块

介绍了100 kA快脉冲直线变压器驱动源原型模块及其采用的200 kV多级多通道气体开关的设计和初步实验结果。该模块由20台100 kV/20 nF电容器按10个支路并联组成,其中每个支路包括2台电容器、1只多级多通道开关以及相应的传输线。模块直径约1.5 m,厚度仅为20 cm。采用B-dot探针诊断负载电流。当充电电压为±90 kV时,在1.1Ω负载上可得到102.2 kA的峰值电流,上升时间为53.6 ns,脉冲宽度为133 ns。实验结果表明,该快脉冲直线变压器驱动源模块具有较好的快脉冲输出能力。     

Z箍缩直线变压器驱动源原型模块设计

介绍了用于Z箍缩驱动器的快脉冲直线型变压器驱动源(LTD)原型模块设计和初步实验结果。该模块采用32个子块并联,每个子块由两台100kV/100nF脉冲电容器和一只200kV多间隙气体开关串联组成。32只开关由4路高压脉冲分别触发。模块直径为2.9m,厚度约27cm。电路模拟结果表明,在±90kV充电电压下,输出电流幅值为1.0MA,电流上升时间(10%~90%)约118.6ns。初步实验结果表明,在约90mΩ近似匹配电阻负载上获得的电流为995kA,上升时间(10%~90%)为120.8ns,脉冲宽度约335.2ns。实验结果与电路模拟结果较为接近。     

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。     

全固态快沿脉冲源功率合成的设计与分析

全固态快沿脉冲源具有小型化、高稳定性、高重复频率、输出功率低等特点,为了克服单个脉冲源输出功率低的问题,利用ADS仿真软件建立了多节蛇形微带线结构的功率合成器,并用实验验证了功率合成的效果。利用两路高稳定度的脉冲子源作为功率合成的两路输入,通过该功率合成器使两路快沿双指数信号合成为一路快沿双指数信号,实现了功率的提高。实验中脉冲子源的幅度为1.1kV,前沿约为2ns,脉冲宽度为10ns;两路信号合成后,输出电压为1.6kV,前沿约为2ns,脉冲宽度为18ns。实验验证了该功率合成模块的可行性,该合成模块还可推广至多路的脉冲子源的功率合成,实现提高快沿双指数脉冲功率的目的。     

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。     

650kV/2ns高压脉冲发生器研制

研制了一套峰值650kV、脉宽2ns的窄脉冲发生器,具有结构紧凑、体积小巧、便于移动和产生优质的纳秒高压脉冲等优点。该发生器基于三谐振脉冲变压器原理和脉冲形成压缩实现窄脉冲输出,采用紧凑双锥形绕组铁芯变压器、LC调谐回路和27pF,30Ω脉冲形成线组成三谐振回路,油介质自击穿开关导通后在负载上获得高压脉冲。实验结果表明,该窄脉冲发生器可在80Ω电阻负载上输出脉冲峰值约650kV,脉宽约2ns,与理论分析的结果相吻合。     

四级传输线脉冲变压器研制

介绍了一种传输线脉冲变压器(TLT)的最优化设计理论,在此基础上,研制了一台四级传输线脉冲变压器。所研制的TLT所使用的磁芯基本符合级间无耦合结构TLT最优化设计的要求。采用了柔韧性好的同轴电缆,绕制完成后各级次级线电感值大小分别为1.83,3.52和5.41 mH,符合预定目标。利用Blum-lein作为脉冲源,对所研制的TLT进行了测试,测试结果表明:输入脉冲宽度150 ns,幅值10 kV,上升前沿20ns,输出脉冲宽度150 ns,幅值约40 kV,上升前沿约20 ns,基本波形保持较好,但下降沿和尾部波形不理想,初步分析可能的原因是TLT输出端杂散电容电感引起的阻抗不匹配。此变压器可用于低阻抗陶瓷脉冲形成线输出端的阻抗变换。     

1～30 MHz传输线变压器的实频设计

 介绍了Guanella型传输线变压器的工作原理,利用电报方程分析了其阻抗变换特性和平衡到不平衡转换特性。为在巴伦低阻端获得最佳的输入阻抗,根据测量得到的实频负载阻抗来确定传输线的特性阻抗,设计了在1～30 MHz频带内可用于450 Ω到50 Ω,600.0 Ω到66.7 Ω变换的9∶1传输线变压器巴伦。受绕组间距的限制,600.0到66.7 Ω巴伦实际的传输线特性阻抗难以达到仿真所要求的值,但巴伦输入阻抗的仿真结果与实测结果仍有较好的一致性。实际测量的结果表明,这两款变压器的工作带宽（驻波比小于1.6）大于30∶1,在1～30 MHz的频带内插入损耗小于0.3 dB。     

