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。     

20 GW紧凑Marx型重复频率脉冲驱动源研制进展

介绍了一种基于电触发技术的重复频率脉冲驱动源,其突破了双电容结构脉冲成形、紧凑型结构高压产生、大电流条件下重复频率稳定运行等关键技术,采用电路结构最简单的Marx电压叠加技术,解决了Marx在重复频率运行中的技术难点。脉冲功率驱动源设计输出功率20 GW、脉冲宽度180 ns、重复频率1~50 Hz,输出功率和重复频率在一定范围内可调。研制的脉冲功率驱动源体积仅2.5 m3,重量低至2.2 t,脉冲形成单元储能密度高达23 kJm-3,驱动源单次工作状态下输出功率约20 GW;在重复频率30 Hz工作状态下,输出功率16 GW、连续运行时间10 s、系统抖动约6 ns,系统运行稳定可靠。     

低阻抗紧凑型Marx直接驱动高功率微波源北大核心CSCD

研制了一套紧凑型脉冲功率源系统,用于驱动低阻抗磁绝缘线振荡器(MILO)。脉冲功率源采用Marx发生器技术路线,由10级电容和开关组成,单级电容为100nF/100kV电容,开关采用环形轨道气体火花间隙开关,通过紧凑型结构设计,降低系统回路电感,采用电阻作为级间放电的隔离元件,整个Marx发生器系统放置于变压器绝缘油中,以实现高压绝缘。Marx发生器系统充电电压为±50kV,总储能5kJ,在12Ω的水负载上可以获得600kV,50kA的脉冲输出,脉冲上升时间小于100ns。系统尺寸为1.2m×0.5m×0.6m。基于该低阻抗脉冲功率系统,直接驱动低阻抗磁绝缘线振荡器。在二极管电压约450kV,电流约40kA条件下,测得辐射微波功率约400MW,微波脉宽约60ns,微波频率1.23GHz,辐射微波模式为TM01模。     

1MV小型重复频率Marx发生器研制

设计了MV级小型重复频率Marx发生器,简化了发生器充放电回路,减小了能量损失;分析了隔离电感变化时对发生器输出脉冲电压波形的影响,减小了隔离电感体积,提高了隔离有效性;优化了开关腔体结构,实现了间距连续可调,且受外围结构的变化或振动影响,13个开关间隙置于同一垂线上,火花放电时产生的紫外线或射线相互照射,加速了开关导通,减小了Marx发生器输出电压抖动。塑壳电容降压使用,提高了发生器的可靠性;通过Pspice模拟和三维静电场分析,实现了发生器小型化,整个Marx发生器放置在一个密封纯净SF6气体的金属圆筒内,体积小于0.25m3。优化设计和实验研究,发生器在高阻负载上输出峰值1.02MV、前沿约30ns的高压脉冲,发生器储能290J,电压幅度抖动约10%,前沿抖动小于10ns,可实现重复频率20Hz稳定运行。     

1 MV小型重复频率Marx发生器研制

设计了MV级小型重复频率Marx发生器,简化了发生器充放电回路,减小了能量损失;分析了隔离电感变化时对发生器输出脉冲电压波形的影响,减小了隔离电感体积,提高了隔离有效性;优化了开关腔体结构,实现了间距连续可调,且受外围结构的变化或振动影响,13个开关间隙置于同一垂线上,火花放电时产生的紫外线或射线相互照射,加速了开关导通,减小了Marx发生器输出电压抖动。塑壳电容降压使用,提高了发生器的可靠性;通过Pspice模拟和三维静电场分析,实现了发生器小型化,整个Marx发生器放置在一个密封纯净SF6气体的金属圆筒内,体积小于0.25 m3。优化设计和实验研究,发生器在高阻负载上输出峰值1.02 MV、前沿约30 ns的高压脉冲,发生器储能290 J,电压幅度抖动约10%,前沿抖动小于10 ns,可实现重复频率20 Hz稳定运行。     

200 kV重复频率Marx发生器研制

针对脉冲功率系统开关触发需求, 设计了一种重复频率Marx发生器,介绍了其基本工作原理及其主要性能指标。发生器采用单极性充电和同轴结构设计,脉冲输出为高压电缆形式,在75 Ω匹配负载上获得了高于200 kV的脉冲输出,脉冲宽度大于90 ns,工作模式可单次到10 Hz重复频率运行,脉冲上升时间小于10 ns,系统抖动小于20.1 ns。     

