双路输出超宽谱高功率微波驱动源Tesla变压器

为实现25 GW级双路输出超宽谱高功率微波驱动源的小型化,选择研制了一种与双筒脉冲形成线(Blumlein线)相配一体化的带有开路磁芯的Tesla变压器,作为初级脉冲功率源。进行了Tesla变压器的理论分析,利用简化的磁路模型研究了Tesla变压器初次级线圈电感等电参数的估算方法,给出了Tesla变压器磁芯截面的估算和磁芯制作方法。该Tesla变压器最大输出电压880 kV,充电时间约20 s,耦合系数约0.95,实验结果与理论设计相符。     

可调谐射频磁探针研究

提出了一种利用可调谐变压器提高磁探针灵敏度的方法。可调谐射频变压器采用在原线圈并联可变电容及在副线圈串联可变电容的结构,用平面分立式法拉第屏蔽抑制变压器原、副线圈间寄生的容性耦合。测量结果表明：在采用中心抽头变压器及法拉第屏蔽的情况下,磁探针的容性耦合大幅度降低;当调节并联或串联电容时,磁探针输出电压均出现共振现象;调节并联电容得到的共振输出电压高于调节串联电容时的对应值;在典型条件下,共振输出电压幅值比无可变电容磁探针提高了约一个量级。建立了探针电路模型,计算结果与测量结果符合较好。     

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。     

不闭合磁芯的Tesla变压器初次级线圈电感估算

对具有不闭合磁芯的Tesla变压器磁路进行了研究,计算了Tesla变压器磁路中磁力线分布以及各处磁感应强度分布,结果表明:在磁芯所在位置,磁力线主要集中在磁芯内部; 在内外筒磁芯之间,磁力线主要分布在初次级线圈以外磁芯两端之间的空隙中。实际的Tesla变压器漏磁较小,分析了在没有漏磁的理想情况下Tesla变压器不闭合磁芯对初、次级线圈电感的影响,并给出了初、次级线圈电感的估算公式,利用估计公式得出的结果与实际测量对比,误差范围在15%以内,该公式在Tesla变压器设计和参数估算时不失为一种简便易行的处理方法。     

紧凑型Tesla变压器次级电容的计算

给出了紧凑型Tesla变压器次级电容的近似解析表达式,计算结果表明,紧凑型Tesla变压器的次级电容主要由内外筒之间的电容和次级线圈引入的附加电容组成。附加电容的值约等于一段与次级线圈长度相同的同轴线电容,该同轴线的内外径与变压器内外筒直径相同。建立了一个分析Tesla变压器的电路模型,利用数值方法验证了解析计算方法的正确性。研制了一个小型Tesla变压器,进行了相关实验,实验结果与计算结果一致。     

高电压闭合磁环小型脉冲变压器

 研制了一种结构紧凑、电压升压倍数高达109倍的200 kV级脉冲变压器,以实现高压脉冲变压器的小型紧凑化。用电磁理论分析、电路模拟及实验测试3种方法对变压器的耦合、耐压和输出特性进行了研究, 对重要参数进行了计算和设计。采用晶粒取向硅钢薄带作为变压器磁芯,且磁芯闭合,变压器的有效耦合系数高达0.95以上。高分子材料的绝缘套筒结构和分层交替的绕线方式,使得变压器在初级低压充电2.1 kV时,次级可输出幅度为230 kV、半高全宽为3 μs的高电压脉冲。模拟和实验结果验证了理论设计的合理性。     

磁绝缘传输线电压的初步测量

针对快脉冲直线变压器驱动源装置上的真空磁绝缘传输线（MITL)电压测量的需求,开展了微分型电容分压器和电感分压器的设计、标定和实验。通过不同的电压值、负载阻抗的装置实验中探头输出结果的分析和比较,讨论了测量方法的可行性和适用范围。实验结果表明:微分型电容分压器能够应用于完全磁绝缘状态下的MITL电压测量,但容易受阴极电子发射的影响导致探头输出波形发生畸变。电感分压器受分布电容和电感的影响导致输出信号存在寄生振荡,采用波形重建的方法初步获得了合理的测量结果。     

基于IGBT开关的重复频率直线变压器

 采用3 300 V/1 200 A IGBT开关及直线变压器的电路结构,实现了单模块时在0.57 Ω负载上4.3 kA的脉冲电流输出和模块串联时在2.2 Ω负载上4.6 kV的电压输出,猝发式重复频率达到200Hz。整个系统包括4个3 300 V/1 200 A的IGBT开关器件及相应的驱动模块、缓冲模块、储能电容和磁芯等。实验结果表明：采用线性变压器的电路拓扑结构能够拓展固态IGBT开关的输出能力;直线变压器的电路结构结合固态IGBT开关能够很好地实现重复频率工作。在实验基础上分析了磁芯饱和及复位问题,并提出了一种有效的不采用复位而解决磁芯饱和的方法。     

