MHz重复频率脉冲功率技术

采用串联单传输线、并联Blumlein脉冲形成线和高重复频率固体开关等技术路线开展了MHz重复频率脉冲功率技术研究。利用串联单传输线获得了幅度约200 kV,时间间隔约500 ns的双脉冲。利用并联使用的Blumlein系统和特殊设计的汇流/隔离网络获得了幅度约275 kV,时间间隔约500 ns的三脉冲。利用并联MOSFET和感应叠加原理研制了6 kV/2.5 MHz固体调制器。结果表明：3种方式均可以猝发MHz的方式输出高品质的高压脉冲串,可根据实际的需求选择合适技术路线。     

高功率重复频率Marx型脉冲功率源小型化技术研究进展

传统的高功率重复频率脉冲功率源通常以低电压储能、升压、高压脉冲形成线、输出的顺序工作。因而系统至少包括低压储能和高压脉冲形成线两个储能环节,同时高压脉冲形成线的体积随着电压的升高快速增长。针对这些问题,课题组提出了一种高功率重复频率Marx型脉冲功率源小型化研究的设计思路和实现方式,并开展了相关技术研究。主要介绍了课题组在关键技术上取得的重要进展,包括高储能密度的储能/脉冲成形一体化技术、低抖动重复频率气体开关技术、低抖动高能触发技术、紧凑型Marx高压串叠技术等一系列关键技术。同时介绍了课题组研制的几种典型紧凑结构重复频率Marx型脉冲功率装置：同轴结构快Marx发生器、基于薄膜介质线的脉冲功率源、模块化低阻抗紧凑型Marx发生器、20 GW高功率重复频率脉冲驱动源。通过探讨关键技术研究及其发展现状,为未来脉冲功率源小型化研究的发展和应用方向提供参考。     

重复频率脉冲功率系统触发器设计

根据重复频率脉冲功率系统中大功率开关器件氢闸流管的触发原理,针对选用的氢闸流管VE4147的触发要求,设计了直流偏压-150 V、空载电压2 000 V、脉冲电流10 A、脉冲宽度800 ns、重复频率10 kHz的触发器。设计中着重从增强抗干扰能力、降低功耗、改善散热等方面进行考虑,保证触发器以10 kHz的重复频率持续工作,已经应用于100 kV/2 kHz高压脉冲电源、70 kV/10 kHz氢闸流管老练平台、150 kV/1 kHz可调脉宽电晕等离子体驱动源等多个重复频率脉冲功率系统中。     

重复频率脉冲功率系统触发器设计

根据重复频率脉冲功率系统中大功率开关器件氢闸流管的触发原理,针对选用的氢闸流管VE4147的触发要求,设计了直流偏压-150 V、空载电压2 000 V、脉冲电流10 A、脉冲宽度800 ns、重复频率10 kHz的触发器。设计中着重从增强抗干扰能力、降低功耗、改善散热等方面进行考虑,保证触发器以10 kHz的重复频率持续工作,已经应用于100 kV/2 kHz高压脉冲电源、70 kV/10 kHz氢闸流管老练平台、150 kV/1 kHz可调脉宽电晕等离子体驱动源等多个重复频率脉冲功率系统中。     

基于PFN-Marx技术的紧凑型重频脉冲功率源

针对低磁场相对论磁控管高功率微波器件实验驱动需求,对基于脉冲形成网络（PFN）储能的高功率脉冲产生技术进行了研究。为了使其结构紧凑且具有较好的输出脉冲波形,设计了半环形PFN脉冲形成单元,两个半环形带状PFN与一体化开关、绝缘盘组成圆环形高压脉冲产生模块。PFN脉冲形成单元由13个陶瓷电容与半环形金属电极板构成,多个高压脉冲产生模块同轴层叠,所有开关导通后各模块PFN串联放电,产生快前沿高功率方波脉冲,再通过对触发开关和充电电源的同步控制实现重频工作。采用电磁仿真软件对PFN物理结构进行优化设计,研制的高压脉冲产生模块充电51 kV在负载8.5?上输出电压峰值49.6 kV、脉冲半高宽108 ns、脉冲前沿14 ns、平顶（90%～90%） 74 ns,具有较好的方波特性;11个高压脉冲产生模块层叠集成为1个22级紧凑PFN-Marx装置,在充电51 kV的条件下,84?负载上获得峰值516 kV的高电压脉冲输出,半高宽104 ns、平顶63 ns、脉冲前沿11 ns,实现了20 Hz连续15 s重频稳定工作,输出波形完全一致。     

