基于脉冲形成线充电的脉冲压缩技术

利用脉冲压缩技术,将具有一定初始电压的高阻抗长脉冲形成线对低阻抗短脉冲形成线充电到一定值时,其输出开关导通,在其后的传输线上可以产生高功率短脉冲。给出了脉冲压缩理论分析;前级脉冲驱动源采用GW级纳秒脉冲形成线,其特性阻抗为40Ω、电长度为3.9ns,输出脉冲宽度约8ns;研制了与前级脉冲驱动源匹配的脉冲压缩装置和变阻抗传输线,考虑到脉冲压缩装置低阻抗形成线绝缘击穿和开关导通限制,选取脉压装置形成线特性阻抗6.5Ω、电长度0.5ns。利用GW级纳秒脉冲驱动源开展了脉冲压缩实验,得到了输出功率增益达4倍左右的脉宽1.5ns高功率短脉冲,输出脉冲功率增益与理论值基本相符。     

真空绝缘子脉冲表面电场在线测量系统的实现

基于Kerr电光效应,建立了用以对纳秒脉冲高电压作用下的真空绝缘子表面电场进行在线测量的实验系统。该测量系统由快脉冲高电压源、YAG激光器、同步控制系统、被测中空薄壁绝缘子及Kerr效应单元、光学相位差检测系统等部分构成。利用YAG激光器输出的激光脉冲,触发导通快脉冲高压源中的高压气体开关,使其给被测绝缘子试品上施加一个脉宽100ns的高压脉冲方波。利用同步控制,使得探测激光在试品上的脉冲方波达到幅值后,入射到Kerr腔体中对Kerr效应进行探测。从而实现了对绝缘子表面电场的在线测量,并给出了初步的测量结果。     

驱动X光二极管的级联Blumlein型脉冲网络过电压脉冲分析

为了提高装置容许的运行电压以提高辐射剂量产额,开展了放电过程中影响脉冲形成网络过电压幅值因素的研究。在引入开关导通不同步性和导通电阻条件下,建立了适用于任意电阻性负载的级联Blumlein型脉冲形成网络电压波过程理论模型,基于波过程模型进一步分析了影响脉冲形成网络过电压幅值的因素。研究表明开关不同步是产生过电压的主要因素,过电压峰值出现在开关闭合后的3倍形成网络电长度时刻。随着网络级联级数的增加,二极管阻抗与源阻抗匹配情况下最大过电压可达到-2倍充电电压,而二极管阻抗下降使得过电压幅值得以加强,阻抗过早崩溃可使过电压幅值接近充电电压的-3倍。     

冲击波加热的氦气与氩气对电探针导通的影响

 用炸药透镜加载装置观察到置于氦气与氩气中的电探针回路有不同的导通现象。基于一维冲击波和局域热平衡假设,分别计算了两种气体的冲击状态参数。当飞片速度在3～5 km/s范围时,理论估算的氩气电离度超过1%,这说明氩气的电离已引起了探针回路的提前接通,而氦气几乎没有电离,对探针能起到很好的保护作用。     

一种100 kV Mini-Marx发生器触发源的设计

根据100kV Mini-Marx脉冲发生器对触发源的技术要求,设计了一种基于VE4141型氢闸流管气体开关器件的高压脉冲触发源。该触发源系统输出高压脉冲幅度达到0～30kV、脉冲前沿小于15ns、脉冲宽度大于500ns,不仅可以接收光、电和手动信号触发,而且还可以通过接口来控制调整100kV Mini-Marx发生器的充电电压以及电压显示。采用固态IGBT半导体开关器件产生预触发和主触发脉冲,控制气体开关氢闸流管VE4141瞬间导通放电输出高压脉冲信号,触发后级Mini-Marx脉冲发生器产生不小于100kV的高压脉冲。     