脉冲变压器磁芯重复频率复位电路的研究

为了提高脉冲变压器磁芯的利用率,需要给脉冲变压器施加退磁电流,使磁芯达到负向饱和点以获得最大的磁感应强度增量。研究了一种工作电压在几十伏的重复频率脉冲复位电路,产生反向脉冲电流,实现磁芯复位。研究了不同复位电容容量和充电电压条件下的磁芯复位效果,发现磁芯复位效果与复位电容所储存的能量具有正相关性。综合考虑脉冲变压器工作的要求,选用较低工作电压和较大复位电容容量的方案。对比分析了有无磁芯复位时硅钢带环形磁芯脉冲变压器的磁化特性,说明了加入复位电路的必要性。试验表明,该复位电路在50 Hz重复频率下可长时间稳定运行。     

基于能量回收原理脉冲变压器复位系统仿真与实验研究北大核心CSCD

为提升脉冲功率系统中脉冲变压器的磁芯利用率,提出了一种基于能量回收原理的脉冲变压器复位系统。根据磁芯磁滞回线分析了基于能量回收原理复位系统在一个周期内磁感应强度的变化过程,推导给出了脉冲变压器励磁电流、复位电容电压在不同阶段的求解公式。建立了基于能量回收原理脉冲变压器复位系统的仿真模型,通过仿真结果验证了复位系统理论分析和求解公式正确性。在此基础上构建了基于脉冲变压器升压及能量回收复位系统的脉冲调制器试验平台,在相同脉冲宽度下对比有复位系统和无复位系统脉冲调制器的励磁电流,结果表明,有复位系统脉冲调制器可有效提高磁芯的利用率。对有复位系统的脉冲调制器进行重频实验,结果表明复位系统可实现1 kHz重频稳定工作。     

基于谐振电路的固态Marx发生器的顶降补偿

在诸如粒子加速器等应用中,要求高压脉冲的电压、电流顶降尽可能低。减小顶降的常用方法是增加储能电容器的容量,但代价是系统的能效较低、体积较大、功率较高。另一种方法是插入一些特殊级来补偿电压顶降。在固态Marx发生器中,当谐振电感和补偿开关串联起来与普通级中的主电容并联时,就得到了补偿级。本文在16级单极性固态Marx发生器中加入了四个基于谐振电路的补偿级,以补偿不同负载、不同脉宽下的电压顶降。在放电过程中,将正弦电压的近线性部分加到负载上作为补偿,实现了几乎无电压顶降的矩形脉冲。不同的补偿级数可以对电压顶降进行不同程度的补偿,补偿效果也是可调的。此外,只要关断谐振管,这些补偿级也可以作为固态Marx发生器中的普通级工作,从而加以利用。由于谐振补偿级中的电容也与Marx电路中的电容并联充电,因此不需要辅助电源充电。实验结果表明,在400 Ω和5 kΩ阻性负载上,2.5 kV和10.5 kV脉冲的电压顶降分别都能得到理想的补偿。为了获得更好的补偿效果,脉冲宽度应小于正弦电压的近线性部分的长度。     

100kA快脉冲直线变压器驱动源模块

介绍了100 kA快脉冲直线变压器驱动源原型模块及其采用的200 kV多级多通道气体开关的设计和初步实验结果。该模块由20台100 kV/20 nF电容器按10个支路并联组成,其中每个支路包括2台电容器、1只多级多通道开关以及相应的传输线。模块直径约1.5 m,厚度仅为20 cm。采用B-dot探针诊断负载电流。当充电电压为±90 kV时,在1.1Ω负载上可得到102.2 kA的峰值电流,上升时间为53.6 ns,脉冲宽度为133 ns。实验结果表明,该快脉冲直线变压器驱动源模块具有较好的快脉冲输出能力。     

非链式HF激光器SF6气体介质放电特性

采用放电图像拍摄和放电波形测量两种方法研究了放电激励HF激光工作介质SF6气体的放电特性。实验结果表明:SF6气体放电可以分为主放电、剩余电压维持和电弧放电3个阶段。主放电阶段为均匀体放电,电容储能大部分在此阶段沉积于放电等离子体中;剩余电压维持阶段无明显放电;在电弧放电阶段激光器以电弧形式消耗剩余储能。通过对放电波形的分析,获得剩余电压及主放电阶段能量沉积效率随充电电压的变化规律。随着充电电压提高,剩余电压下降,沉积效率逐渐提高。沉积效率最大值对应于主放电与电弧放电相接的时刻。     

Flux Capacitors and the Origin of Inertia

The explanation of inertia based on Mach's principle is briefly revisited and an experiment whereby the gravitational origin of inertia can be tested is described. The test consists of detecting a small stationary force with a sensitive force sensor. The force is presumably induced when a periodic transient Mach effect mass fluctuation is driven in high voltage, high energy density capacitors that are subjected to 50 kHz, 1.3 kV amplitude voltage signal, and threaded by an alternating magnetic flux of the same frequency. An effect of the sort predicted is shown to be present in the device tested. It has the expected magnitude and depends on the relative phase of the Mach effect mass fluctuation and the alternating magnetic flux as expected. The observed effect also displays scaling behaviors that are unique to Mach effects. Other tests for spurious signals suggest that the observed effect is real.     

