雪崩三极管串联的纳秒脉冲发生器

雪崩三极管因其快速性、高重复频率等特点被广泛应用于纳秒脉冲发生器。为了提高输出电压,常采用多管串联Marx电路。采用二极管代替传统多管串联Marx电路中的部分限流电阻以减少能量损耗,加快充电速度,提高重复频率,并分析了主电容和限流电阻对输出脉冲幅值和频率的影响。通过雪崩三极管的单管击穿实验,单个三极管的导通内阻最小约为2.5 Ω,多管串联Marx电路中的等效内阻使负载侧的输出电压降低,故采用多路Marx并联电路以提高输出电压幅值。通过改变Marx并联模块数量,研究了电路等效内阻对输出脉冲的影响;通过改变负载电阻值,验证了Marx并联电路在小负载下升压效果更佳。实验结果表明,通过相同的4路Marx并联电路进行放电实验,在50 Ω负载侧输出上升沿为3.4 ns、幅值为2.5 kV、可在15 kHz下稳定工作的脉冲。     

一种用于触发引燃管的脉冲电源

设计了一种单电源的变压器型高电压、大电流脉冲源。该电源只有一套放电电容,以晶闸管作为放电开关,单原边双副边的脉冲变压器作为传输线。利用二极管的单向导通特性,使变压器根据负载不同的工况运行在不同的状态,分时输出高电压、大电流脉冲。该设计利用变压器在空间上将高压输出回路和低压控制回路隔离,与一般的双电源设计方式相比,降低了驱动电路的成本,减少了装置的体积,有利于设备的小型化和紧凑化。试验结果表明:当原边18 μF的储能电容充电电压为700 V时,通过晶闸管开关控制电容向2 ∶2 ∶20的单原边双副边脉冲变压器放电,副边开路时输出幅值7.6 kV、上升沿432 ns的开路电压,副边短路时输出幅值690 A、半高宽15.6 μs、前沿7.0 μs的短路电流,满足NL37248引燃管的触发要求。     

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。     

两级同轴Blumlein线理论及其模拟分析

利用拉普拉斯变换求解两级同轴Blumlein线对负载的放电过程,得到了纯电阻负载上理想输出电压的解析表达式。分析了开关电感、负载电感及回路电感对负载主脉冲的影响。对PSpice模拟的结果与推测的负载电压表达式进行对比,两者符合得较好。分析结果表明:脉冲的前沿主要是由开关电感决定,而平顶幅值的变化趋势主要是由回路电感决定;开关电感越小,上升沿越小,回路电感越大;脉冲输出电压和能量传输效率越高。     

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。     

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。     

薄膜介质层绕式Blumlein线理论与实验研究

对薄膜介质层绕式Blumlein线的特性参数进行了理论分析。采用Pspice软件对电路模型进行了计算,分析了开关电感、寄生电阻对负载输出波形的影响。结果表明:开关电感的存在使得负载波形前沿变缓,后延波形扭曲变差,寄生电阻会影响负载的电压输出效率。采用模拟软件对传输线中的电磁场分布进行了计算,结果表明薄电极边缘场畸变以及折叠弯曲部分的场变化是绝缘介质耐压必须考虑的因素。基于此理论分析,设计制作了一种新型薄膜介质Blumlein线,绝缘材料为聚酯薄膜,单层薄膜厚100μm,电极为厚50μm的铜皮,单元模块设计耐压50 kV。进行了三级模块串联叠加实验,充电25 kV,匹配负载输出60 kV,脉冲上升沿80 ns,脉冲宽度200 ns。     

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。     

Tesla变压器型重复频率纳秒脉冲源的研制

脉冲变压器与陡化开关结合的方式是产生纳秒脉冲较为成熟的方式,采用这种方式,研制了一种基于空芯Tesla变压器和陡化开关的紧凑高压重复频率纳秒脉冲源。该脉冲源主要由重复频率充电模块、Tesla变压器和陡化开关三部分组成,重复频率充电模块主要通过晶闸管的时序配合实现,Tesla变压器为脉冲源装置系统的核心及主升压模块,陡化开关是一个三电极自击穿型气体开关,用于将变压器次级输出的电压陡化成纳秒快脉冲波形,对该重复频率脉冲源以上各部分进行了详细的设计和测试。实验结果表明,该脉冲源可以在6kΩ的负载电阻上输出幅值100kV、上升沿约为30ns、最高频率可达500Hz的高压纳秒脉冲。     