高功率宽谱开关振荡器

采用1/4波长开关同轴谐振器技术路线,开展了高功率宽谱微波产生及耦合输出技术研究。设计振荡器工作在200 MHz,低阻抗1/4波长同轴传输线与传输线一端的环形多通道气体火花开关构成谐振器,耦合器由集中电容和分布电感构成,实现宽谱微波的能量提取。通过数值模拟研究了振荡器的振荡及耦合输出过程,分析了高压脉冲馈入方式、谐振器阻抗特性及开关齿槽结构对环形开关导通特性的影响。数值模拟和实验结果证明,采用直馈方式、高阻结构和齿槽结构有利于形成开关多通道导通,并提高开关导通的稳定性。在输出电压为500 kV的Marx脉冲功率源平台上构建了高功率宽谱微波产生实验装置,实验得到的宽谱微波振荡频率为195 MHz,辐射因子约150 kV,频谱带宽约30%。     

一种简单的高功率微波模式和功率诊断方法

 从电、磁探针测量原理和计算公式入手, 介绍了一种在波导传输线上的高功率微波模式和功率诊断方法, 以及探针有效耦合面积及时间响应特性的标定方法和实验结果。这种用电、磁探针测量的方法对单模或有主模的高功率微波源的测量具有较好的精度。     

长脉冲高功率微波驱动源放电过程研究

从理论上分析了充放电时高功率微波(HPM)驱动源——水介质脉冲形成线(PFL)上的波过程,提出了形成线放电过程的等效分析方法,得到了输出脉冲波形平顶畸变与PFL充电电压波形的关系,并使用Pspice软件对等效分析的结果进行了模拟验证.开展了基于水介质脉冲形成线的高功率微波驱动源的实验研究,并依据等效分析法得出的结论,通过控制激光触发开关的导通时间,明显减小了输出脉冲波形平顶的畸变,得到了幅值数百kV、脉宽约150 ns、平顶约60 ns的脉冲电压. 关键词： 脉冲形成线(PFL) 高功率微波 等效分析 平顶畸变     

小型高压冷阴极触发管性能分析

触发管作为一种高压开关，基于其导通时间短，可承受数千安培脉冲电流等特点被广泛应用于触发器、快脉冲产生器及大电流脉冲发生器中。随着系统精良小型化的发展需求，相应对触发管导通时间、脉冲电流和导通时间晃动等参数也提出了更高的要求。     

1kV场效应管纳秒高压宽脉冲驱动源

MOS型功率场效应管具有大的脉冲开关电流(数十安培)、较高的漏源电压(达千伏)、小的导通内阻(欧姆量级)和较快的导通时间(数纳秒)。由于其输入输出电容大，故用其制作的脉冲源抗脉冲电磁干扰能力较强，也因此它的开关速度较慢。采用过驱动能提高MOS型功率场效应管的开关速度。就是使栅极驱动脉冲波形的前沿很快且上冲大大超过额定的栅源驱动电压。为此，在研制过程中，解决了用多个场效应管串、并联组合，形成具有纳秒级陡峭前沿的大电流开关；用多个脉冲变压器并联，对大电流开关输出的信号进行放大和成形；用脉冲变压器的技术解决了大功率脉冲功率合成等关键技术，采用稳定的开关器件等技术和工艺，解决低压电路抗高速高压强电干扰。实现了用固体器件—场效应管，替代国外氢闸流管部分用途的功能。     

基于TLP建模的系统级静电放电效应仿真

系统级静电放电(ESD)效应仿真可以在电子系统进行测试之前进行有效的静电放电效应防护,缩短研发周期。根据传输线脉冲测试(TLP)结果,对瞬态电压抑制(TVS)二极管和芯片引脚进行spice行为建模,结合ESD脉冲源的等效电路模型,PCB板的S参数模型,采用场路协同技术完成了系统级静电放电效应的仿真。针对一个典型的电子系统,在IEC 61000-4-2 ESD应力作用下,完成了一款开关芯片防护电路的仿真,并对电路进行了加工、放电测试,仿真与测试芯片引脚的电压波形吻合良好,验证了该仿真方法的有效性。     

