应用于脉冲功率系统的高储能密度电容器

介绍了现有技术条件下脉冲电容器的各种性能参数及其测试方法,包括储能密度、寿命、保压性能、绝缘电阻等;同时介绍了元件的主要分析测试手段,如大电测试、保压测试等,并研究了后处理工艺、介质系统优化和绝缘系统优化对电容器性能的影响。在此基础上,面向不同应用条件如大电流放电、长寿命、真空环境等,对高储能密度脉冲电容器进行研究,并给出相应的性能参数、限制条件和发展前景。研究结果表明:50 kV/20 F的电容器,可实现120 kA/80 s的大电流输出,并通过-50~60 ℃的高低温考核;基于绝缘系统优化的浸渍型脉冲电容器,充放电寿命为干式结构的2~3倍,储能密度为2.0 kJ/L时,寿命大于1 000次,储能密度为1.3 kJ/L时,寿命大于10 000次;1.4 kJ/L高储能密度电容器,可以工作在气压小于10-3 Pa的真空条件下,输出电流达100 kA。     

高库仑量大电流两电极气体火花开关研究

设计了一个两电极气体火花开关，开关的主体部分仅包括阴极、阳极两个主电极，以及金属外壳和绝缘支撑外壳，两电极结构取消了触发极，消除了由于触发极烧蚀影响开关寿命的问题。开关设计工作电压23 kV，单脉冲能量1.2 MJ，峰值电流300 kA，单次脉冲电荷转移量110 C。初步试验阶段开关工作电压达到15 kV，开关的通流180 kA，电荷转移量为47.85 C。开关触发性能可靠，电极烧蚀均匀。     

高库仑量大电流两电极气体火花开关研究

 设计了一个两电极气体火花开关，开关的主体部分仅包括阴极、阳极两个主电极，以及金属外壳和绝缘支撑外壳，两电极结构取消了触发极，消除了由于触发极烧蚀影响开关寿命的问题。开关设计工作电压23 kV，单脉冲能量1.2 MJ，峰值电流300 kA，单次脉冲电荷转移量110 C。初步试验阶段开关工作电压达到15 kV，开关的通流180 kA，电荷转移量为47.85 C。开关触发性能可靠，电极烧蚀均匀。     

一种电流型超导储能脉冲变压器的放电模式

本文针对高温超导电感储能脉冲变压器(HTSPPT)提出了一种振荡放电模式.该模式中HTSPPT的原边绕组电感与电容器组成振荡回路,放电时原边电流通过该振荡回路使电流变化量增加,使得副边绕组感应出更大的电流脉冲.在放电过程中,电容器作为能量转换器件可实现开关的零电压关断,避免了断路开关出现过电压的问题.本文对振荡放电模式的工作原理进行了理论分析,利用一个小型HTSPPT搭建了小型实验系统,成功实现了从电流100A到3.78kA的放大,证明了的该放电模式的可行性.     

高功率高储能脉冲电源中重频电感的设计与分析

针对高功率脉冲电源集成系统连续放电的需求,研制了一种用于该系统的重频水冷电感。水冷电感在系统中既调节电源的电流波形,又能起到隔离作用。该重频水冷电感耐压高、通流大、充电间隔周期6 s,可连续工作10 次放电。针对连续放电的需求,通过去离子循环水对重频电感进行降温。现以单模块能量334 kJ、电感量30 μH、通流 100 kA为例进行设计分析,建立重频水冷电感温度场仿真模型,通过ANSYS仿真软件对该电感内部温度瞬态特性进行分析。结果表明:水冷电感通过去离子水冷却效果好,电感每次工作后温度最高达到47 ℃,在下一个工作点到来之前电感温度又恢复到41 ℃;同时该电感在没有加循环水的情况下通过了112 kA的电动力考核。试验结果与理论分析吻合较好,重频水冷电感运行稳定,从而验证了理论分析和设计的正确性。     

爆炸驱动铁电体电源快脉冲产生技术

以发展轻小型高电压脉冲驱动源为出发点,提出采用爆炸驱动铁电体作为初级电源,通过电感储能与电爆炸丝断路开关进行脉冲压缩和功率放大,探索基于爆炸驱动铁电体电源的小型化高电压快脉冲产生技术。从爆炸驱动铁电体电源的全电路模型和铁电陶瓷材料特性出发,通过理论分析和仿真研究,分别对大电流模式和高电压模式的爆炸驱动铁电体电源的物理参数进行了设计,获得了铁电体电源工作模式和电路参数对产生高电压脉冲的影响规律,认为铁电体电源高电压模式更适合于与断路开关技术结合产生高电压快脉冲,并通过实验对该技术原理进行了验证。实验中铁电体电源输出电流约360 A、脉宽约3.8 μs,对17.5 nF电容器充电至75 kV,电容器放电后在电爆炸断路开关中产生峰值大于12 kA的脉冲电流,最终在X射线二极管负载上获得了电压峰值大于180 kV、前沿3 ns、脉宽30 ns、电流峰值3.4 kA的高电压快脉冲。     