长脉冲能源给脉冲形成线充电过程中的预脉冲现象

 利用简单的理论和电路模拟的方法，分析了爆磁压缩发生器或电容器通过变压器对脉冲形成线充电过程中的预脉冲现象。研究表明由变压器副边电感和脉冲形成线电容构成的回路充电频率和接地电感的大小是影响预脉冲电压幅值的主要因素。由于接地电感的引入带来的高频寄生振荡不会引起预脉冲幅值的变化。在通过变压器对脉冲形成线充电的方案中，由于回路充电频率低，预脉冲电压幅值很小，只有kV量级。在电容器通过变压器为脉冲形成线充电的脉冲功率调制器中，将预脉冲开关去掉进行了实验，并与有预脉冲开关的情况进行了对比，结果发现无预脉冲开关的情况下，不影响二极管的正常工作和产生电子束的质量。     

双极性直线型变压器驱动源的研制

针对双极性脉冲电压介质阻挡放电（DBD）的应用需求,提出了一种基于直线型变压器驱动源（LTD）的全固态双极性纳秒脉冲形成拓扑。脉冲产生期间各开关的驱动电路均可靠共地极大降低了高低压隔离需求,因此与传统单极性LTD一样理论上可实现脉冲子模块的无限制叠加以获得更高电压的双极性脉冲输出。各脉冲子模块上集成数量相等但具有相反电压极性的储能电容,使隔离磁心的励磁电流在不同脉冲极性下正负交变,有效提高了磁心的利用率,不再需要设置专门的磁通复位电路。最后研制了一套模块化紧凑型双极性LTD原理验证样机,可输出脉冲参数为:电压幅值0～±2 kV,脉冲电流80 A,脉冲宽度50～200 ns,所有脉冲参数可通过上位机灵活可调,通过增加LTD子模块数量可获得更高的脉冲电压。     

Comparative study of electrical characteristics for n-type 4H–SiC planar and trench MOS capacitors annealed in ambient NO

The interface properties and electrical characteristics of the n-type 4H-SiC planar and trench metal–oxide–semiconductor(MOS) capacitors are investigated by measuring the capacitance voltage and current voltage. The flat-band voltage and interface state density are evaluated by the quasi-static method. It is not effective on further improving the interface properties annealing at 1250℃ in NO ambient for above 1 h due to the increasing interface shallow and fast states.These shallow states reduce the effective positive fixed charge density in the oxide. For the vertical MOS capacitors on the(1120) and(1100) faces, the interface state density can be reduced by approximately one order of magnitude, in comparison to the result of the planar MOS capacitors on the(0001) face under the same NO annealing condition. In addition, it is found that Fowler–Nordheim tunneling current occurs at an oxide electric field of 7 MV/cm for the planar MOS device.However, Poole–Frenkel conduction current occurs at a lower electric field of 4 MV/cm for the trench MOS capacitor. This is due to the local field crowded at the trench corner severely causing the electrons to be early captured at or emitted from the SiO_2/Si C interface. These results provide a reference for an in-depth understanding of the mobility-limiting factors and long term reliability of the trench and planar SiO_2/Si C interfaces.     

Etch Damage Evaluation in Integrated Ferroelectric Capacitor Side Wall by Piezoresponse Force Microscopy

The etch damage in integrated ferroelectric capacitors side wall fabricated by the typical integrated process (TIP-FeCAP) and the innovated integrated process (IIP-FeCAP) are investigated by piezoresponse force microscopy (PFM). The IIP-FeCAP side wall exhibits fine and clear nanoscale domain images and the same piezoresponse signal as the thin film, and the domains can also be easily switched by an external voltage. In the TIP-FeCAP side wall, owing to the effect of etch damage, the very weak piezoresponse signal and some discrete domains can be observed, and the discrete domains cannot be switched by the applied 9V and -9V dc voltage. The PFM results reflect the etch damage in the integrated ferroelectric capacitors and also suggest that the PFM can be used as an efficacious tools to evaluate the etch damage at nanoscale and spatial variations.     

电压反峰对脉冲电容器寿命特性的影响

以金属化聚丙烯膜电容器电压反峰为研究对象,探讨了脉冲电流对电容器寿命的影响机制,通过对电容器在不同电压反峰系数下进行寿命测试,研究了电压反峰系数与电容器寿命之间的关系。研究结果表明:当电压反峰系数在10%~65%时,电容器寿命成指数下降。基于试验结果,通过统计分析的方法,拟合出寿命随电压反峰系数变化的经验公式,可以用来预测不同反峰系数下金属化聚丙烯膜电容器的寿命特性。     

单开关调制的PFN型层叠Blumlein线发生器

采用平板线加载的陶瓷电容型脉冲形成网络（PFN）构成了单开关调制的层叠Blumlein线发生器。采用传输线理论对短路寄生传输线的短路特性进行了理论分析,结果表明,短路寄生传输线的阻抗可以等效为耦合电感在主传输线的放电频率下产生的感抗。Pspice软件模拟表明,层叠线Blumlein线的电压叠加效率随耦合电感增加而增加。提出了一种磁环增感方法,在4级层叠Blumlein线上实现了3.1倍的脉冲电压叠加。