基于雪崩管Marx电路的高稳定度脉冲技术

采用Marx电路提高雪崩管脉冲源输出脉冲幅度,分析基于雪崩管Marx电路脉冲源的时基稳定度和波形稳定度的影响因素。采用适当的优化措施提高稳定度指标,设计了高稳定度的雪崩管脉冲源,脉冲峰值电压2 000 V(50Ω负载),脉冲全底宽度5 ns,上升时间400 ps,重复频率达到25 kHz,具有很高的稳定度指标:短时抖动小于30 ps,长时漂移小于100 ps/min,峰值电压和脉冲宽度抖动小于1%。     

全固态高稳定度纳秒脉冲源的相干合成技术

 单个子源的稳定度指标是多源相干合成技术的关键。文章首先对脉冲源稳定度指标进行了定义，并指出全固态纳秒脉冲源具有较高的稳定度指标，在相干合成中具有潜在优势。对脉冲时基抖动、波形抖动机理进行了深入分析，给出了高稳定度子源设计的关键技术途径，采用过触发、欠容量等具体改善方案，有效提高了子源的时基稳定度和波形稳定度，单个子源脉宽抖动小于等于1%，峰值抖动小于等于1%，单次短时抖动小于等于20 ps，长时漂移小于等于100 ps/min。最终成功实现了256单元的16×16路电路-空间综合合成，研制出30 MW全固态高稳定度多路相干合成纳秒脉冲源，脉冲源16路输出端口最大时基离散度小于30 ps，合成峰值电压抖动小于1%，合成峰值电压效率可达到90%~95%。     

探地雷达超宽带高斯脉冲信号源的设计

脉冲源作为探地雷达的核心部件,其高功率和超宽频带可保证探测距离和探测分辨率,波形的光滑性与稳定性同时也影响着目标成像质量。选用雪崩三极管组成Marx电路输出单极性脉冲,采取措施优化波形中的不光滑部分,精确计算传输线延迟时间,信号反向叠加形成双极性脉冲,设计梳状PCB形式有利于脉冲源的小型化。测量结果表明:脉冲波形平滑对称,正负峰间脉宽为1.64 ns,幅度为812 V(50 负载),拖尾振荡低于总体幅值的10%,和仿真结果吻合较好,符合探地雷达的需求。     

200 kV长脉冲功率源研究

介绍了采用脉冲形成网络（PFN）获得长脉冲功率源的基本原理，用PSpice模拟Marx型脉冲形成网络的结果，以及200 kV长脉冲功率源的设计过程。建立了一台对匹配负载输出200 kV的长脉冲功率源，功率源电路结构采用5级Marx-PFN型脉冲形成网络，网络阻抗为14 Ω左右。实验得到该功率源输出电压脉冲前沿小于500 ns，平顶宽度为3 μs，脉冲半高宽为4.3 μs，电压脉冲平顶波动小于1%，脉冲电压幅度为200 kV左右。     

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。     

重复频率低阻抗紧凑Marx脉冲功率源

为了实现重频脉冲功率源小型化,研制了基于快Marx发生器的紧凑型重频低阻抗脉冲功率源。采用大功率重频高压电源对Marx发生器充电,通过对充电电源和脉冲触发源的同步控制,实现对Marx发生器重频充电;Marx发生器中采用薄膜脉冲电容器、小型化气体开关、电感隔离以及SF₆气体绝缘等设计,以8级紧凑Marx发生器进行验证性研究,在16 Ω阻抗负载上实现了重复频率10 Hz、脉宽150 ns、峰值电压大于400 kV连续多脉冲输出;在此基础上,设计了18级紧凑型Marx发生器,在约18 Ω阻抗负载上输出功率达到33 GW,峰值功率密度大于150 GW/m3,实现重复频率5 Hz、脉宽约160 ns、峰值电压大于600 kV的连续多脉冲输出。为了降低Marx发生器的输出阻抗,采用4台电容器并联作为Marx发生器的一级储能模块,研制了同轴紧凑Marx脉冲功率源,有效减小放电回路电感,实现12 Ω低阻抗负载近似匹配输出,前沿减小至50 ns以下,脉宽约130 ns。     

