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。     

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。     

磁芯伏秒数对直线变压器驱动源输出参数的影响

 介绍了直线变压器驱动源（LTD）中磁芯的工作原理,通过模拟计算分析了磁芯伏秒数对LTD输出参数的影响。通过调整磁芯伏秒数、磁芯复位状态和负载阻值等实验条件进行了一系列实验。实验结果表明：判断磁芯饱和的依据主要有输出电压显著降低、输出脉冲脉宽减小及回路过阻尼状态下出现反向脉冲等;反向电流对磁芯具有复位效应,一定条件下可将磁芯完全复位。实验结果验证了理论分析及模拟计算的结果。根据对实验结果的分析,提出了针对不同应用领域利用磁芯饱和效应进行波形调节的初步设想。     

单级磁脉冲压缩系统实验研究

 基于没有附加磁芯复位电路的磁脉冲压缩网络,设计研制了单级磁脉冲压缩系统;介绍了系统电路的工作情况,通过计算给出了系统关键元件的参数;应用Pspice仿真分析软件对系统电路进行仿真,仿真结果显示,负载为500 W时,饱和变压器和磁开关的磁芯所需饱和时间分别为6 ms和500 ns。实验结果表明:系统接200 W负载时,输出脉冲幅值约18.5 kV,下降时间约40 ns,脉冲宽度约70 ns,最高重复频率可达500 Hz;引入高压快速恢复二极管替代续流电感,不仅有效抑制了负载预脉冲,而且输出脉冲尾部的振荡幅值与持续时间都显著减小。     

基于DSRD的高重频固态脉冲源的研制

介绍了一种基于新型高功率超高速半导体断路开关—漂移阶跃恢复二极管(DSRD)和可饱和脉冲变压器的高电压高重频超高速全固态脉冲源。设计了脉冲源的电路拓扑结构,理论上分析了脉冲源电路的工作原理,研究获得了可饱和脉冲变压器匝数、磁芯截面积及负载阻抗等参数对脉冲源输出特性的影响的规律。实验结果表明:脉冲源在50 kΩ阻性负载条件下,输出脉冲峰值电压约38.2 kV,脉冲前沿约7.1 ns,脉冲宽度约14.1 ns,输出峰值功率约29.2 kW,可在400 kHz重复频率下稳定工作。     

全固态Marx脉冲调制器设计

固态Marx脉冲调制器是基于IGBT固态器件根据Marx发生器的原理设计的脉冲调制器,即阵列堆叠的多个单元模块把并联充电的电容串联起来向负载放电.固态Marx脉冲调制器的设计摒弃了传统高压脉冲调制器中的脉冲变压器、脉冲形成线和重氢闸流管,基于IGBT固态器件的模块化设计和冗余设计,提高运行可靠性和效率,降低建造成本和系统体积.介绍固态Marx脉冲调制器的设计和关键技术的解决方法,并给出仿真结果.     

应用于PFN-Marx发生器重频充电的紧凑空心脉冲变压器

通过理论分析研究了一种高能量转换效率(高于50%)的紧凑重频空心脉冲变压器。这种脉冲变压器可以应用于PFN-Marx发生器的重频充电。通过深入分析脉冲变压器的等效模型,得到了脉冲变压器能量转换效率、次级电压峰值、初级电流峰值以及初级电流变化率最大值的表达式,并与Pspice软件的模拟结果进行比较。结果表明:理论计算的电压、电流波形与模拟计算结果基本一致,验证了理论分析的正确性。同时,通过理论分析得到了能量效率大于50%的脉冲变压器结构尺寸。     

全固态Marx脉冲调制器设计

固态Marx脉冲调制器是基于IGBT固态器件根据Marx发生器的原理设计的脉冲调制器, 即阵列堆叠的多个单元模块把并联充电的电容串联起来向负载放电. 固态Marx脉冲调制器的设计摒弃了传统高压脉冲调制器中的脉冲变压器、脉冲形成线和重氢闸流管, 基于IGBT固态器件的模块化设计和冗余设计, 提高运行可靠性和效率, 降低建造成本和系统体积. 介绍固态Marx脉冲调制器的设计和关键技术的解决方法, 并给出仿真结果.     

基于超导脉冲变压器的连续脉冲电源模块化研究

为了探索连续电磁发射用电感储能连续脉冲电源,首先对基于单模块高温超导脉冲变压器的连续脉冲电源电路及其实验验证结果进行了分析,然后在单模块的基础上设计了多模块的电路拓扑和多模块超导脉冲变压器线圈模型,最后利用多模块脉冲电源的设计参数,进行了连续脉冲成形仿真。通过构建3组环形结构,每组12个模块的高温超导脉冲变压器,在0.1Hz的固定工作频率下,系统总储能5.7MJ,负载电流脉冲峰值可达640k A,放电结束后原边电感回收的剩余能量占总储能的44.4%。仿真结果证明了脉冲电源模块化方案的可行性,在放电结束后的系统剩余能量能够有效回收利用,不过断路开关电压仍然较大,需要较多的断路开关串联使用。     

