200 kV全固态Marx结构方波脉冲电源设计

采用功率IGBT串联组合模块作为放电开关,设计了16级Marx结构的脉冲电源,能够产生可调高压方波脉冲。由9支耐压3 kV的IGBT串联组成最大工作电压12.5 kV的串联组合模块;通过磁隔离触发方式控制各级IGBT的同步导通和关断。输出电压从几kV至200 kV可调、输出脉宽随外部触发信号宽度在1.5~10 s范围内可调、前沿小于500 ns、后沿小于2.3 s;在输出电压大于100 kV、输出电流20 A时顶降小于2%。     

绝缘栅双极晶体管串联关键技术

为实现绝缘栅双极晶体管（IGBT）的多级串联,以电阻/电容/二极管（RCD）缓冲电路为动态均压电路,通过数学分析及PSpice仿真验证,建立了RCD缓冲电路参数选择模型;设计了基于数字信号处理器（DSP）控制、光纤隔离传输,以M57962L为IGBT驱动器的驱动电路及故障反馈电路,能驱动32只串联IGBT并对其进行过流和短路保护,32只IGBT的最大导通时间不超过90 ns,短路保护响应时间约为6 s;设计了8路独立输出的50 kV隔离的高压隔离电源,实现IGBT串联电路各部分的供电及电隔离。基于以上IGBT串联方法,实现了32只1200 V IGBT的串联,串联电路可稳定工作在20 kV电压下。     

基于IGBT开关的重复频率直线变压器

 采用3 300 V/1 200 A IGBT开关及直线变压器的电路结构,实现了单模块时在0.57 Ω负载上4.3 kA的脉冲电流输出和模块串联时在2.2 Ω负载上4.6 kV的电压输出,猝发式重复频率达到200Hz。整个系统包括4个3 300 V/1 200 A的IGBT开关器件及相应的驱动模块、缓冲模块、储能电容和磁芯等。实验结果表明：采用线性变压器的电路拓扑结构能够拓展固态IGBT开关的输出能力;直线变压器的电路结构结合固态IGBT开关能够很好地实现重复频率工作。在实验基础上分析了磁芯饱和及复位问题,并提出了一种有效的不采用复位而解决磁芯饱和的方法。     

多级串联LTD中开关自放电故障耦合特性实验

基于50级模块串联的LTD单路样机,开展了开关自放电故障耦合影响实验,获得了开路和短路负载下、不同位置LTD模块内单只开关自放电对其余LTD模块的电压耦合影响规律。结果表明,两种负载条件下,LTD模块内单只开关自放电时在其余模块内耦合的电压幅度均较低,且LTD距离越远电压幅度越低。在±83 kV的单只开关自放电电压下其相邻模块内耦合的最大电压幅度约2.43 kV（对应电压波动约3%）。     

Rimfire开关电路模型

建立了Rimfire开关的串联间隙电路模型,将开关所有的杂散电容都包含在内,结合火花通道的传导特性,以PSpice软件为计算平台,对一个700 kV Rimfire型开关进行了模拟。由于开关所有间隙都具有独立的时间变化参数,因此串联间隙电路模型不但可以在宏观上表现出开关的特性,而且能够模拟开关任一部分的时变电压和电流,进而分析开关的内部工作过程。模拟结果表明:激光触发间隙导通而自击穿间隙不导通时,作用在开关上的总电压超过700 kV;开关正常工作时,作用在所有间隙上的电压均高频振荡衰减。     

一种基于电爆炸丝断路开关的多脉冲产生技术

 介绍了一种基于电感储能和电爆炸丝断路开关的多脉冲发生器。该发生器是由作为初级能源的脉冲电容器组、储能电感和多级串联的不同长度、不同截面积的电爆炸丝断路开关组成。实验中在约10 W电阻负载上获得了2个大于250 kV和3个大于200 kV的脉冲输出。脉冲数由串联丝阵级数决定，脉冲幅度和脉冲间隔可通过爆炸丝参数、电容器充电电压调节。     

