一种脉冲高电压测量探头的地电位隔离方法

为了消除脉冲功率装置放电时地电位抬升对测试系统造成的影响,在测量探头和测量设备之间使用了共模电感。对等效电路进行了仿真分析,结果表明：对于探头输出的信号,该共模电感等效为传输线;对于共模信号等效为一个较大的电感,可以实现探头地电位隔离。共模电感使用绕制在磁芯上的同轴电缆制作,并进行了快脉冲信号传输和地电位隔离效果实验。实验结果与理论分析一致。该共模电感的响应时间为5.4 ns,隔离了约10 kV的脉冲高压,确保了示波器的安全运行。     

亚纳秒脉冲高电压测量探头

为测量紧凑型快前沿高电压脉冲源的输出电压,设计了D-dot电压探头。分别进行了刻度因素标定和频响标定,采用前沿约50 ns的高压脉冲信号对探头进行在线标定确定探头的刻度因素。将探头安装在阻抗为50 的传输线上,用亚纳秒脉冲源进行频响标定,表明该探头的响应约为150 ps。高压实验结果表明该探头能够正确获取高电压快脉冲信号,工作稳定可靠。     

亚纳秒脉冲高电压测量探头

为测量紧凑型快前沿高电压脉冲源的输出电压,设计了D-dot电压探头。分别进行了刻度因素标定和频响标定,采用前沿约50 ns的高压脉冲信号对探头进行在线标定确定探头的刻度因素。将探头安装在阻抗为50 的传输线上,用亚纳秒脉冲源进行频响标定,表明该探头的响应约为150 ps。高压实验结果表明该探头能够正确获取高电压快脉冲信号,工作稳定可靠。

     

脉冲高电压测量不确定度评定

为开展脉冲高电压测量不确定度评定,分析了应用黑箱概念建立测量不确定度模型的方法,给出了脉冲分压器测量与标定的不确定度模型。依照不确定度传播率,对完善后的模型进行不确定度合成,并与通常采用的按照方差进行相对不确定分量合成的结果进行比较。计算结果表明:当不确定度模型中仅仅存在不同变量的乘除形式,或虽然存在加减项,但是其数学期望值为0,相对不确定度合成可以得到正确的结果。对通过测量2个电压间接计算电位差的方法以及用分贝表示衰减的不确定度合成开展分析,验证了相对不确定度合成的适用范围。在分压器标定实验中,为了减小信号源输出值的分散性对评定结果的影响,对电压比值开展A类不确定度评定,合成后得到分压比不确定度。     

脉冲高电压测量不确定度评定

为开展脉冲高电压测量不确定度评定,分析了应用黑箱概念建立测量不确定度模型的方法,给出了脉冲分压器测量与标定的不确定度模型。依照不确定度传播率,对完善后的模型进行不确定度合成,并与通常采用的按照方差进行相对不确定分量合成的结果进行比较。计算结果表明：当不确定度模型中仅仅存在不同变量的乘除形式,或虽然存在加减项,但是其数学期望值为0,相对不确定度合成可以得到正确的结果。对通过测量2个电压间接计算电位差的方法以及用分贝表示衰减的不确定度合成开展分析,验证了相对不确定度合成的适用范围。在分压器标定实验中,为了减小信号源输出值的分散性对评定结果的影响,对电压比值开展A类不确定度评定,合成后得到分压比不确定度。     

脉冲高电压幅值测量的不确定度分析

在脉冲高电压幅值测量的不确定度评定中,从测量和标定溯源的角度出发将不确定度来源分为示波器测量不确定度和探头不确定度。以初级实验平台单路样机三板线入口电压的测量为例,按照探头不确定度的来源分别分析了三板线电压测量随机效应产生的不确定度,D-dot探头和电阻分压器标定时的系统效应和随机效应产生的不确定度,示波器和衰减器的校准不确定度,示波器的分辨力不确定度。同时进行了测试和标定系统的频率响应分析,以证明被测信号在测试系统的频率响应范围之内。以相关实验数据为基础计算了各个不确定度分量、合成标准不确定度以及扩展不确定度。按工程测量要求取包含因子为2,可得三板线入口电压测量值为1.89 MV,扩展不确定度为3.9％。     

一种高功率三平板传输线电压测量探头的设计

 为测量高功率水介质三平板传输线的电压,设计、标定了一种D-dot探头,安装在三平板线的入口和出口处,探头感应脉冲电压的微分信号。探头与基座之间的绝缘层为浇注的环氧树脂,可以在满足密封去离子水的要求下,使探头对地电容较小,从而获得良好的高频响应。利用ANSYS对探头结构进行了优化设计,使三相点位置的电场强度得到有效降低。使用经线下标定过的电阻分压器进行标定。实验中采用电容器放电,用一段高压电缆作为脉冲形成线获得逐级上升的快前沿（约70 ns）电压脉冲,并将之作为标定信号源,标定得到三平板线入口、出口探头的灵敏度分别为386 kV/V和402 kV/V。探头测量结果与电路模拟结果一致。在三平板线耐压实验中,板线出口电压达到了3.1 MV,探头的绝缘结构设计能够满足要求。实验结果表明该探头适合高功率三平板传输线电压的测量。     