太赫兹器件测试用高重复频率高压脉冲电源

为了开展太赫兹器件试验研究,设计了高重复频率脉冲电源系统。电源输出脉冲电压30 kV,脉冲电流200 mA,最大重复频率3 kHz,脉冲宽度10~100 μs,采用本地PLC加远程计算机控制模式来实现电源的本控及遥控。对系统的核心部件：充电电源和脉冲开关的拓扑结构进行了研究,并开展了仿真和试验。结果表明：采用LC串联谐振恒流充电技术以提高充电电源工作效率以及在负载打火情况下的可靠性;基于MOSFET并进行优化设计的串联脉冲开关可以获得快速的脉冲前后沿。电源系统的输出指标满足负载工作要求,在高重复频率、打火条件下能够稳定工作。     

电感储能型脉冲形成线高重复频率脉冲功率发生器

利用传输线中的电感单元和电压叠加的方式来获得纳秒(ns)级矩形高压脉冲是一种全新的思路。描述了这种发生器的基本原理,并利用同轴电缆和MOSFET开关制作了两种原型脉冲发生器(单线型和双线型)来论证此方案的可行性,并进行了初步实验验证,在四模块叠加的情况下,分别实现了4 kV/20 A,20 ns和2 kV/40A,20 ns的短脉冲。实验结果表明,电感型脉冲形成线电压叠加器是一种有潜力的紧凑型高压脉冲发生器。     

MHz重复频率固体调制器实验研究

 能产生短脉冲、快上升沿、快下降沿、大电流、能工作在MHz重复频率的固体调制器是脉冲功率技术的一个重要发展方向。介绍了功率MOSFET器件组成的固体调制器的原理以及实验结果,该调制器由多个固体开关模块组成,每个固体开关模块由6个并联的MOSFET开关组成以增大输出电流。固体开关模块采用感应叠加的方式得到高的输出电压。设计的调制器有很快的上升时间与下降时间,其输出脉冲宽度可调并且可以工作在2.5 MHz的重复频率下。在51 Ω的纯电阻负载下,由9个叠加模块组成的调制器可以输出6.2 kV的脉冲电压,脉冲前沿为20 ns。     

MHz重复频率固体调制器实验研究

能产生短脉冲、快上升沿、快下降沿、大电流、能工作在MHz重复频率的固体调制器是脉冲功率技术的一个重要发展方向。介绍了功率MOSFET器件组成的固体调制器的原理以及实验结果,该调制器由多个固体开关模块组成,每个固体开关模块由6个并联的MOSFET开关组成以增大输出电流。固体开关模块采用感应叠加的方式得到高的输出电压。设计的调制器有很快的上升时间与下降时间,其输出脉冲宽度可调并且可以工作在2.5 MHz的重复频率下。在51 Ω的纯电阻负载下,由9个叠加模块组成的调制器可以输出6.2 kV的脉冲电压,脉冲前沿为20 ns。     

高重复频率脉冲功率技术及其应用:（1） 概述

从实际应用的角度出发,概括性地描述了高重复频率脉冲功率的主要技术特点,如工作次数多、脉冲间隔时间短和平均输出功率高等。通过介绍高平均功率准分子激光、常压脉冲气体放电、感应式回旋加速器等有代表性应用实例,论述了高重复频率脉冲功率技术的学术意义。高重复频率脉冲功率技术将进一步完善脉冲压缩理论和电路设计方法,从而在短脉冲和波形控制等方面取得进展,同时高重复频率脉冲功率发生器将进一步趋向多样化和极限化。高重复频率脉冲功率技术的发展与脉冲功率器件性能的持续提高之间相互促进,会不断将高重复频率脉冲功率技术的成果带向工业生产和日常生活。     