10kV绝缘栅双极型晶体管固体开关的研制

采用8只IXLF19N250A绝缘栅双极型晶体管串联研制成功了10kV固体开关。试验表明:该固体开关最高输出电压为14kV，最高输出脉冲电流为20A、输出脉冲宽度可在2~112μs之间以1μs步长变化，脉冲重复频率范围为1Hz~4kHz，短时间可以工作到8.6kHz。     

10kV绝缘栅双极型晶体管固体开关的研制

 采用8只IXLF19N250A绝缘栅双极型晶体管串联研制成功了10kV固体开关。试验表明：该固体开关最高输出电压为14kV，最高输出脉冲电流为20A、输出脉冲宽度可在2~112μs之间以1μs步长变化，脉冲重复频率范围为1Hz~4kHz，短时间可以工作到8.6kHz。     

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。     

Marx固态调制器单元研制

Marx固态脉冲调制器是根据Marx发生器的原理并以绝缘栅双极晶体管(IGBT)固态开关作为开关元件而设计的脉冲调制器。其低成本、高可靠性、小体积等优点可以很好地满足国际直线对撞机(ILC)对脉冲调制器提出的要求。介绍了Marx调制器单元样机主要部件包括IGBT串联高压开关组件、储能电容器、串联高压充电电源以及控制系统样机的研制。Marx调制器单元完成了12 kV高压试验,各部件达到设计指标,为单元的模块化生产和多单元的叠加试验提供可靠的数据和保障。     

大功率固态调制器的仿真研究

 设计了大功率固态调制器的新型固态脉冲开关模块。通过分析电力电子仿真软件Saber中绝缘栅双极晶体管(IGBT)物理模型的概念和等效电路，结合实验数据建立了IXDH20N120型IGBT的模型，研究了Saber环境下，不同参数条件和拓扑结构对调制器电路输出特性的影响。仿真结果表明：动态均压网络在有效地保护开关的同时，可以减少IGBT的开关损耗；电路中器件离散性与系统分布参数会造成调制器输出波形质量下降，效率降低。并对调制器在负载打火情况下，因严重不均流而损坏器件故障的机理作了分析，实验证明仿真结果和分析与实际相符。     

用于聚四氟乙烯表面处理的重复频率高压脉冲电源

采用自行研制的μs级重复频率高压单极性脉冲电源,应用于聚四氟乙烯(PTFE)膜表面改性,研究脉冲放电等离子体对PTFE薄膜表面改性的作用规律。测量处理前后PTFE薄膜表面的水接触角,结果显示,在特定的脉冲参数及更严格的对比条件下其平均水接触角从112°下降到85°,PTFE薄膜表面亲水性改善效果非常显著。脉冲电源采用脉宽调制控制方式,通过逆变升压及波形整形,得到脉冲电压幅值0~20kV、重复频率0~20kHz、脉宽5~15μs、上升沿500ns~2μs、下降沿大于20μs的单极性脉冲。     

基于半导体断路开关的8 MW,10 kHz脉冲发生器

 功率器件半导体断路开关具有高重复频率工作能力。采用高速绝缘栅双极晶体管组件作为初级充电回路的主开关,建立了一台工作频率为10 kHz的脉冲发生器。脉冲发生器采用磁饱和脉冲变压器、磁开关及高压脉冲电容器组等固态器件进行两级脉冲压缩,产生小于100 ns的电流脉冲,对半导体断路开关进行泵浦,半导体断路开关反向截断泵浦电流在负载上产生高压脉冲输出。实验装置在电阻负载上得到了脉冲输出功率约为8.6 MW,脉冲宽度约10 ns,重复频率10 kHz的高压脉冲输出。     