基于SOS和LTD技术的高重复频率脉冲发生器

提出了磁饱和直线变压器驱动源(LTD)泵浦半导体断路开关(SOS)产生高重复频率短脉冲的技术路线。利用LTD初次级线圈为单匝同轴结构和磁芯可饱和的特点,实现快速反向泵浦SOS,通过多级LTD模块叠加获得高电压输出。采用射频金属氧化物场效应晶体管(RF MOSFET)作为LTD初级电路的主开关,将SOS正向泵浦电流脉冲时间降至数十ns,泵浦电流脉冲重复频率最高可达MHz。最终研制出一台基于SOS的10级磁饱和LTD型脉冲发生器,输出电压约11kV,电流220A,脉冲宽度约2ns,重复频率为20kHz。实验验证了磁饱和直线脉冲变压器泵浦SOS产生高重复频率短脉冲的技术路线可行。     

双极性固态直线变压器驱动器的研制

在针对脉冲电磁场肿瘤消融的应用场合,双极性脉冲比单极性脉冲效果更均匀,而要产生ns级前沿的双极性高压纳秒或亚微秒脉冲难度大,电磁干扰强,控制要求更高。设计了一台双极性全固态直线型变压器驱动源(SSLTD),双极性SSLTD由结构完全相同的LTD模块经过副边绕组反向串联构成,在负载上实现双极性窄脉冲。双极性SSLTD输出波形稳定的脉冲的关键在于磁芯复位,通过电阻负载实验,重点对比分析了复位电流的形式对复位效果的影响,以及采用直流复位时幅值、脉宽、正负脉冲时间间隔、单级模块中开关管并联数量、复位电流大小对双极性SSLTD输出的影响。实验结果表明,所设计的双极性SSLTD能够在500 Ω负载上稳定产生重频双极性纳秒脉冲,输出电压0～±5 kV可调,脉宽200～400 ns可调,正负脉冲时间间隔0～1 ms可调,上升沿和下降沿20～50 ns;反向串联的直流复位电路结构简单、复位效果好。该脉冲源使用模块化设计,结构紧凑,电气绝缘要求较低,可灵活输出双极性、正极性与负极性高压亚微秒脉冲。     

快脉冲直线型变压器驱动源同步触发系统

提出了一种基于单传输线脉冲成形技术的模块化快脉冲直线型变压器驱动源的同步触发系统的概念设计,主要由级数较少的Marx发生器、脉冲形成线、主开关、脉冲传输线及触发引出电缆等组成。利用等效电路模型,研究了Marx发生器与脉冲形成线的配合关系,当发生器同时驱动多路形成线时,可以有效增加触发脉冲的数量,并能提高能量利用效率,但触发脉冲的幅值会降低。研究了水介质线阻抗与引出电缆数量对触发脉冲的影响,结果表明:随着电缆序号的增加,触发脉冲的幅值逐渐降低,并且水介质线的阻抗越高,幅值降低的速度越快。触发脉冲也可同时引出,驱动单路形成线输出60路时,触发脉冲的峰值约为293 kV,前沿约11 ns;当驱动5路形成线输出300路时,触发脉冲的峰值约为151 kV,前沿约11 ns。     

大气中介质阻挡放电发光的时间特性

采用光学方法测量了大气中介质阻挡放电丝极模式的时间特性，揭示了介质阻挡放电动力学过程的时间规律。实验表明，在驱动电压的产周内的放电团簇是由多个放电脉冲构成的，放电脉冲的持续时间为30-50ns，相邻放电脉冲之间的间歇时间为几百ns。本工作的结果对介质阻挡放电的应用有重要意义。     

Nanosecond pulsed power generator for a voltage amplitude up to 300 kV and a repetition rate up to 16 Hz for fine disintegration of quartz

A generator of high-power high-voltage nanosecond pulses is intended for electrical discharge disintegration of mineral quartz and other nonconducting minerals. It includes a 320 kV Marx pulsed voltage generator, a high-voltage glycerin-insulated coaxial peaking capacitor, and an output gas spark switch followed by a load, an electric discharge disintegration chamber. The main parameters of the generator are as follows: a voltage pulse amplitude of up to 300 kV, an output impedance of ≈10 Ω, a discharge current amplitude of up to 25 kA for a half-period of 80–90 ns, and a pulse repetition rate of up to 16 Hz.     

1MA直线型变压器驱动源模块设计

介绍了输出电流幅值为1 MA,电流上升时间为100 ns的快脉冲直线型变压器驱动源(LTD)模块的设计。模块由48个子块并联组成,每个子块由2个电容器和一个多级气体开关串联组成。48个开关由8路高压脉冲触发,每路高压脉冲(100 kV/50 ns)触发6个开关。电路模拟显示,在充电90 kV条件下,输出电流幅值为1.04 MA,电流上升时间为84.5 ns(0~100%)和52 ns(10%~90%)。电路模拟时的参数设置以实验数据为基础,开关的工作条件与已研制成功的100 kA-LTD模块中的开关工作条件近似,模块设计工作于腔体注油状态以保证高压运行安全,能够保证模块达到设计要求。