基于Marx和磁开关的方波脉冲电源的研制北大核心CSCD

设计了一种全固态高压重频方波脉冲发生器,主要由Marx发生器、脉冲形成线和磁开关构成。Marx发生器通过电感对脉冲形成线进行充电,将其充电至所需电压水平;当脉冲形成线充电至峰值电压时,磁开关饱和;脉冲形成线通过饱和的磁开关对匹配负载进行放电,在负载上形成一个高压方波脉冲。串入电感与磁开关相互匹配,不仅直接影响放电过程,同时也决定着磁开关需承受的伏秒数和负载上的预脉冲大小。介绍了Marx发生器和磁开关的设计,在单次和5kHz重复频率下分别进行实验。在50Ω的匹配电阻负载上,获得电压幅值为12.5kV、电流幅值为250A、上升时间为46ns、脉宽为220ns的方波脉冲。对放电过程进行了PSPICE仿真模拟,仿真结果与实验结果匹配良好。     

具有快前沿的固态Marx电源的研究

纳秒脉冲电场消融要求在100Ω负载上产生数千伏的纳秒脉冲,加快脉冲前沿有利于获得更窄的纳秒脉冲。提出了一种具有快速前沿的固态Marx发生器,在每级电路中插入一个电感,并且让放电管和充电管同时导通数十纳秒,等放电管完全开通后,关断充电管,对负载进行放电,以消除放电管和放电回路杂散电感对脉冲前沿的限制,获得具有快前沿的高压脉冲。搭建了32级Marx样机,实验中通过调节直通时间,在100Ω的低阻负载上获得了电压上升沿35 ns、脉宽800 ns、电流186 A的高压脉冲。对比并分析了充电管和放电管直通时间对上升沿的影响,发现直通时间越长,脉冲电流的前沿越快。输出端的峰值电流最大可达186 A。表明该脉冲电压源可以有效地提高电流的输出,提高系统带载能力。该方案相比于传统的改进方法,提高了系统抗干扰能力的同时,也减少了所使用开关管的数量,降低了脉冲电源的成本。     

全固态高重频高压脉冲电源

设计了一款全固态高重频高压脉冲电源,主电路采用以IGBT为主开关的半桥式固态Marx电路,驱动电路采用磁芯隔离带负压偏置的同步驱动方案,并由FPGA提供充放电控制信号和故障诊断、保护。该方案既可实现对多级电容的低阻抗的快速并联充电控制,又可实现截尾功能以加快脉冲后沿获得方波脉冲,且可实现百μs以上的宽脉冲输出,可用来产生高压脉冲电场。此外,该电源还可在突发模式下输出脉冲个数和频率均可调的多个高频脉冲系列。实验表明,该输出电压幅值可高达40 kV,输出峰值电流可达100 A,重频可达30 kHz,上升沿和下降沿均低于100 ns,突发模式下重频可高达200 kHz。所设计的脉冲电源输出参数连续可调,且体积小巧。     

固态化脉冲形成网络Marx脉冲发生器

和传统Marx发生器单级由单一电容组成不同,脉冲形成网络Marx发生器的每一级是以陶瓷电容排列成网络形式组成脉冲形成网络,然后再通过串联叠加的方式实现电压叠加。由于采用了脉冲网络形成线,该型发生器可以产生质量较高的脉冲波形。对该型Marx发生器的充电方式、开关结构、结构布局等进行了研究,设计了两种较为紧凑的实验装置。开展的初步实验研究中,利用脉冲变压器进行充电,利用SF6气体绝缘,10级叠加结构在50Ω水电阻负载上获得了400 kV,100 ns的高压输出;20级结构在50Ω水电阻负载上获得了500 kV,70 ns的高压输出。     