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。     

脉冲功率电缆的受力分析与结构优化北大核心CSCD

强电磁力是造成脉冲功率电缆损坏的主因,其限制了脉冲功率电缆的通流能力。对同轴电缆导体层的受力情况进行了仿真,探讨了电缆导体结构对脉冲功率电缆通流能力的影响。列举了使用过的一种同轴电缆,分析了该种电缆外导体层的受力情况和结构变化趋势,并讨论了试验结果。进一步对另一种结构的同轴电缆进行了分析和试验,认为其具有更好的抗电磁力能力,试验结果表明,其峰值电流达到208kA,通流能力达到6.9kA/mm^2,验证了这种电缆结构的优越性。     

300 kA直线型变压器驱动源模块实验研究

介绍了14支路并联的300 kA百ns直线型变压器驱动源单级模块的结构和关键部件。模块通过采用双端引出电极电容器以及小型多间隙串联气体火花开关,可以并联更多的支路数,减小回路电感,提高储能密度;通过采用非晶磁芯,减小磁芯损耗,提高模块耦合效率。实验研究了初级气体开关工作系数对模块输出的影响,实验结果表明:模块开关电压工作系数达到0.7,多间隙串联开关才能较好同步放电;给出了快直线型变压器模块的初步调试实验结果,在模块充电90 kV,开关气压0.32 MPa情况下,匹配负载电流峰值可达到302 kA,上升时间约100 ns,负载上获得的峰值功率为23 GW。     

快前沿直线脉冲变压器驱动源模块中开关同步对放电电流的影响

介绍了4支路并联快前沿直线脉冲变压器驱动源(FLTD)模块的初步实验结果,在工作电压160 kV时,次级短路放电电流幅值达到103.4 kA,电流前沿为78 ns(10%~90%)。利用微分环测量了4只开关在工作电压120 kV时的同步情况,研究分析了开关同步对放电电流幅值和波形的影响。开关同步小于15ns时,放电电流幅值变化不明显,电流幅值的标准偏差约3.62 kA,电流波形没有明显畸变;开关同步15~25ns时,放电电流幅值略有下降,电流幅值的标准偏差约8.59 kA,电流波形有一定程度畸变;开关同步大于25ns时,放电电流幅值明显降低,电流的标准偏差显著增大,电流波形发生严重畸变。     

300 kV/3 ns脉冲电压源的研制

 研制了一台300 kV/3 ns快前沿脉冲电压源。为了得到快的前沿，设计了低电感的峰化电容和输出开关。其中峰化电容采用3个薄膜电容同轴串联设计，结构紧凑，分布电感小，电极端部的气隙结构使其能承受更高的脉冲高压，实验证明这种结构的峰化电容能承受前沿17 ns、峰值大于300 kV的脉冲高压。输出开关采用高气压小间隙SF₆开关，最高工作气压1 MPa，具有较小的分布电感和火花通道电感。经实验调试，由该峰化电容和输出开关组成的峰化回路在500 kV Marx发生器的驱动下，在150 Ω负载上可得到峰值电压大于300 kV、前沿小于3 ns的脉冲电压输出。     

Critical Parameters of the Pumping Scheme of Ar+8 Lasers Excited by Z Pinches in Long Capilaries

The present study is focused on the demonstration of the most critical parameters of the pumping scheme of a table‐top Ar⁺⁸‐laser excited by discharges with relatively low current and voltage (I ≤ 20 kA, U ≤ 200 kV) in long (L ～ 0.5 m) capillaries. The most critical parameters of the pumping scheme were analyzed and then adjusted experimentally. The table‐top size is attributed to the use of a low‐inductance co‐axial discharge configuration that decreases the voltage and current necessary for laser excitation. Low inductance is achieved by using a capillary, water‐capacitor and water spark‐gap placed into a chamber filled with deionized water. The capillary z‐pinch is produced by the water capacitor, which is pulse‐charged by a six‐stage Marx generator, optimized for the low‐inductance discharge configuration. Optimization is performed by adjusting the value of the charging inductance and the peak charging voltage with a water spark‐gap. At the optimal conditions laser pulses with a Gaussian‐like intensity distribution and divergence angle ～ 1 mrad and energy ～ 10 μJ are generated. The physical method for generation of a laser beam with such parameters is based on the use of a long (L = 0.45 m) capillary plasma (© 2012 WILEY‐VCH Verlag GmbH & Co. KGaA, Weinheim)     

