高功率重复频率脉冲充电电源设计与实验研究

基于高功率重复频率脉冲功率源的需求,开展了高功率脉冲充电电源的重复频率特性研究,分析了基于全桥串联谐振充电原理的恒流充电技术。根据高功率Marx型脉冲功率源的工作要求,计算了串联谐振充电的各个关键参数。研制的紧凑型高功率脉冲充电电源,最大输出电压±50 kV,充电电流2.5 A,重复频率1~50 Hz连续可调,可在重复频率条件下长时间稳定运行。该充电电源体积小、质量轻、抗干扰能力和抗负载短路能力强,已经应用于高功率重复频率脉冲功率源技术研究,实现了10万次重复频率无故障运行。     

二次升压的重复频率脉冲电源

介绍一种采用脉冲变压器二次升压工作方式实现高电压脉冲输出的设计电路，电路的主要特点是可以对电容负载实现快速充电，通常其充电时间可控制在几百纳秒内。由于在电路中的开关器件为氢闸流管和磁压缩装置，因此系统具有千赫兹的连续重复频率工作能力。目前，以这种方式工作的重复频率脉冲电源系统，脉冲调制过程的能量传输效率大于70％，输出脉冲电压大于600kV，连续重复频率大于100Hz.     

基于半导体断路开关的8 MW,10 kHz脉冲发生器

 功率器件半导体断路开关具有高重复频率工作能力。采用高速绝缘栅双极晶体管组件作为初级充电回路的主开关,建立了一台工作频率为10 kHz的脉冲发生器。脉冲发生器采用磁饱和脉冲变压器、磁开关及高压脉冲电容器组等固态器件进行两级脉冲压缩,产生小于100 ns的电流脉冲,对半导体断路开关进行泵浦,半导体断路开关反向截断泵浦电流在负载上产生高压脉冲输出。实验装置在电阻负载上得到了脉冲输出功率约为8.6 MW,脉冲宽度约10 ns,重复频率10 kHz的高压脉冲输出。     

基于磁开关的重复频率冲击电压发生器

用磁开关取代传统冲击电压发生器的放电球隙,利用磁开关可高重复频率工作和磁压缩陡化的特点和冲击电压发生器"并联充电,串联放电"的特点,可形成重复频率快前沿高压脉冲。建造了基于磁开关的冲击电压发生器,试验表明:其重复频率可达1 kHz,在1 nF的电容负载上可形成17 kV,上升时间小于80 ns的高压脉冲。     

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。     

大功率高能脉冲激光电源设计

根据YAG激光器对大功率高能量脉冲电源的应用需求,设计了一种大功率脉冲激光电源,可实现高脉冲能量重复频率输出及充电电压灵活调控。前级充电网络采用串联LC谐振变换器,后级脉冲形成网络选择晶闸管触发LC放电电路。最终,研制了1台7 kW实验样机,最大重复频率10 Hz,最高充电电压2.2 kV,可实现单脉冲最高700 J电能输出,满足大功率高能脉冲输出的应用需求,实验测试结果验证了设计的可行性。     

基于MOSFET的纳秒级全固态脉冲源设计

采用MOSFET半导体固态开关作为主放电开关取代气体开关、高压二极管替代充电电阻的技术方法,设计了一种基于功率MOSFET固态开关的纳秒级全固态脉冲源。设计的脉冲源主开关级数共5级,每级主开关分别由5只功率MOSFET半导体固态开关器件串联组成,开关通断控制采用脉冲隔离变压器同步驱动方式。在重复频率1 Hz~1 kHz、充电电压4 kV、负载阻抗为1 k条件下,可实现输出幅度大于20 kV、前沿小于10 ns且脉宽大于100 ns的高压快脉冲。通过实验结果验证了所采用的设计原理及方法的可行性,并给出了单次和重复频率（1 kHz）触发信号作用下全固态脉冲源输出的实验结果。     

