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。     

绝缘磁芯平面变压器的漏磁补偿

针对绝缘磁芯平面变压器因绝缘膜而产生的漏磁问题,提出了在每层次级线圈的两端并联补偿电容的解决方法。通过理论分析给出了补偿电容大小的推导公式,利用CST和Protel对搭建的绝缘磁芯平面变压器的仿真计算发现,引入补偿电容后,变压器总的输出电压提高了约17.6%,同时各层次级线圈输出电压的大小基本相同。仿真结果与实验结果一致,从而验证了并联补偿电容方法的有效性。     

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。     

固态脉冲功率驱动源主磁开关的特性

为了提高固态脉冲功率驱动源的工作性能,研究了使用磁开关作为主开关的关键参数。分析了磁芯体积、磁芯损耗以及饱和电感等关键参量对磁开关工作性能的影响。结果表明:对于选用的磁开关,当磁性高度为0.05 m时,磁开关的封装系数取得极大值;平均磁路长度大于1 m时,磁芯绕组的饱和电感变化缓慢。利用饱和波理论简要解释了磁芯饱和的物理过程,推导了磁开关输出脉冲上升时间因子表达式,结果表明:磁性材料厚度、电阻率以及磁芯内外层磁路长度差等参数是影响磁开关输出脉冲上升因子的重要因素。     

含磁芯线圈动态电感计算

在脉冲功率领域，许多器件都需要使用磁芯，如脉冲变压器、磁开关、脉冲叠加器、感应加速腔等，磁芯的主要作用之一是增加回路的电感量，因此含磁芯回路电感量的计算是判断该磁芯是否适用于该环境的决定性依据，也是对线路进行准确模拟的前提。磁性材料在不同波形的励磁场下对应着不同的磁导率变化，而线圈的电感量与线圈中磁芯的磁导率成正比，因此，含磁芯线圈的电感在实际使用中必然是一个与励磁过程相关的动态值。     

基于Tesla变压器和螺旋线的长脉冲发生器

提出了一种结构紧凑的长脉冲发生器，该发生器的螺旋型形成线包含有磁性材料构成的内导体棒和外屏蔽。形成线通过内置的高耦合Tesla变压器充电，变压器的初级线圈紧靠外磁芯导体，次级线圈位于螺旋中筒和外筒之间。对这种结构的螺旋线进行了特征参数的理论计算和波传输数值模拟，并进行了简单的原理验证实验。实验结果表明:这种设计是合理的、可行的。     

基于Tesla变压器和螺旋线的长脉冲发生器

 提出了一种结构紧凑的长脉冲发生器，该发生器的螺旋型形成线包含有磁性材料构成的内导体棒和外屏蔽。形成线通过内置的高耦合Tesla变压器充电，变压器的初级线圈紧靠外磁芯导体，次级线圈位于螺旋中筒和外筒之间。对这种结构的螺旋线进行了特征参数的理论计算和波传输数值模拟，并进行了简单的原理验证实验。实验结果表明：这种设计是合理的、可行的。     

Tesla变压器耦合系数的静磁场解法

 为研究Tesla变压器耦合系数与各参量的关系,采用静磁场分析方法,从柱坐标系磁场Laplace方程出发,推导出磁场级数表达式的系数矩阵方程组,计算出磁芯磁场的轴向分布和间隙磁场的轴向、径向分布。引入了一种平均耦合系数概念——次级绕组每匝线圈具有独立的耦合系数,用全部单匝耦合系数的平均值作为Tesla变压器的耦合系数。重点研究了平均耦合系数与磁芯纵横比、半径比、初级绕组-磁芯长度比、磁芯材料磁导率的相对变化关系。结果表明:增大纵横比、减小半径比是提高Tesla变压器耦合系数的有效方法;增大磁芯材料的磁导率可提高耦合系数,但效果随磁导率增大而降低;初级绕组长度与磁芯长度之比约为0.7时,耦合系数达到最大值。     