基于窄脉冲传输的脉冲展宽IGBT驱动电路

设计了一种采用高压隔离脉冲变压器传输窄脉冲,然后应用脉冲展宽电路实现宽脉冲驱动信号输出的无源IGBT驱动电路。采用正电压turn-on窄脉冲和负电压turn-off窄脉冲组合传输的方式以减小高压隔离脉冲变压器的体积和重量,脉冲展宽电路使IGBT在turn-on脉冲上升沿导通,在turn-off脉冲上升沿关断,且其具备储能功能,无需高压隔离辅助直流电源为其供电。脉冲信号发生电路和过流保护电路耦合设计,使IGBT在正常关断和过流保护关断情况下,其栅极都处于反压偏置状态,以提高IGBT关断的快速性和可靠性。将驱动电路用于级联Marx高压电路中IGBT开关的驱动,turn-on脉冲和turn-off脉冲的脉宽均选择为2 μs,结果表明,Marx电路在输出脉冲电压峰值为20 kV时工作稳定,且脉宽在3.5~50 μs之间连续可调,等离子体负载下的输出电压和电流波形显示,打火情况发生时,过流保护电路工作稳定可靠。该驱动电路可有效实现宽脉冲驱动信号的产生,具有较强的可靠性和实用性。     

1MV小型重复频率Marx发生器研制

设计了MV级小型重复频率Marx发生器,简化了发生器充放电回路,减小了能量损失;分析了隔离电感变化时对发生器输出脉冲电压波形的影响,减小了隔离电感体积,提高了隔离有效性;优化了开关腔体结构,实现了间距连续可调,且受外围结构的变化或振动影响,13个开关间隙置于同一垂线上,火花放电时产生的紫外线或射线相互照射,加速了开关导通,减小了Marx发生器输出电压抖动。塑壳电容降压使用,提高了发生器的可靠性;通过Pspice模拟和三维静电场分析,实现了发生器小型化,整个Marx发生器放置在一个密封纯净SF6气体的金属圆筒内,体积小于0.25m3。优化设计和实验研究,发生器在高阻负载上输出峰值1.02MV、前沿约30ns的高压脉冲,发生器储能290J,电压幅度抖动约10%,前沿抖动小于10ns,可实现重复频率20Hz稳定运行。     

200 kV重复频率Marx发生器研制

针对脉冲功率系统开关触发需求, 设计了一种重复频率Marx发生器,介绍了其基本工作原理及其主要性能指标。发生器采用单极性充电和同轴结构设计,脉冲输出为高压电缆形式,在75 Ω匹配负载上获得了高于200 kV的脉冲输出,脉冲宽度大于90 ns,工作模式可单次到10 Hz重复频率运行,脉冲上升时间小于10 ns,系统抖动小于20.1 ns。     

高功率紧凑型重频快Marx脉冲驱动源

基于快Marx发生器技术路线,研制了一套具有高功率密度的低阻抗紧凑型重频脉冲驱动源。采用18级Marx发生器电路结构,每级由1只60 nF/100 kV脉冲电容器、1个气体开关及隔离电感构成,每两级构成一个模块,整体采用SF6气体绝缘,储能密度达到25.7 kJ/m3;采取开放式气体开关,其中两级为触发开关,其余为过电压自击穿开关;触发源采用小型化Marx电路及绝缘胶真空灌封设计。实验中脉冲驱动源单次工作时在约18 阻抗负载上输出电压达到765 kV、脉宽约160 ns、前沿约50 ns,功率密度达到157 GW/m3;受充电电源功率限制,重复频率5 Hz充电70 kV,连续5脉冲输出功率约17 GW,脉冲波形重复性较好。     