基于MOSFET的纳秒级全固态脉冲源设计

采用MOSFET半导体固态开关作为主放电开关取代气体开关、高压二极管替代充电电阻的技术方法,设计了一种基于功率MOSFET固态开关的纳秒级全固态脉冲源。设计的脉冲源主开关级数共5级,每级主开关分别由5只功率MOSFET半导体固态开关器件串联组成,开关通断控制采用脉冲隔离变压器同步驱动方式。在重复频率1 Hz~1 kHz、充电电压4 kV、负载阻抗为1 k条件下,可实现输出幅度大于20 kV、前沿小于10 ns且脉宽大于100 ns的高压快脉冲。通过实验结果验证了所采用的设计原理及方法的可行性,并给出了单次和重复频率（1 kHz）触发信号作用下全固态脉冲源输出的实验结果。     

正负双极性重复频率充电电源研制

针对紧凑型高功率脉冲驱动源的重复频率充电需求,开展了基于LC全桥串联谐振原理的恒流充电技术研究,并根据紧凑型Marx脉冲功率源的工作方式开展了电源关键参数设计,完成了一种正负双极性充电的紧凑型高压电源研制,实现20 ms内对单边等效负载电容为0.15μF的双极性Marx驱动源充电至±45 kV,平均充电功率大于15.5 kW。该电源采用单个高频高压变压器实现了正负双极性高电压同步输出;采用变压器、整流电路、隔离保护电路、电压检测电路一体化绝缘封装设计,既减小了装置体积又降低了高压绝缘风险;通过隔离保护、电磁屏蔽等设计有效解决了Marx发生器放电过程中瞬时高压信号对电源控制系统的干扰和损伤。     

基于MOSFET的高重复频率高压脉冲源设计

设计了一种基于功率金属氧化物半导体场效应晶体管(MOSFET)的高压脉冲电源。该发生器采用多只MOSFET的串联技术,形成高压、高重复频率开关组件。用高压开关组件开展脉冲发生器设计,搭建了一个15只1 kV的高速MOSFET串联的脉冲发生器实验装置,在500 Ω负载上获得前沿小于5 ns、幅度大于10 kV、脉宽约100 ns,瞬态频率达400 kHz的高压脉冲。设计的高压开关组件结构紧凑,可靠性高,可应用于多种脉冲发生器。     

锁频锁相的高功率微波器件技术研究

综述了中国工程物理研究院应用电子学研究所锁频锁相的高功率微波器件最新研究成果,主要包括稳频稳相的相对论速调管放大器和注入锁相的相对论返波管振荡器.针对高功率长脉冲相对论速调管研究中遇到的问题,介绍了该放大器的束波互作用特点、杂频振荡抑制、脉冲缩短、高频段高功率运行、高增益等物理、设计与实验中的关键技术研究概况,使其功率、相位稳定性、增益等性能有了显著提高,S波段环形单注相对论速调管实现了高功率稳相输出,重频25 Hz运行时输出功率大于1 GW,脉宽大于150 ns、相位波动18°,高增益运行时在注入微波功率数kW条件下也实现类似功率和相位水平;采用同轴多注器件结构,突破了速调管高频段运行条件下高效率电子束引入和高功率束波转换技术等难题,使X波段相对论速调管在注入功率30 kW条件下实现了功率大于1 GW的放大输出,效率为34%,相位波动为15°.在掌握相对论返波管技术的基础上,利用返波管的高效率和结构紧凑的优点,开展了注入调制电子束锁相的相对论返波管研究,采用百kW级的种子微波实现了对GW量级输出微波的相位锁定.该研究结果对功率合成、粒子加速和多功能雷达等技术具有重要的推动作用.     

重复频率低阻抗紧凑Marx脉冲功率源

为了实现重频脉冲功率源小型化,研制了基于快Marx发生器的紧凑型重频低阻抗脉冲功率源。采用大功率重频高压电源对Marx发生器充电,通过对充电电源和脉冲触发源的同步控制,实现对Marx发生器重频充电;Marx发生器中采用薄膜脉冲电容器、小型化气体开关、电感隔离以及SF₆气体绝缘等设计,以8级紧凑Marx发生器进行验证性研究,在16 Ω阻抗负载上实现了重复频率10 Hz、脉宽150 ns、峰值电压大于400 kV连续多脉冲输出;在此基础上,设计了18级紧凑型Marx发生器,在约18 Ω阻抗负载上输出功率达到33 GW,峰值功率密度大于150 GW/m³,实现重复频率5 Hz、脉宽约160 ns、峰值电压大于600 kV的连续多脉冲输出。为了降低Marx发生器的输出阻抗,采用4台电容器并联作为Marx发生器的一级储能模块,研制了同轴紧凑Marx脉冲功率源,有效减小放电回路电感,实现12 Ω低阻抗负载近似匹配输出,前沿减小至50 ns以下,脉宽约130 ns。     