含磁芯线圈动态电感计算

 从电感的基本定义出发，推导了一个新的递推公式，可准确地对含磁芯线圈动态电感进行数值计算，并在纯电感、含有5匝磁芯线圈和含有17块铁氧体大环磁芯的感应腔在双脉冲励磁情况下分别计算了动态电感量，验证了该方法的可行性。通过电感值可反推出磁芯在各种情况下磁导率的变化曲线，从而确定磁芯的磁特性及其适用范围。     

Tesla变压器次级线圈电位分布

 为研究Tesla变压器锥形次级线圈的电位和电场分布问题,建立了非均匀参数双传输线模型,采用差分方法获得波动方程的数值解。计算结果表明：脉冲形成线充电过程中,最高场强点从次级线圈小半径端逐渐向大半径端移动;脉冲形成线快速放电后,次级线圈场强最大点位于大半径端部;脉冲形成线不能正常放电时,次级线圈最大场强点也位于大半径端部,此时场强达到最大值,约为平均场强的1.5倍。     

一种螺旋型Blumlein线的阻抗特性分析

 提出了一种结构紧凑的长脉冲发生器,该发生器的螺旋型Blumlein线由内导体（含磁体）、螺旋型中筒和外导体（含磁体）构成,该结构实现了螺旋型Blumlein线和Tesla变压器的一体化。通过对螺旋型Blumlein线的波传输过程分析,给出了慢波系数、开关闭合电流、用于描述形成线闭合开关处界面上波行为的变量因子等参数的计算公式。采用PIC软件对螺旋型Blumlein线的部分波传输过程进行数值模拟,慢波系数等参数的模拟值与计算值基本相符。进行了恒阻抗负载下螺旋型Blumlein线的原理性实验,实验得到的负载波形与编程计算得到的波形基本吻合。     

基于双锥形绕组铁芯变压器的三谐振脉冲变压器

研制了一台基于双锥形绕组铁芯变压器的三谐振脉冲变压器,具有结构紧凑、小巧轻便等优点。铁芯变压器磁芯由0.08 mm的硅钢薄带绕成半月形闭合结构,放置于铝制紧固件中;初次级绕组采用双绕组并联结构,两个锥形高压绕组对称绕制在刻槽的有机玻璃骨架上并将高压从圆筒中轴线引出,改善了绕组电场分布的不均匀性并实现了高压的同轴输出。铁芯变压器、LC调谐回路和27 pF脉冲形成线组成三谐振回路,其中谐振电容为同轴结构电容,谐振电感由直径0.08 mm的漆包线不均匀绕制于刻槽的有机玻璃绝缘体上。实验结果表明,该三谐振脉冲变压器最大工作电压大于800 kV,充电时间约为650 ns,同时也验证了将双谐振铁芯脉冲变压器改造成三谐振脉冲变压器具有可行性。     

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。     

Tesla变压器型重复频率纳秒脉冲源的研制

脉冲变压器与陡化开关结合的方式是产生纳秒脉冲较为成熟的方式,采用这种方式,研制了一种基于空芯Tesla变压器和陡化开关的紧凑高压重复频率纳秒脉冲源。该脉冲源主要由重复频率充电模块、Tesla变压器和陡化开关三部分组成,重复频率充电模块主要通过晶闸管的时序配合实现,Tesla变压器为脉冲源装置系统的核心及主升压模块,陡化开关是一个三电极自击穿型气体开关,用于将变压器次级输出的电压陡化成纳秒快脉冲波形,对该重复频率脉冲源以上各部分进行了详细的设计和测试。实验结果表明,该脉冲源可以在6kΩ的负载电阻上输出幅值100kV、上升沿约为30ns、最高频率可达500Hz的高压纳秒脉冲。     

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。     

基于三导体同轴线和Tesla变压器的脉冲形成线理论分析

 提出一种由三导体同轴线构成的脉冲形成线技术方案,利用中筒改善内外筒间电场分布,提高平均场强,从而获得更高的形成线电压及储能。利用双次级Tesla变压器为形成线充电,简单分析了电路特点及次级电压波形,给出两个筒间隙电压达到恰当比例对应的充电时间。通过优化内筒、中筒半径,得到形成线电压和储能曲线,结果表明:外筒半径固定时,形成线电压和储能均存在最大值。特别分析了有效储能问题,给出了有效储能曲线和能量效率曲线。