纳秒脉冲下典型钳压型浪涌防护元件的响应特性

为研究以压敏电阻和瞬态抑制（TVS）二极管为代表的典型钳压型浪涌防护元件的纳秒脉冲响应特性,为电磁脉冲干扰防护元件的选型提供科学依据,分别基于百ns和2 ns上升前沿电磁脉冲直接注入的方式,实验测试并对比分析两类元件在不同脉冲上升沿时间、电压幅值等情况下的响应差异,并阐明产生过冲响应差异的物理机理。结果表明:两类防护元件的响应时间均与注入纳秒脉冲上升沿时间有关,且随着上升沿的增加而变长,其中TVS二极管在相同上升脉冲情况下具有更为敏感的响应速度;当注入脉冲电压幅值增加时,PN结热积累加快,击穿速度加快,元件响应时间更短,相比于TVS稳定的钳位幅值,压敏电阻在钳位幅值附近处振荡明显;当快速脉冲到达时,压敏电阻和TVS二极管响应曲线在钳位幅值稳定前均发生过冲现象,并且两类防护元件的过冲电压均随着注入脉冲幅值的增加而增加;尽管钳位电压幅值由自身防护特性决定,但在相同注入脉冲条件下,同类不同型号的防护元件过冲电压几乎相同,通常压敏电阻过冲电压小于钳位电压,而TVS二极管则相反,并且随着钳位幅值变小,过冲电压与钳位电压的比值变大,这意味着过冲现象对低压TVS二极管性能影响更为严重。     

磁脉冲压缩系统的仿真研究

 分析了传统磁脉冲压缩系统的原理及缺点,对基于省去磁芯复位电路的磁脉冲压缩系统进行了介绍,为了更加深入地分析这种磁脉冲压缩系统,应用Pspice仿真分析软件建立了省去磁芯复位电路的磁脉冲压缩系统模型,计算出各级压缩过程中各元件的电压波形,及饱和变压器和磁开关的磁芯感应强度变化曲线;经测试,当负载为500 Ω纯阻性负载时,系统两端输出的负极性脉冲峰值约-27 kV,半高宽约为70 ns,下降沿约为40 ns。通过分析仿真结果与实验结果,仿真中需考虑测量探头引入的并联电容对电路的影响。     

基于半导体开关和LTD技术的高重频快沿高压脉冲源

采用快开通功率MOSFET,通过优化驱动电路、磁芯参数以及耦合结构,设计了基于半导体开关和直线变压器驱动源（LTD）技术的高重频快沿高压脉冲源。该脉冲源由四级LTD串联而成,可实现单次脉冲和最高频率2 MHz脉冲串输出。脉冲最高幅值约2.3 kV,上升沿约7 ns,脉宽约90 ns,下降沿约20 ns,输出电压效率约95%。该脉冲源结构紧凑,输出脉冲稳定,实现了模块化设计,可作为重频电磁脉冲模拟源使用。     

电磁脉冲作用下PIN二极管的响应

采用自主开发的二维半导体器件效应模拟软件,对电磁脉冲作用下PIN二极管的响应进行了数值模拟研究,分析了PIN管在脉冲电压上升沿时间内出现的电流过冲现象。结果表明:过冲电流与高频下PIN二极管的电容性有关,过冲电流的峰值与上升沿时间有关,上升沿时间越短,峰值越大;PIN管的掺杂也会对过冲电流产生影响,P层、N层的掺杂浓度越高,过冲电流的峰值越大,过冲电流的波形下降越快;I层掺杂浓度对过冲电流也有一定影响,但并不显著。     