用于等离子体焦点装置的强流装置

研制了用于稠密等离子体焦点的强流装置,该装置采用八台低电感低内阻脉冲电容器和八个低感大电流、可控触发高压开关并联组成初级储能模块,高压开关同步击穿后产生μs级强电流经平行板传输线加载到负载。脉冲电容器和高压开关采用一体化设计,结构紧凑,使脉冲电容器与高压开关间的连接电感尽可能小;平板传输线为扇形结构,一个扇形平板传输线连接一个高压开关,平行板传输线可以将电感做得较小,有利于大电流回路的传输。在脉冲电容器充电20 kV时,假负载上可以得到500 kA的电流,电流上升时间约为3.7 μs。     

S波段系列干负载的研制

微波组近年来研制了一系列S波段干负载。使用CST对S波段系列干负载进行仿真优化设计,仿真结果在中心频率2856 MHz处电压驻波比均小于1.04,满足电压驻波比小于1.1的频带宽度都大于100 MHz。以上所有干负载的实际加工产品低功率测试电压驻波比均小于1.05,其中14介质柱高功率干负载已由韩国完成了高功率测试,测试时在重复频率60 Hz,脉冲宽度1 s,速调管输出50.7 MW的情况下,干负载电压驻波比为1.09且工作状态稳定。其他各型干负载也都已安装于国内外加速器上,经过了长时间的稳定运行,性能可靠。     

一种新型等离子体磁控溅射镀膜电源设计

磁控溅射镀膜电源是磁控溅射系统中的关键设备之一。根据铌靶和锡靶溅射处理装置的技术要求,研制了一套输出电压0~800 V可调、脉冲宽度5~200 μs可调、频率0~60 Hz可调、在脉冲电流最大幅值约150 A的磁控溅射镀膜电源,分别给出了该电源在铌靶负载和锡靶负载下的实验结果。设计上采用高压短脉冲预电离一体化高功率双极性脉冲形成电路方法,解决了高功率磁控溅射在重复频率工作下有时不能成功溅射粒子、电离时刻不一致、溅射起弧打火靶面中毒、溅射效率低等问题,降低了磁控溅射装置内气体的工作气压,实现低气压溅射镀膜,提高了靶材的溅射效率,减小薄膜表面粗糙度。通过大量实验论证,该电源达到了理想的溅射效果,满足了指标要求。     

级联型高压重复频率微秒脉冲源的研制

针对等离子体的应用,基于级联型电压叠加技术研制了一种最高输出电压为20 kV的高压微秒脉冲源,该电源由40个相同的电源模块组成,其单个模块电压等级为500 V,降低了对器件的绝缘耐压要求。电源的输出电压值在0~20 kV之间可调;重复频率在0~10 kHz之间、脉宽在0~30 μs之间可调;该电源的上升沿和下降沿均在1 μs以内。模块化的设计提高了电源的冗余容错能力。将该电源作为产生等离子体的激励源时,其输出的高压脉冲波形稳定,且根据负载对输出高压波形的要求不同,该电源可以方便地进行调节。     