250 kV，1 MHz重复率方波三脉冲源

阐述了一种新的实现高功率高重复率方波脉冲源的技术途径,利用高压快恢复整流硅堆把三个独立的方波脉冲合成为一个MHz重复率的方波三脉冲。通过合理的串并联设计,可以提高硅堆在高频脉冲下的反向耐压,并使硅堆通过的正向脉冲电流达到kA量级。方波三脉冲源输出指标达到了电压250 kV,脉冲电流10 kA,峰值功率2.5 GW,重复率1 MHz,脉冲上升时间约40 ns,脉冲平顶宽度50 ns。     

测量强光一号负载电压的电容分压器

以“强光一号”加速器为例,给出了一种可以对其阴阳极间负载电压进行直接测量的自积分式电容分压器。介绍了自积分式电容分压器的结构,并通过静电场模拟分析了该分压器结构并不会对阴阳极间隙电场造成明显影响,在此基础上利用方波电压源对其进行了响应实验从而获得其频率响应,并对电容分压器的分压比进行了在线标定,最终给出了利用该自积分式电容分压器测量短路状态时阴阳极间隙电压测量结果。     

基于固态器件的高重频脉冲功率技术

从电磁能量形态的相似性观点出发,探讨了基于固态开关器件的脉冲产生方法。针对小型化高重频脉冲功率发生器的需求,提倡采用电感储能型脉冲形成线和可饱和电容器的脉冲压缩方法,并进行了简单的实验验证。实验结果初步证实了这些脉冲产生方法的可行性,并通过与传统脉冲产生方法的比较,揭示了新方法的技术特征和适用范围。     

高频脉冲功率源初级单元的设计

针对半导体断路开关型、数十kHz高频脉冲功率源设计了初级单元。该单元在低频电路的基础上进行了改进和优化,放电主开关采用IGBT串并联组件,解决了同步触发问题,增加了过流保护系统,设计了高频脉冲触发器。研究发现,初级单元的放电电容放电后有残余电压存在,这会降低脉冲功率源的输出稳定性。该初级电路加强了高频率脉冲功率源的稳定性和可靠性,成功应用于数十kHz高频脉冲功率源。从波形上看,初级充电电源工作电压约为1 kV,放电电流约1.5 kA,在10 kHz条件下可以稳定工作。     

MHz 高压脉冲电源设计

设计了一款基于金属氧化物半导体场效应晶体管(MOSFET)开关的高压高频脉冲发生器,采用多个以光纤信号隔离触发的串联MOSFET作为高压开关,并由FPGA提供控制信号。该发生器由相同的MOSFET管部分组成,并联并按顺序触发,与参考信号同步。所述电路和工作模式克服了MOSFET管发生器的功耗限制,使脉冲重复率显著提高。详细介绍了该MHz高压脉冲发生器的工作原理和制作过程,然后进行了初步试验,验证了该发生器的性能。该电路在1 MHz的高重复率下,输出上升时间为十几ns、脉宽为百ns、电压幅值大于1 kV的平顶脉冲。     

高重复频率脉冲功率技术及其应用：（1） 概述

从实际应用的角度出发,概括性地描述了高重复频率脉冲功率的主要技术特点,如工作次数多、脉冲间隔时间短和平均输出功率高等。通过介绍高平均功率准分子激光、常压脉冲气体放电、感应式回旋加速器等有代表性应用实例,论述了高重复频率脉冲功率技术的学术意义。高重复频率脉冲功率技术将进一步完善脉冲压缩理论和电路设计方法,从而在短脉冲和波形控制等方面取得进展,同时高重复频率脉冲功率发生器将进一步趋向多样化和极限化。高重复频率脉冲功率技术的发展与脉冲功率器件性能的持续提高之间相互促进,会不断将高重复频率脉冲功率技术的成果带向工业生产和日常生活。