基于Boost闭环控制的恒峰值双极性脉冲发生器的研制北大核心CSCD

在肿瘤消融、污水处理等领域的脉冲功率技术应用中,研究发现双极性电脉冲往往比单极性电脉冲效果更佳,这极大地刺激了双极性高压脉冲电源的研发需求。设计了一台基于Boost闭环控制的恒峰值双极性脉冲发生器,该发生器结合boost电路与Marx发生器的特点,实现了具有升压功能的双极性脉冲的产生,且利用峰值检测电路对双极性脉冲发生器的输出峰值进行取样,并反馈到DSP处理器,实现峰值电压闭环控制,从而实现双极性脉冲恒定峰值的输出。为了验证提出的拓扑电路的可行性与稳定性,对5级恒峰值双极性脉冲发生器进行了仿真和实验研究。实验结果表明,当输入电压在100 V时,可产生重复频率5 kHz、脉冲宽度5~10μs、电压幅值为±2.0 kV的恒峰值双极性脉冲波形。该脉冲电源使用模块化设计,便于级联,结构紧凑,可灵活输出恒峰值的双极性或单极性正(负)脉冲。     

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.     

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。     

百kV级纳秒脉冲源的设计与实验研究

GW级Tesla型脉冲源在触发开关技术研究中作为触发脉冲源使用,抖动较大,触发开关工作不稳定,需要为其研制一台触发器以解决这一问题。结合其他使用需求,设计了一台百kV级纳秒脉冲源,该脉冲源采用Tesla变压器结合单筒脉冲形成线结构,进行了Tesla变压器结构、Tesla变压器初次级参数、Tesla开路磁芯与初级电路设计,调试结果为:最高输出电压100 kV,峰值功率250 MW,重复频率1~100 Hz,输出脉冲宽度约4 ns,前沿约1 ns。该脉冲源作为触发器使用,可以将GW级Tesla型纳秒脉冲源抖动由500 ns降低至150 ns,满足触发开关研究需求,还可用于产生超宽谱短脉冲进行辐射。     

150kV快前沿低抖动Marx发生器研制

研制了一种主要用于脉冲功率系统前级触发用的Marx发生器,介绍了其工作原理和主要参数。该Marx发生器采用单边充电技术路线和同轴紧凑型结构,高压脉冲采用柔性高压同轴电缆输出,在75Ω匹配负载上获得了超过170kV的高压脉冲输出,脉冲宽度超过200ns,在140~160kV工作区间内其前沿小于3ns,抖动不超过1.5ns。该Marx发生器工作范围宽,稳定可靠,很好地满足了高功率脉冲触发系统的要求。     

用于激光脉冲整形的任意电脉冲产生技术研究(英文)

为了实现整形脉冲调节的智能化,用计算机分别控制多个GaAs场效应管栅极偏压,并对场效应管产生的脉冲进行脉冲叠加,以控制整形电脉冲的形状;为提高输出整形脉冲的稳定性并减小触发晃动时间,优化设计了脉冲整形电路,结果表明:脉冲输出幅度1～5 V可调;方波脉冲输出宽度0～3 ns;脉冲前后沿分别为250 ps和350 ps;幅度稳定性:～4%(峰峰值) ;时域调整精度200 ps.     

闪光二号加速器气体主开关同步触发系统

 设计并调试了闪光二号加速器气体主开关同步触发系统。该系统主要由同步控制部分和高压脉冲形成部分构成。整个触发过程包括同步信号的引出、整形滤波、快速比较电路传输、前级脉冲形成、高压脉冲产生。通过对同步信号的整形处理，解决了发生器电流上的高频信号干扰问题；经过快速比较电路和前级脉冲后，选取了同步信号开始工作的时间点，并形成十几V的触发信号；高压脉冲形成部分主开关采用场畸变结合预电离的方式，该结构的气体开关时间响应为50 ns，抖动小于5 ns，满足使用要求。调试结果表明:该系统输出脉冲电压幅值100 kV，前沿小于10 ns，系统的工作时延440 ns，抖动13.5 ns；可通过增加电缆长度来控制触发信号到达气体开关的时刻，实现气体主开关与Marx发生器的延时同步工作。