串级二极管悬浮电极支撑控制系统的研制

串级二极管悬浮电极支撑控制系统主要包括支撑结构、驱动电路和同步控制三部分。支撑结构采用基于电磁铁工作原理的支撑针,对悬浮电极进行三点定位;驱动控制采用高压脉冲电容放电驱动螺线电磁铁,使电磁铁支撑针在5 ms内移动30 mm,悬浮电极在撤去支撑的5 ms内自由落体125 m;同步控制采用螺线电磁铁线圈信号作为同步控制初始信号,对该信号延时5 ms,触发闪光二号的前级触发源,启动闪光二号主机工作,实现螺线电磁铁与闪光二号主机的同步。使用该套支撑控制系统用于串级二极管前期研究,初步实现了两级间隙串联工作。     

邻近电感互耦的准方波脉冲形成网络设计

针对小型化紧凑型脉冲源的应用需求,开展了电感存在互耦的准方波脉冲形成网络设计技术研究。首先介绍了基于坐标轮换-直接搜索法的准方波脉冲形成网络优化技术研究,获得了网络元件的电感、电容值以及准方波的解析表达式;然后推导了邻近电感互耦网络的等效去耦电路解算方法,基于回溯法,最终给出了全网络各元件值的求解算法;最后分别针对等电容情形及规定电容的情形,求解给出了网络元件参数值。算例结果表明:电感存在互耦的准方波脉冲形成网络可获得较理想的准方波脉冲输出。基于互耦电感的巧妙设计,有利于实现紧凑型准方波脉冲形成网络的设计。     

准分子激光等离子体开关控制脉宽研究

 利用准分子激光等离子体技术，在紫外预电离XeCl准分子激光器上获得了最短1.58 ns的短脉冲激光输出。实验中分析了聚焦到薄膜表面的光束能量密度对所产生的等离子体密度的影响，并对不同等离子体密度及维持时间情况下脉冲压缩效果进行了讨论，给出了激光器谐振腔在稳定腔及非稳腔两种工作方式下的实验结果。激光器在稳定腔工作时，脉宽可压缩至2.87 ns；采用非稳腔结构时，在脉冲能量不变情况下减小聚焦光斑面积，提高入射到薄膜表面的能量密度，得到了最短1.58 ns的短脉冲激光输出。该技术适用于任何其它准分子器件。     

适用于探地雷达应用的低振铃单周期脉冲发生器

设计了一种新型的适用于道路检测探地雷达的单周期脉冲发生器。该脉冲发生器包含驱动电路、阶跃恢复二极管(SRD)脉冲形成电路和脉冲整形电路三部分。驱动电路可以使TTL形式的触发脉冲变为电流更大的快前沿脉冲,用来形成给后级电路的驱动脉冲;SRD脉冲产生电路选取渡越时间较小的阶跃恢复二极管结构,通过对前级电路产生的驱动脉冲整形得到负极性高斯脉冲,然后利用微带短路线、肖特基二极管和电容并联实现生成单周期脉冲和振铃抑制的功能,提高超宽带天线辐射的效率以及测量信噪比。测量结果表明,在1 MHz脉冲重复频率的情况下,峰峰值最大为23 V,脉冲半高宽为138 ps,振铃水平为1.25%,而当脉冲重复频率提高到5 MHz,该脉冲发生器产生脉冲波形幅度和带宽基本没有太大变化。这些特征说明,该脉冲发生器具有很高的频率稳定性,且在高分辨率探测应用情景中将会有很好的表现。     