紧凑型重复频率快前沿Marx发生器研究北大核心CSCD

设计一种紧凑型重复频率快前沿Marx发生器,采用3.3nF陶瓷电容器作为储能电容,螺旋形空芯电感作为充电电感,通过各级气体火花开关迅速放电在负载上建立了陡化前沿的输出电压波形。将电容器、气体开关、充电及隔离电感设计为同轴一体化结构,整个Marx发生器放置在一个密封的金属圆筒内,通过充氮气或者六氟化硫气体来绝缘。在考虑开关电极分散电容、回路电感等因素基础上,利用自击穿火花开关模型建立了等效放电电路模型,并利用PSpice电路模拟软件进行了数值模拟。在理论分析的基础上,通过优化电路结构,完成了12级Marx发生器的设计与研制。在50Ω电阻负载上获得了电压150kV、脉宽30ns、上升时间10ns的脉冲波形,Marx发生器可60Hz重复频率运行,与模拟结果基本一致。     

14级紧凑型重复频率Marx发生器研制

Marx发生器作为高功率微波辐射系统的驱动源,较易实现高输出峰值电压、结构紧凑、体积小,在系统小型化研究方面占据优势。介绍了紧凑型重复频率Marx发生器的结构特点,通过理论分析和实验研究,研制1台14级重复频率Marx发生器。采用正负双边恒流充电及全电感隔离,减小了能量损失,提高了Marx发生器工作重复频率。采用火花间隙开关和Marx绝缘一体设计,省略电容充电对地回路,使整个系统结构更加紧凑、简便,整个Marx发生器被放置在一个密封的金属圆筒内,圆筒内充SF6气体进行高压绝缘。通过调试,Marx发生器实现稳定、重复频率工作,充0.16 MPa的SF6时,输出电压约为475 kV,脉冲前沿约为20 ns,可以在重复频率1~20 Hz下稳定运行。     

全电感隔离型重复频率Marx发生器

介绍了发生器的结构特点,采用有限元数值方法对开关腔体内静电场进行了3维模拟计算,通过理论分析和实验研究,研制了1台12级重复频率Marx发生器,该发生器采用正负双边恒流充电方式及全电感隔离,其主要元器件间基本呈无感排列,结构简单、紧凑。实验结果显示：发生器输出电压为532 kV,脉冲前沿约40 ns,建立时间约32 ns;开关腔内充纯净SF6气体,可以在重复频率1~50 Hz下稳定运行。     

全电感隔离型重复频率Marx发生器

 介绍了发生器的结构特点,采用有限元数值方法对开关腔体内静电场进行了3维模拟计算,通过理论分析和实验研究,研制了1台12级重复频率Marx发生器,该发生器采用正负双边恒流充电方式及全电感隔离,其主要元器件间基本呈无感排列,结构简单、紧凑。实验结果显示：发生器输出电压为532 kV,脉冲前沿约40 ns,建立时间约32 ns;开关腔内充纯净SF6气体,可以在重复频率1~50 Hz下稳定运行。     

模块化低阻抗紧凑型Marx发生器

设计的10级低阻抗紧凑型Marx发生器整体体积约0.12 m3,输出功率为30 GW,脉宽200 ns。该发生器采用正负充电,触发开关为三电极场畸变开关,其余开关采用过压自击穿开关;经优化设计,自击穿开关高33 mm、电感13.1 nH,触发开关高42 mm、电感15.2 nH。电容正负电极片与开关电极采用挤压连接,电极片间绝缘材料为聚丙烯薄膜,薄膜共100层,总厚度2 mm,耐受电压大于100 kV;Maxwell模拟表明:此种连接方式可将每个电极连接片电感降低到4.16 nH。Pspice电路模拟和实验均表明:电容器充电100 kV条件下,12 负载上可获得电压高于600 kV、峰值电流大于50 kA的输出。     

模块化低阻抗紧凑型Marx发生器

设计的10级低阻抗紧凑型Marx发生器整体体积约0.12 m3,输出功率为30 GW,脉宽200 ns。该发生器采用正负充电,触发开关为三电极场畸变开关,其余开关采用过压自击穿开关;经优化设计,自击穿开关高33 mm、电感13.1 nH,触发开关高42 mm、电感15.2 nH。电容正负电极片与开关电极采用挤压连接,电极片间绝缘材料为聚丙烯薄膜,薄膜共100层,总厚度2 mm,耐受电压大于100 kV;Maxwell模拟表明：此种连接方式可将每个电极连接片电感降低到4.16 nH。Pspice电路模拟和实验均表明：电容器充电100 kV条件下,12 负载上可获得电压高于600 kV、峰值电流大于50 kA的输出。     