高频高变比脉冲变压器耦合固态刚管调制器

调制器输出脉冲宽度存在两种模式,输出脉冲宽度为10μs时,工作频率0~8kHz可调,输出脉冲宽度为200μs时,工作频率0~400Hz可调。为了实现了调制器的小型化,初级电压设计为700V,初级储能电容可采用高储能密度的电解电容,且可降低绝缘栅双极晶体管(IGBT)串联的风险,次级输出电压为70kV,采用变比为100的脉冲变压器。概述其各个组成部分及其工作原理,重点对IGBT固态开关的驱动、保护电路、损耗和吸收回路进行了分析讨论,并对高变比的变压器进行了理论分析。对调制器进行了实验测试,脉冲前沿2.2μs,脉冲后沿1.65μs,过冲小于7%,脉冲顶降小于1%。     

基于Parylene C的单触发开关性能实验研究

为了研制具有高导通电流和高导通速率能力的单触发开关,利用微加工技术制备了基于Parylene C的三明治结构单触发开关。在主回路充电电压1.0~1.6kV的范围内,分析了开关触发回路电流、电压特性,导通峰值电流、上升时间、开关延迟时间,并且对单触发开关的电感、电阻做了估算。结果表明,基于Parylene C的单触发开关性能优于基于聚酰亚胺的单触发开关;随着开关加载电压的升高,开关导通的峰值电流呈现不断增大的趋势,但是上升时间几乎不变,其延迟时间分布在1~200μs之间,呈随机性分布,开关电阻随其作用时间增加不断增大。     

基于MOSFET的纳秒级全固态脉冲源设计

采用MOSFET半导体固态开关作为主放电开关取代气体开关、高压二极管替代充电电阻的技术方法,设计了一种基于功率MOSFET固态开关的纳秒级全固态脉冲源。设计的脉冲源主开关级数共5级,每级主开关分别由5只功率MOSFET半导体固态开关器件串联组成,开关通断控制采用脉冲隔离变压器同步驱动方式。在重复频率1 Hz~1 kHz、充电电压4 kV、负载阻抗为1 k条件下,可实现输出幅度大于20 kV、前沿小于10 ns且脉宽大于100 ns的高压快脉冲。通过实验结果验证了所采用的设计原理及方法的可行性,并给出了单次和重复频率（1 kHz）触发信号作用下全固态脉冲源输出的实验结果。     

准分子激光全固态脉冲电源设计与实验研究

 针对脉冲能量5~8 mJ的ArF准分子激光器,设计了基于可控硅开关结合三级磁脉冲压缩开关的全固态脉冲电源,采用国产可控硅和磁开关材料,获得了上升时间约150 ns,电压10~14 kV,传递能量0.35~0.68 J的激励脉冲,并实现了对准分子激光器快放电激励。三级磁开关总效率35%,分析表明磁开关损耗较大主要原因为电容能量转移不充分、导线铜损及磁芯材料铁损较大,并提出了相应改进办法。     

电爆炸箔断路开关的理论和实验研究

 采用金属箔电爆炸过程的二维数值计算模型，对含电爆炸金属箔断路开关的电感储能脉冲功率调节系统进行了数值计算。以此为基础，研制出了一种低电感型的电爆炸箔断路开关，并以4μF/75kV脉冲电容器组作为初级能源，13Ω电阻作为负载进行实验研究。研究结果表明：在负载上可获得约250kV，脉宽大于400ns的脉冲电压。     

一种紧凑型高功率脉冲调制器

 研制了一种基于水介质单同轴脉冲形成线型的高功率脉冲调制器,该调制器由初级储能电容器、脉冲变压器、水介质同轴脉冲形成线、氢气主开关和场发射真空二极管等组成。用Pspice电路软件对脉冲形成线的充电电压和二极管电压、电流进行了模拟,并用有限元软件分析了脉冲形成线的电场分布。当初级储能电容器组充电电压为35 kV, 氢气主开关导通电压高达520 kV时,在调制器场发射二极管输出电压约230 kV, 束流30 kA,脉宽约60 ns的高电压脉冲。此外,对主开关充不同类型的气体进行了实验研究,结果表明:氢气主开关的脉冲调制器能够在二极管上获得前沿更陡的高电压脉冲,并能有效地改善二极管电子束的性能。理论分析与实验结果基本一致。此种类型的调制器具有运行稳定、体积小、结构紧凑的特点。