基于互耦电感的两节准方波脉冲形成网络设计

针对小型化紧凑型脉冲源的应用需求,开展了基于互耦电感的两节准方波脉冲形成网络设计技术研究。首先介绍了两节脉冲形成网络互耦电感解耦的条件,并根据常用的三种脉冲形成网络模型运用拉普拉斯变换推导出了相应的输出脉冲电流表达式,并利用准方波的Prony级数表达式,通过求解非线性方程组获得了准方波脉冲的解析表达式,进一步求解出各网络元件的参数。然后研究了电感耦合系数在电路中的影响,提出了利用互耦电感设计准方波脉冲形成网络的方法。模拟仿真结果表明:基于互耦电感的两节脉冲形成网络可获得输出波形质量较好的准方波脉冲输出。利用互耦电感这一巧妙设计,可以较方便地实现准方波脉冲形成网络的设计。     

650kV/2ns高压脉冲发生器研制

研制了一套峰值650kV、脉宽2ns的窄脉冲发生器,具有结构紧凑、体积小巧、便于移动和产生优质的纳秒高压脉冲等优点。该发生器基于三谐振脉冲变压器原理和脉冲形成压缩实现窄脉冲输出,采用紧凑双锥形绕组铁芯变压器、LC调谐回路和27pF,30Ω脉冲形成线组成三谐振回路,油介质自击穿开关导通后在负载上获得高压脉冲。实验结果表明,该窄脉冲发生器可在80Ω电阻负载上输出脉冲峰值约650kV,脉宽约2ns,与理论分析的结果相吻合。     

脉冲功率应用的IGBT快速驱动电路

根据绝缘栅双极型晶体管(IGBT)的工作特性,研究设计了一种应用于脉冲功率系统的开关驱动电路,实现了IGBT的快速开通。阐述了驱动电路的原理,设计了基于平面变压器的驱动电路,在驱动芯片基础上为栅极提供幅值为60 V脉冲电压,提高开关速度。最后使用Blumlein双线结构对驱动电路的性能进行了实验验证。应用这种驱动方式,提高了集电极电流上升速率。实验结果表明,在1000 V的工作电压下,通过IGBT的脉冲电流达到了470.53 A,脉冲前沿为40 ns,di/dt达到9.41 A/ns,相比数据手册提供的数据,该电流上升速度提高了7.53倍,实现了对IGBT的快速驱动。     

快脉冲直线型变压器驱动源同步触发系统

提出了一种基于单传输线脉冲成形技术的模块化快脉冲直线型变压器驱动源的同步触发系统的概念设计,主要由级数较少的Marx发生器、脉冲形成线、主开关、脉冲传输线及触发引出电缆等组成。利用等效电路模型,研究了Marx发生器与脉冲形成线的配合关系,当发生器同时驱动多路形成线时,可以有效增加触发脉冲的数量,并能提高能量利用效率,但触发脉冲的幅值会降低。研究了水介质线阻抗与引出电缆数量对触发脉冲的影响,结果表明:随着电缆序号的增加,触发脉冲的幅值逐渐降低,并且水介质线的阻抗越高,幅值降低的速度越快。触发脉冲也可同时引出,驱动单路形成线输出60路时,触发脉冲的峰值约为293 kV,前沿约11 ns;当驱动5路形成线输出300路时,触发脉冲的峰值约为151 kV,前沿约11 ns。     

两节反谐振式网络输出方波脉冲的参数计算

研究了反谐振式脉冲形成网络的紧凑化、小型化问题。介绍了两节反谐振式网络的组成和特点,并建立了相应的电路模型,运用电路的拉普拉斯变换和方波的傅里叶级数展开,通过波形拟合和参数对比的方法,找到了一种解决此类型电路输出方波脉冲的参数计算方法。模拟仿真结果显示:此网络输出的方波脉冲平顶约占整个脉冲时间的1/4且基本无抖动,前沿约占整个脉冲时间的1/7,半高宽约占整个脉冲时间的5/7。利用此方法设计了一套实验装置,并进行了初步的实验探究,实验结果表明:利用两节反谐振式网络可获得输出波形质量较好的百ns级方波脉冲输出,与理论分析结果基本一致。