一种在真空中测量脉冲高电压的电阻分压器

为测量快脉冲直线变压器驱动源（LTD）二极管负载的脉冲高电压,设计了在真空环境中使用的电阻分压器。分压器使用绝缘堆结构,采用静电场模拟分析了分压器的电场分布。建立了包含分布参数的等效电路,并进行了频率响应仿真,可得分压器的频响上限为200 MHz。使用标准高压探头对分压器进行在线标定,分压比标定结果为5 400∶1,与设计值相符合。在LTD调试实验中,模块充电85 kV时二极管电压为1.08 MV,与理论估算结果一致。     

一种在真空中测量脉冲高电压的电阻分压器

为测量快脉冲直线变压器驱动源（LTD）二极管负载的脉冲高电压,设计了在真空环境中使用的电阻分压器。分压器使用绝缘堆结构,采用静电场模拟分析了分压器的电场分布。建立了包含分布参数的等效电路,并进行了频率响应仿真,可得分压器的频响上限为200 MHz。使用标准高压探头对分压器进行在线标定,分压比标定结果为5 400∶1,与设计值相符合。在LTD调试实验中,模块充电85 kV时二极管电压为1.08 MV,与理论估算结果一致。     

一种可调的高压脉冲发生器

介绍了一种可调的高压脉冲发生器,该发生器主要由储能电容器组、氢闸流管、电压调节器、保护电路、高压变压器等部件组成。储能电容器组的电容量、充电电压和与高压变压器的连接端口可灵活地进行调节,从而使高压脉冲发生器可产生正极性或负极性,脉冲底宽为1.4～4.3μs,脉冲幅度为10～200kV的高压脉冲,脉冲的上升沿在0.4～0.6μs之间。该高压脉冲发生器有较强的带负载能力,外接负载只要大于1.2kΩ就能保证性能的稳定。     

多脉冲叠加高压系统及测量技术

介绍了多脉冲叠加高压系统的核心部件：一个双次级绕组高压脉冲变压器,它能形成多路脉冲并叠加合成为梯形脉冲波,从而改善了波形的上升下降沿。该系统输出电压由3个衰减正弦波叠加而成,脉冲幅度大于100kV,脉冲宽度2～5μs。同时,在双次级绕组高压脉冲变压器上设计一个小型结构型电容分压装置,解决了变压器与其它装置对接装配后高压的监测和测量。     

磁绝缘传输线电压的初步测量

针对快脉冲直线变压器驱动源装置上的真空磁绝缘传输线（MITL)电压测量的需求,开展了微分型电容分压器和电感分压器的设计、标定和实验。通过不同的电压值、负载阻抗的装置实验中探头输出结果的分析和比较,讨论了测量方法的可行性和适用范围。实验结果表明：微分型电容分压器能够应用于完全磁绝缘状态下的MITL电压测量,但容易受阴极电子发射的影响导致探头输出波形发生畸变。电感分压器受分布电容和电感的影响导致输出信号存在寄生振荡,采用波形重建的方法初步获得了合理的测量结果。     

一种可调的高压脉冲发生器

 介绍了一种可调的高压脉冲发生器，该发生器主要由储能电容器组、氢闸流管、电压调节器、保护电路、高压变压器等部件组成。储能电容器组的电容量、充电电压和与高压变压器的连接端口可灵活地进行调节，从而使高压脉冲发生器可产生正极性或负极性，脉冲底宽为1.4～4.3μs，脉冲幅度为10～200kV的高压脉冲，脉冲的上升沿在0.4～0.6μs之间。该高压脉冲发生器有较强的带负载能力，外接负载只要大于1.2kΩ就能保证性能的稳定。     

基于MOSFET的高重复频率高压脉冲源设计

设计了一种基于功率金属氧化物半导体场效应晶体管(MOSFET)的高压脉冲电源。该发生器采用多只MOSFET的串联技术,形成高压、高重复频率开关组件。用高压开关组件开展脉冲发生器设计,搭建了一个15只1 kV的高速MOSFET串联的脉冲发生器实验装置,在500 Ω负载上获得前沿小于5 ns、幅度大于10 kV、脉宽约100 ns,瞬态频率达400 kHz的高压脉冲。设计的高压开关组件结构紧凑,可靠性高,可应用于多种脉冲发生器。