紧凑型X箍缩脉冲功率发生器

为研究丝阵负载对X箍缩的影响,设计了一台紧凑型脉冲功率发生器。介绍了该脉冲功率发生器的设计及初步实验。根据装置的结构特点,研制了一种利用金属膜连接传输线外筒与负载内筒,构成回路测量负载电流的探头。结果表明:在对Marx电容器充电60 kV时,输出电流峰值117 kA,脉宽 60 ns,上升沿22 ns,该装置已经成功箍缩出X射线。     

百千伏紧凑型Marx发生器的研制

研制了一种百千伏紧凑型Marx发生器,介绍了紧凑型Marx发生器的工作原理和设计原则。依据设计原则采取单边充电,陶瓷电容作为储能元件,开关和绝缘腔体一体化设计,功能模块化等措施使得Marx发生器结构紧凑。该发生器前级部分集成了触发、充电和气路控制模块,只需提供气源和市电即可实现可靠工作;该发生器输出电压范围为15~100 kV,通过不同的负载转接结构已用于高压触发装置和电磁脉冲模拟装置脉冲源等应用。     

紧凑型可重复运行的高功率纳秒脉冲源

 讨论了一种低阻抗、高储能密度、可输出中等高压的百ns脉冲形成技术,其输出波形质量较好;采用磁感应电压叠加技术将该脉冲形成装置输出的中等高压脉冲叠加到应用需求的高电压高功率脉冲。研究表明单个感应模块可在2.8 Ω的负载上获得脉冲宽度为220 ns,前沿为50 ns的中等高压脉冲。     

高功率紧凑型重频快Marx脉冲驱动源

基于快Marx发生器技术路线,研制了一套具有高功率密度的低阻抗紧凑型重频脉冲驱动源。采用18级Marx发生器电路结构,每级由1只60 nF/100 kV脉冲电容器、1个气体开关及隔离电感构成,每两级构成一个模块,整体采用SF6气体绝缘,储能密度达到25.7 kJ/m3;采取开放式气体开关,其中两级为触发开关,其余为过电压自击穿开关;触发源采用小型化Marx电路及绝缘胶真空灌封设计。实验中脉冲驱动源单次工作时在约18 阻抗负载上输出电压达到765 kV、脉宽约160 ns、前沿约50 ns,功率密度达到157 GW/m3;受充电电源功率限制,重复频率5 Hz充电70 kV,连续5脉冲输出功率约17 GW,脉冲波形重复性较好。     

150 kV快前沿低抖动Marx发生器研制

研制了一种主要用于脉冲功率系统前级触发用的Marx发生器,介绍了其工作原理和主要参数。该Marx发生器采用单边充电技术路线和同轴紧凑型结构,高压脉冲采用柔性高压同轴电缆输出,在75 匹配负载上获得了超过170 kV的高压脉冲输出,脉冲宽度超过200 ns,在140~160 kV工作区间内其前沿小于3 ns,抖动不超过1.5 ns。该Marx发生器工作范围宽,稳定可靠,很好地满足了高功率脉冲触发系统的要求。     

自触发驱动的全固态Marx发生器

随着全固态高压脉冲发生器在材料改性、生物医学和工业等领域上的广泛应用,全固态脉冲发生器正朝着小型化、智能化和模块化方向发展。为了进一步减小电源的体积、降低成本,提出了一种自触发驱动的正极性全固态Marx发生器的拓扑。只需提供一路隔离信号控制一级放电开关管的导通和关断,通过级间电容对相邻级的放电管门极自动充电和放电,使其依次导通和关断。这种拓扑使得Marx发生器中的多个开关管的驱动电路简单很多,无需提供隔离供电的多路驱动电源,且避免了开关的动态、静态均压问题。基于这种拓扑搭建了一台17级的正极性Marx发生器样机,且电压幅值和脉宽都连续可调,在10 kΩ纯阻性负载上输出10 kV、重复频率100 Hz的正极性高压脉冲,脉冲前沿约为328 ns。样机体积小巧、工作稳定,验证了该方案的可行性。