脉冲功率装置的脉冲形成单元研究

介绍了所研制的脉冲功率装置的组成、脉冲形成单元的设计以及脉冲形成单元实验研究结果。研究了包含脉冲形成线的绝缘设计校验、装置的脉冲形成单元的抖动及其与主同步开关击穿延迟时间的抖动和脉冲输出开关的抖动的关系。实验结果表明：在3.6 MV脉冲电压作用下,脉冲形成线的前后尼龙隔板未出现表面闪络等绝缘问题,脉冲形成线的绝缘满足设计要求。主同步开关的抖动1.6 ns,脉冲输出开关的抖动小于3.1 ns,脉冲形成单元的整体抖动小于3.0 ns,满足装置同步性能要求。     

脉冲功率装置的脉冲形成单元

为了建造多路同步输出的脉冲功率装置，研制了单路验证性样机。该样机的脉冲形成系统包括主同步开关、脉冲形成线和脉冲输出开关。研究包含脉冲形成线的绝缘设计校验，装置脉冲形成单元的抖动及其与主同步开关击穿延迟时间的抖动和脉冲输出开关抖动的关系。     

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。     

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50 水电阻负载上获得了400 kV,100 ns的高压输出;20级结构在50 水电阻负载上获得了500 kV,70 ns的高压输出。     

半导体脉冲功率开关的最新进展

简述了脉冲功率开关的发展及国内外脉冲功率晶闸管产品的现状,并详细介绍了国内的脉冲功率开关产品及其特点。阐述了脉冲功率晶闸管组件产品的设计与应用,以及半导体脉冲功率开关的测试试验平台。简要介绍了脉冲功率晶闸管及其组件在工程应用中的同步驱动、感应取能和串联均压等关键技术,并简述了脉冲功率晶闸管组件的工程应用实际效果。阐述了半导体脉冲功率开关及其测试试验平台的发展方向。     

半导体脉冲功率开关的最新进展

简述了脉冲功率开关的发展及国内外脉冲功率晶闸管产品的现状,并详细介绍了国内的脉冲功率开关产品及其特点。阐述了脉冲功率晶闸管组件产品的设计与应用,以及半导体脉冲功率开关的测试试验平台。简要介绍了脉冲功率晶闸管及其组件在工程应用中的同步驱动、感应取能和串联均压等关键技术,并简述了脉冲功率晶闸管组件的工程应用实际效果。阐述了半导体脉冲功率开关及其测试试验平台的发展方向。     

螺旋脉冲形成线实验研究

设计了一种用于长脉冲功率源研究的Blumlein型螺旋脉冲形成线。该形成线主要是将铜带绕在绝缘衬筒上形成螺旋形结构,以蓖麻油为介质,匝数为3.5匝每m,充电时间为1 μs,负载为电子束二极管。给出了形成线参数的理论计算公式以及实验研究结果。在300 kV脉冲功率源上得到的脉冲延迟为200 ns,特征阻抗约100 Ω,形成的脉冲半高宽为180 ns,前沿15 ns,平顶宽度150 ns。实验证明该螺旋脉冲形成线结构能够有效地延长形成脉冲的宽度。最后分析了开关电感、充电时间以及螺旋形结构对形成线输出脉冲前沿及平顶畸变的影响。结果表明：较小的主开关电感是形成较陡的脉冲前沿的关键,获得好的脉冲波形应选择适当的充电周期,螺旋形结构容易导致色散产生,需要选取适当的螺旋角。     

PTS装置脉冲输出开关

出于开关性能参数和结构要求考虑,PTS装置脉冲输出开关设计为3对自击穿电极间隙的水介质开关,间隙结构采用板-球间隙的同轴-三平板结构。选择水介质自击穿开关作为研究对象,进行了1.5 MV同轴结构开关研究,并在此基础上开展了4 MV同轴-三平板结构开关研究。开关实验达到的技术指标为：自击穿电压3.5 MV,导通电流500 kA,电感65 nH,自击穿时间分散性极差4.0 ns（1.3 ns均方根值）。     