电磁脉冲模拟装置用3 MV中储电容器的研制

介绍了一台大型垂直极化有界波模拟装置所用中间储能电容器（简称中储电容器）的设计过程和实验结果。电容器采用基于元件和组件的模块化设计,呈锥台状结构,支撑壳体为真空工艺玻璃钢材料。电容器容值由模拟装置等效的二级脉冲压缩回路决定,取值为1.8 nF。电容器内部绝缘介质为十二烷基苯,外部绝缘介质为45#变压器油,设计耐压3 MV,其绝缘长度主要由元件的体绝缘特性决定。采用三维电磁仿真软件估算中储电容器与中储开关构成回路的电感为659 nH,接近于实测数据623 nH。电容器上脉冲电压的测量通过对电容器电流进行积分来获取,而电流的采集采用封装在SF₆气体中的3个膜电阻并联后所构成测量模块实现。实际运行数据表明,中储电容器容值达到设计值,测量探头标定系数稳定,在工作电压3.1 MV条件下未发生绝缘问题。     

一种同轴低电感低抖动多级多通道气体开关

 研制了一种触发电极位于放电通道之外、间隙电极为环状不锈钢弹簧的同轴多级多通道气体开关。该开关通过分布电容耦合实现触发，利用多间隙串联减小抖动，利用弹簧不同匝之间电感隔离形成多通道放电。实验表明：该开关触发可靠、电感低（～20nH）、抖动小（～3ns）、触发特性稳定。     

基于漂移阶跃恢复二极管开关的脉冲源仿真计算

介绍了新型半导体开关漂移阶跃恢复二极管(DSRD)的工作原理和特性,总结了基于半导体开关器件的脉冲源的发展现状及应用。基于DSRD的等效模型,建立了其正反向泵浦电路的仿真模型,按照输出电压参数的要求,对主储能电感、初级储能电感的取值进行了仿真计算分析,并得到了主回路各元件参数的最优值。通过仿真分析了MOSFET漏源端寄生电容与限压并联电容对输出参数的影响,得到了限压并联电容最优值为0.2 nF,通过计算与仿真得到隔直电容的最优值为100 pF。研制了一款可连续输出的脉冲功率源,其重复频率为1 MHz,脉冲前沿等于680 ps(20%~90%),电压幅值2 kV,半高宽1.5 ns。     

50kV/4A输出高压恒流电源

 介绍了适用于脉冲功率技术大容量电容器组快速高效充电的一种变频恒流高压电源,它采用三相半控晶闸管桥式整流,经由两只开关管、储能电感、续流二极管和霍尔电流传感器构成的恒流网络,再由桥式晶闸管电路逆变成1kHz后升压、整流。     

蓄电池供电的级联型爆磁压缩发生器实验研究

 一种由蓄电池作为初始能源的紧凑型螺线管爆磁压缩发生器由两级构成，其中第一级作为能量放大器，第二级通过磁通耦合对第一级输出的脉冲进行陡化以驱动较大的电感负载。初始能源由蓄电池、高压逆变器及储能电容器（220μF, 6 kV）构成。在爆磁压缩发生器运行以前，用5 min给储能电容器充上6 kV的电压。实验证明4 Ah的铅酸蓄电池可以通过高压逆变系统给220 μF的电容器充电超过五次以上，此时电池的电压仍然高于11 V。由此可见，以蓄电池加高压逆变器和储能电容器作为其初始能源，能够满足体积小、稳定提供较大的初始能量的能力。同时利用级联型爆磁压缩发生器，能够在较小的体积和重量的情况下驱动较大的电感负载(4μH)，实现输出电流120kA，电流的上升时间为15 μs的预期目标。     

双指数脉冲电流发生器的电路仿真计算

双指数脉冲电流发生器可用于电子系统端口传导耦合实验,主要用于研究电磁敏感器件的电磁脉冲效应的损伤规律。根据实验要求,该发生器能够输出前沿10 ns、脉宽100 ns、电流幅值3 kA的双指数脉冲电流。建立了该发生器的电路模型,并对杂散电容和电感对输出电流波形的影响进行了分析。模拟计算表明,电流信号的过冲现象和后沿叠加干扰信号的原因可能是电阻负载自身存在的杂散电容和测量电流的线圈附近的杂散电容和电感的共同作用导致的。经过理论计算,如果在测量线圈附近添加适当的滤波设备或者用无损同轴电缆引出电流,能够明显地抑制过冲和干扰。     

带触发网络的多重火花间隙触发器的研制

提出了一种基于Tesla变压器且带触发网络的多重火花间隙触发器设计方案。阐述了多重火花间隙在直流和脉冲信号下电压分布特性,并给出了其在脉冲电压作用下电压分布的主要影响因素。仿真分析了触发频率、分压电容和均压电阻对多重火花间隙电压分布的影响,确定了触发网络的最佳参数配置。以10级火花间隙为例,从触发器设计三要素,即脉冲陡度、输出幅值、带载能力出发,确定了Tesla型脉冲触发器的关键设计参数,当脉冲变压器的耦合系数为0.7,初级电感为2500 nH,次级电感为400 mH,初级电容为60F,初级电容充电电压为2.0 kV时,次级直接输出的触发高压可实现10级火花间隙的触发导通。结合多重火花间隙导通实验,对作用于多重火花间隙的触发器的工作过程进行实验验证。