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。     

带反偏置的双路高压脉冲电源的研究

通过调节反向偏置电压可以改善电场渗透对质谱仪的影响,提高质谱仪的分辨率。为了满足质谱仪对脉冲电场的不同要求,提出了一种可以同时输出两路极性相反脉冲电场的脉冲电源,且高压正脉冲叠加幅值可调的直流负偏置电压。该电源只需一个充电源便可以产生正负两路脉冲电场。分析了串联开关同步驱动效果,随后通过增加补偿绕组和并联电阻优化了串联电容的分压不均的问题,并验证一个磁芯加多个副边绕组的方案可进一步降低充电电压不均。最终实现了4个电容器的充电电压与平均电压相差不超过0.1%。搭建了一台4级的电源样机,实验表明,其可以在容性负载上产生一路幅值为0～1.5 kV、脉宽为2～10μs可调的高压正脉冲且叠加幅值为0～-200 V的反向偏置电压,和一路幅值为0～-1.5 kV、脉宽为2～10μs可调的高压负脉冲,频率高达10 kHz,正负脉冲的前沿均小于30 ns,脉冲波形平稳。该脉冲电源结构紧凑,并且输出电压、脉宽、频率均连续可调。     

基于谐振电路与脉冲变压器的高压脉冲源设计

提出一种基于谐振电路与脉冲变压器结合的高压脉冲实现方案,该方案利用电容与电感的谐振效应,结合脉冲变压器的升压作用,在仅使用一个半导体开关的条件下,实现高压脉冲的输出,其结构简单,成本低,并且可实现零电压关断。并对于电路的运行模式进行了理论分析,搭建了原理样机进行实验。容性负载条件下,实现频率1～ 15 kHz、幅值0～ 10 kV可调的高压脉冲输出,对比分析了续流支路以及续流电阻对于输出高压脉冲波形的影响。利用该脉冲电源进行DBD放电实验,成功驱动介质阻挡放电反应器,验证了该方案的可行性。     

600kV直线变压器驱动源的设计与模拟

基于对125 kV直线型脉冲变压器驱动源(LTD)模块的实验研究,设计了脉冲形成线为Blumlein结构的150 kV LTD模块,并在此基础上设计了输出电压600 kV、四级模块串联运行的LTD装置。根据理论计算的结果选择了LTD次级线圈的尺寸,通过电路和3维模拟,分析了不同输入方式对输出脉冲波形的影响,结果表明:左端输入方式输出脉冲波形好于右端输入方式;与单边输入方式相比,双边对称输入方式得到的载脉冲波形的前沿更好。根据600 kV LTD装置的设计参数进行了电路模拟,在40Ω匹配负载上得到的输出脉冲波形前沿(10%~90%)约30 ns、平顶约110 ns、后沿约30 ns、幅值约600 kV,满足绝缘耐压要求。     

全固态高重复频率磁脉冲压缩发生器

设计制作了全固态高重复频率磁脉冲压缩发生器,最高重复频率5 kHz,脉宽70 ns,通过调节初始储能电容上的电压可在500 阻性负载上获得4~40 kV连续可调的输出电压。通过分析简化的磁压缩末级回路,分析了预脉冲产生的过程,得出了预脉冲的电压表达式,选取适当的磁芯相对磁导率,经过求解,得出在磁开关未饱和电感一定时预脉冲随负载阻值变化的曲线簇,从曲线中可以看出:随着负载的阻值的增大,预脉冲的峰值绝对值也增大;在负载恒定的情况下,增大磁开关未饱和电感的大小可以显著地减小负载两端预脉冲的峰值绝对值,这要求磁开关磁芯有更高的相对磁导率。     

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%。     

爆磁压缩发生器通过脉冲变压器对脉冲形成线充电的理论分析

 将爆磁压缩等效为电流源的方法，对爆磁压缩发生器通过脉冲变压器对脉冲形成线充电进行了理论分析，得出爆磁压缩发生器在负载上产生电流波形（简称负载电流）为直线情况和任意电流波形情况下充电电流和充电电压的表达式。分析表明变压器耦合互感与负载电流随时间变化增长率是脉冲形成线充电的两个重要参数，脉冲形成线第一个充电电压峰值与变压器的耦合互感和负载电流波形斜率成正比，负载电流波形斜率的变化可以改变充电电压峰值的时间，斜率不断增加可以延长第一个充电电压峰值时间，从而可能增加充电电压的幅值，提高爆磁压缩发生器能量的利用效率。