螺旋脉冲形成线实验研究

 设计了一种用于长脉冲功率源研究的Blumlein型螺旋脉冲形成线。该形成线主要是将铜带绕在绝缘衬筒上形成螺旋形结构,以蓖麻油为介质,匝数为3.5匝每m,充电时间为1 μs,负载为电子束二极管。给出了形成线参数的理论计算公式以及实验研究结果。在300 kV脉冲功率源上得到的脉冲延迟为200 ns,特征阻抗约100 Ω,形成的脉冲半高宽为180 ns,前沿15 ns,平顶宽度150 ns。实验证明该螺旋脉冲形成线结构能够有效地延长形成脉冲的宽度。最后分析了开关电感、充电时间以及螺旋形结构对形成线输出脉冲前沿及平顶畸变的影响。结果表明：较小的主开关电感是形成较陡的脉冲前沿的关键,获得好的脉冲波形应选择适当的充电周期,螺旋形结构容易导致色散产生,需要选取适当的螺旋角。     

GW级纳秒脉冲源激光触发同步实验

结合GW级纳秒脉冲源建立了实验平台,研究了激光触发开关的延迟时间及其抖动与激光能量、工作电压、激光波长、透镜焦距等参数的关系。结果表明：开关延迟与抖动随激光脉冲能量的上升、工作电压的上升而逐渐减小;采用紫外光得到的开关延迟与抖动小于相同条件下红外光得到的结果;在高气压小间隙开关条件下,采用小的透镜焦距可以得到更小的开关延迟与抖动。开关在自击穿电压220 kV、欠压比为80%、采用7 mJ,266 nm 波长激光时的抖动为0.3 ns,在此条件下进行了两台脉冲源的同步实验,得到其同步偏差85%置信率小于0.3 ns。     

同轴-三平板型水介质自击穿开关设计

 在1 MV水介质自击穿开关降压实验的基础上，设计了用于脉冲功率装置的水介质输出开关，设计的最高运行电压为4 MV，放电电流600 kA。4 MW水介质自击穿开关为同轴-三平板结构，由输入输出电极、预脉冲屏蔽板和连接部件组成。在结构设计中拟使用电流线圈测量每个通道的放电电流，用开关前后传输线上靠近开关端的D-dot测量开关的输入输出电压。对开关间隙进行了2维和3维静电场分析，结果发现二者差别较大，3维静电场分析应该更接近实际电场分布。     

具有预脉冲屏蔽板的水介质自击穿开关的电路模拟

 介绍了具有预脉冲屏蔽板的水介质脉冲形成开关的结构和等效电路模型，给出模型中等效参数的计算方法。使用Pspice软件对该模型进行了电路模拟，着重分析预脉冲屏蔽板结构对输入、输出脉冲的影响，同时分析了开关电感和电极间隙电容对电压波形的作用。模拟结果表明，开关输入、输出端的对地电容对电压波形影响很大，开关电感和电极间隙电容的影响相对较小。对比“闪光二号”加速器上进行的水介质自击穿开关实验波形和模拟波形，说明在一定范围内等效模型是可以采用的。设计开关结构时，应先合理调整屏蔽板的位置以确定其对地电容，尽量兼顾减小开关电容和电感，屏蔽板开孔大小需选取适当。     

同轴-三平板型水介质自击穿开关设计

在1 MV水介质自击穿开关降压实验的基础上,设计了用于脉冲功率装置的水介质输出开关,设计的最高运行电压为4 MV,放电电流600 kA。4 MW水介质自击穿开关为同轴-三平板结构,由输入输出电极、预脉冲屏蔽板和连接部件组成。在结构设计中拟使用电流线圈测量每个通道的放电电流,用开关前后传输线上靠近开关端的D-dot测量开关的输入输出电压。对开关间隙进行了2维和3维静电场分析,结果发现二者差别较大,3维静电场分析应该更接近实际电场分布。     

固态高压脉冲形成线研究

为了实现高压脉冲形成线小型化,开展了平板固态脉冲形成线研究。实验研究了两种作为储能介质的固态材料的高压体击穿特性、沿面闪络特性和频率响应特性,一种是特种复合材料,其相对介电常数在50～250之间,另一种是功能陶瓷,其相对介电常数在200～1 000之间。在此基础上,研制了两种平板固态脉冲形成线。特种复合介质固态脉冲形成线试验电压为3 kV左右,输出电压脉冲半高全宽（FWHM）可以达到58 ns;功能陶瓷介质固态脉冲形成线的试验充电电压超过120 kV,输出电压脉冲半高全宽为92 ns。     