外差式相干探测时域光谱仪对磷化铟（InP）晶片的超宽频带太赫兹光谱的探测

磷化铟（InP）属于Ⅲ-Ⅴ族化合物半导体材料, 在毫米波的应用中展示出了高性能,在非线性太赫兹器件应用上具有很大的潜力。以前关于InP的研究主要集中于太赫兹频率在0.1～4 THz的频率范围内,在4～10 THz频率范围内InP的太赫兹光学数据还是空白。该研究利用空气等离子体相干探测太赫兹波的时域光谱系统研究了无掺杂的InP晶片在超宽THz频率范围（0.5～18 THz）内的光学特性, 实验中用电离的空气作为太赫兹的发射器和探测器, 利用可以调制的局部偏压诱导二次谐波产生,使在气体中太赫兹波的相干探测成为可能,明显提高了系统的动态范围和灵敏度。产生的太赫兹频谱宽度主要被激光脉冲持续时间所限制,太赫兹脉冲通过InP晶片后相对于参考脉冲会延迟,同时振幅会降低。另外,太赫兹信号的频谱振幅在6.7～12.1 THz范围内下降到本底噪声。同时还可以看出InP晶片在6.7～12.1 THz频率范围内不透光,在0.8～6.7 THz以及12.1～18 THz频率范围内InP的吸收系数相对较低,特别是在15～17.5 THz范围内吸收系数很低并且保持相对稳定,与此同时它的折射率单调增加。这些发现将有助于基于InP晶片的非线性太赫兹器件设计。     

过模返波管的正反馈机制

作为一个典型的高功率微波振荡器,过模返波管(backward wave oscillator,BWO)的束波互作用过程复杂,束流负载效应影响明显,但是作为振荡器本身,其本质就是一个正反馈电路,电子从阴极发射后,穿过谐振反射腔和慢波结构(slow-wave structure,SWS),在SWS区电子动能转化为微波能,其中的一部分微波反馈到谐振反射腔,实现对电子束的调制,其他微波通过后面输出端口向外辐射.本文根据这种正反馈机制,建立器件工作模式等效电路和束波互作用的自洽过程,从理论上给出正反馈机制对器件模式控制、起振电流等参数的影响,并模拟研究了这种反馈机制对模式控制的影响,由此设计了一个能够在(1 MV,20 kA)电子束条件下克服模式竞争的过模BWO,其微波输出功率为7.9 GW,频率为8.68 GHz,相应的效率为39.5%.     

多路Marx并联高压脉冲电源研究

脉冲功率技术在工业和生物医学领域有着广泛的应用,很多应用场合要求输出数百安培的高压脉冲。固态Marx发生器虽已研究多年,但是被广泛采用直插封装的IGBT和MOSFET功率半导体开关管的额定电流通常都低于100 A,无法满足低阻抗负载的应用需求。为提高输出脉冲电流幅值,提出两种多路Marx发生器并联的脉冲电源的拓扑结构,第一种方案采用多路Marx发生器直接并联,第二种是共用一组充电开关管的多路Marx发生器并联。由FPGA提供充放电控制信号,采用串芯磁环隔离驱动方案实现带负压偏置的同步驱动,主电路选用开通速度快、通流能力强的IGBT为主开关的半桥式固态方波Marx电路。实验结果表明,6路16级Marx直接并联的脉冲发生器能输出重频100 Hz高压方波脉冲幅值可达10 kV,在30Ω负载侧输出峰值电流可达300 A,上升时间230 ns。共用充电开关管的6路4级Marx并联发生器在5Ω电阻负载上的输出电流峰值可达300 A,最大输出电流可达460 A,上升时间272 ns。表明多路Marx发生器并联可以有效地减小系统内阻,提高系统带载能力;改进后的并联方案实现大电流脉冲输出的同时,所采用的开关管数量减小近一半,提高了系统的抗干扰能力的同时,降低了脉冲电源的成本;且增加级间并联导线可进一步改善均流效果。     

S波段系列干负载的研制

微波组近年来研制了一系列S波段干负载。使用CST对S波段系列干负载进行仿真优化设计,仿真结果在中心频率2856 MHz处电压驻波比均小于1.04,满足电压驻波比小于1.1的频带宽度都大于100MHz。以上所有干负载的实际加工产品低功率测试电压驻波比均小于1.05,其中14介质柱高功率干负载已由韩国完成了高功率测试,测试时在重复频率60Hz,脉冲宽度1μs,速调管输出50.7 MW的情况下,干负载电压驻波比为1.09且工作状态稳定。其他各型干负载也都已安装于国内外加速器上,经过了长时间的稳定运行,性能可靠。