多脉冲直线感应加速器外接复位系统

基于硅堆隔离网络的多脉冲直线感应加速器(LIA)需要外接独立的复位系统,以满足其加速腔磁芯在主脉冲励磁前的复位需求。介绍了猝发三脉冲LIA外接复位系统的工作原理、电路参数以及具体的电路设计,并针对大型LIA感应腔数量众多、运行时电磁环境复杂的特点,介绍了复位系统在工程实施中的主要技术难点和最终布局。该复位系统解决了磁芯在励磁和复位这两种高压模式间的切换问题,实现了10~20kV可调复位电压的稳定输出,建立了在复杂电磁环境下可稳定运行的远程监控系统,确保了三脉冲LIA的92个加速腔能够在主脉冲励磁前稳定、快速、充分的复位。     

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。     

基于磁开关的全固态、高功率、长脉冲发生器的初步研究

大多数电容储能型脉冲功率装置的共同特点是采用了气体开关, 由于气体绝缘恢复的限制和电极的烧蚀, 使得其重复频率都不太高, 而且寿命有限. 而目前广泛研究的磁脉冲压缩技术在脉冲功率系统的长寿命、高平均功率和高重复频率运行方面具有很大的应用前景. 通过对BOOST电路、LC谐振电路和磁脉冲压缩电路详细的理论分析和计算机模拟, 设计了由BOOST电路, LC谐振电路, 脉冲变压器, 磁压缩系统, 负载五大部分组成的脉冲发生器电路系统模型, 使用Pspice软件对系统进行了模拟、优化, 得到了电压幅值为55kV, 脉宽为500ns的输出脉冲.     

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。     

铁基纳米晶磁芯的脉冲磁化特性测量及其在磁开关中的应用

磁开关是重复频率脉冲功率系统可选的工作性能优越的开关器件之一。目前磁开关的仿真模型是基于伏秒积分的宏观特性建立起来的纯电路模型,未考虑磁芯饱和过程中磁芯特性的变化,仿真难以准确预测磁开关负载上的预脉冲,波形的前沿误差也较大。测试获得了快脉冲激励下的铁基纳米晶磁芯磁滞回线和初始磁化曲线,利用磁芯磁滞回线的关键参数,提取了脉冲激励下的磁芯J-A参数,用于定义多物理场中磁开关模型的磁芯特性。针对磁开关脉冲压缩电路,利用多物理场仿真软件COMSOL建立了磁脉冲压缩系统电路与磁开关电磁场的场路耦合仿真模型,计算磁脉冲压缩电路的输出波形,与实验结果对比,预脉冲幅值误差为2%,峰值误差为2%,前沿误差为5%,证明了建立的场路耦合仿真模型的有效性和准确性。     

基于磁隔离驱动的亚微秒高压脉冲电源

为满足不可逆电穿孔对高压纳秒脉冲电源的需求,并且突破电源模块耐压的限制,提出了一款以正极性Marx为主电路、具有ns级前沿的高重复频率的亚微秒高压脉冲电源。该脉冲电源使用光纤传输信号,经过驱动芯片放大信号后,利用磁芯变压器传递驱动信号给MOSFET。磁芯变压器给电路提供了磁隔离,使驱动电路不会受高压输出的影响,提高了电路的耐压水平。驱动电路设计简单,所需元器件较少,可提供负压偏置,使开关管可靠关断,提高电路的抗电磁干扰能力,保障电路稳定运行。此电源由16级电路构成,实验表明:在10 kΩ纯阻性负载上,当输入电压为630 V时,即可得到10 kV的高压输出。其最小脉宽为300 ns,频率1 Hz～10 kHz可调。该脉冲电源结构紧凑,能够做到输出电压、脉宽、频率可调。研究了磁芯材料和匝数对驱动脉宽的影响。结果表明:匝比的增加会影响信号脉宽,在一定的条件下,单匝电感量的差异和磁芯材料的不同对信号脉宽的影响较小。     

全固态电感储能形成线纳秒短脉冲功率调制器北大核心CSCD

全固态电感储能型脉冲形成线调制器是实现高重复频率、电压高增益和短脉冲输出的一种全新方案。但开关非理想的动态特性和传输线固定的物理空间尺寸限制,难以实现高压短脉冲的产生和调控。为解决上述难题,通过电磁场分析建立了碳化硅场效应器件开关驱动模型,发现高速驱动和开关器件低寄生参数能有效改善开关动态特性,提出了板上高速开关及驱动集成设计解决方案。基于波过程分析和多开关时序逻辑控制理论,提出多开关削波电路拓扑方法和主动负载阻抗调制技术。实验结果表明,该调制器可产生上升时间2.1 ns,下降时间3.5 ns,脉冲宽度5.1 ns的方波短脉冲,并且脉冲宽度5~20 ns连续可调。10级叠加后验证了调整器高压能力,初级储能充电电压25 V时,电压增益可达336倍,重复频率200 kHz。     

紧凑Tesla变压器型纳秒脉冲源

采用带有开路磁芯的Tesla变压器与单筒脉冲形成线一体化结构,研制了一台基于Tesla变压器的紧凑GW级纳秒脉冲源,该源包括一个40Ω脉冲形成线、内置Tesla变压器、初级电路及高压吹气主开关等,具有变比高、结构紧凑、能量传输效率高、便于重复频率运行等特点。给出了脉冲形成线、Tesla变压器和主开关等的工作原理、设计方法和模拟计算。实验结果表明,该脉冲源输出电压大于200kV,脉冲宽度约8ns,可以在重复频率100Hz、平均输出功率1GW情况下稳定运行,实验结果与理论设计相符。