固态高压脉冲形成线研究

 为了实现高压脉冲形成线小型化,开展了平板固态脉冲形成线研究。实验研究了两种作为储能介质的固态材料的高压体击穿特性、沿面闪络特性和频率响应特性,一种是特种复合材料,其相对介电常数在50～250之间,另一种是功能陶瓷,其相对介电常数在200～1 000之间。在此基础上,研制了两种平板固态脉冲形成线。特种复合介质固态脉冲形成线试验电压为3 kV左右,输出电压脉冲半高全宽（FWHM）可以达到58 ns;功能陶瓷介质固态脉冲形成线的试验充电电压超过120 kV,输出电压脉冲半高全宽为92 ns。     

聚酯薄膜复合材料带状脉冲形成线传输介质

介绍了一种电气绝缘柔软复合材料——DMD膜,通过对膜结构的分析,设计了一种串联等效电路模型对其进行分析。运用该模型,对DMD膜在浸渍前和浸渍后两种情况下的介电常数和介电强度进行了求解并给出计算公式。从公式可以看出:DMD膜的介电常数在浸渍前后有明显的变化,浸渍后的介电常数得到了显著的提高,并且变化率较小;浸渍后DMD膜的介电强度高于未浸渍DMD膜的介电强度。当浸渍料介电常数愈大,聚酯材料上承受的电场强度愈大,浸渍料上承受的电场强度愈小,由于聚酯材料的耐压强度很高,所以整个传输线的介电强度得到提高。     

螺旋Blumlein脉冲形成线的放电分析

利用拉普拉斯方法严格求解双电报方程,得到了内外线传输时间不相同的螺旋Blumlein脉冲形成线在纯电阻负载上输出电压波形的解析表达式,分析并讨论了螺旋Blumlein脉冲形成线内线传输时间等于外线、小于外线和大于外线等3种情况下输出电压的特点,同时与波过程分析方法进行了比较,结果完全一致。研究结果表明,对于内外线非等传输时间的螺旋Blumlein脉冲形成线,与传统Blumlein脉冲形成线相比,具有其显著的特点。     

基于磁开关和带状线的长脉冲超低阻抗脉冲发生器(英文)

设计了一台基于磁开关和带状线的超低阻抗长脉冲脉冲发生器。设计输出脉冲电压20kV,电流40kA,脉宽230ns,由初级储能系统、脉冲变压器、磁开关、带状脉冲形成线、轨道开关和负载组成。脉冲发生器的关键设备是40kV级磁开关,它能将40kV,10μs的脉冲压缩为40kV,2μs的脉冲;超低阻抗卷绕型带状脉冲形成线,其特性阻抗0.5Ω,电长度115ns,由铜带和聚酯薄膜卷绕而成,为全固态化脉冲形成线。在大功率匹配负载上得到了电压17.8kV,电流35.6kA,脉宽约270ns的准方波脉冲。实验结果与理论计算及数值模拟结果基本一致。     

基于磁开关和带状线的长脉冲超低阻抗脉冲发生器

设计了一台基于磁开关和带状线的超低阻抗长脉冲脉冲发生器。设计输出脉冲电压20 kV,电流40 kA,脉宽230 ns,由初级储能系统、脉冲变压器、磁开关、带状脉冲形成线、轨道开关和负载组成。脉冲发生器的关键设备是40 kV级磁开关,它能将40 kV, 10 μs的脉冲压缩为40 kV, 2 μs的脉冲;超低阻抗卷绕型带状脉冲形成线,其特性阻抗0.5 Ω,电长度115 ns,由铜带和聚酯薄膜卷绕而成,为全固态化脉冲形成线。在大功率匹配负载上得到了电压17.8 kV,电流35.6 kA,脉宽约270 ns的准方波脉冲。实验结果与理论计算及数值模拟结果基本一致。