雪崩三极管串联的纳秒脉冲发生器

雪崩三极管因其快速性、高重复频率等特点被广泛应用于纳秒脉冲发生器。为了提高输出电压,常采用多管串联Marx电路。采用二极管代替传统多管串联Marx电路中的部分限流电阻以减少能量损耗,加快充电速度,提高重复频率,并分析了主电容和限流电阻对输出脉冲幅值和频率的影响。通过雪崩三极管的单管击穿实验,单个三极管的导通内阻最小约为2.5 Ω,多管串联Marx电路中的等效内阻使负载侧的输出电压降低,故采用多路Marx并联电路以提高输出电压幅值。通过改变Marx并联模块数量,研究了电路等效内阻对输出脉冲的影响;通过改变负载电阻值,验证了Marx并联电路在小负载下升压效果更佳。实验结果表明,通过相同的4路Marx并联电路进行放电实验,在50 Ω负载侧输出上升沿为3.4 ns、幅值为2.5 kV、可在15 kHz下稳定工作的脉冲。     

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。     

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。     

一种紧凑型固态Marx发生器的研究

提出利用P型开关作为充电管、N型开关作为放电管串联形成半桥结构,将其门极也短接,以同一个信号同时驱动充电管和放电管。再利用共原边的串心磁环驱动方案,只需一个半桥电路就可以从原边同时传递驱动功率和信号,同步驱动所有充电管和放电管,大幅简化了脉冲电源结构和尺寸,降低了成本。以此搭建了24级固态Marx发生器,在10 kΩ阻性负载上,获得了10 kV、1 kHz、5μs的高压方波脉冲,验证了方案的可行性,该电源主电路的尺寸仅为20 cm（长）×13 cm（宽）×5.5 cm（高）。     

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。     

固态Marx发生器的自动控制研究

为了进一步推广固态Marx发生器的应用,实现输出脉冲波形的直观显示,提高电压调节精度,缩短充电调压时间,有必要对固态Marx发生器的自动控制进行研究。以现场可编译门阵列（FPGA）作为控制器,将输出电压、频率、脉宽、过电流阈值等参数以及故障检测及指示直接显示在液晶屏上,实现可视化设置和调节,在固态Marx发生器的输出端并联分压电路和高速数模转换电路,对输出的高压脉冲采样,一方面用于闭环PID控制实现分段式快速充电和输出电压精准化调节,另一方面用于在虚拟示波器中实时显示输出脉冲电压的基本波形。此外,在电路中加入了故障检测和保护机制,迅速检测电路中出现的过温、过电流等故障并对其及时停机响应以保护脉冲电源和操作人员安全。在20级的固态方波Marx发生器样机中产生的重复频率方波脉冲电压波形表明,该样机已经初步实现自动化控制,并能可靠运行。     

一种调节Marx电源脉冲边沿的驱动电路北大核心CSCD

为了调节固态Marx发生器输出脉冲的边沿,提出了一种新型的的驱动电路,该方案通过调整充放电管的驱动电压,结合驱动电路的硬件结构,调节米勒平台时间,进而调整充放电管开通速度,实现了对于高压输出脉冲的边沿调节,其结构简单,不需要每级独立的控制信号。对于该电路中驱动电压和开关管开通速度的关系建立了模型进行了推导。结合理论分析结果设计了驱动电路的参数,仿真结果表明该驱动电路能够调节输出脉冲边沿。搭建带有设计参数下驱动电路的固态Marx发生器在容性负载下和阻性负载下进行了实验验证。利用该方案实现了对于6级Marx电路的3.6 kV输出脉冲在55~7.7μs的边沿调节,验证了该方案的可行性,并对比分析了不同阻性负载对于脉冲边沿造成的影响。实验结果表明:该电路在提高固态脉冲电源的边沿调节性能方面有独特的优势。     

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。     

200 kV闪光照相测试系统

介绍了一种基于Marx发生器原理设计的200 kV闪光照相测试系统,该系统具有延时功能,可按照实验要求,在预定时刻产生脉冲X射线进行闪光照相测试。设计了一台10级同轴结构的Marx发生器,采用了正负极充电,极间电容耦合为Z形回路的Marx发生器线路,利用开关与屏蔽外筒间的结构电容来锐化高压脉冲的输出,同时采用紧凑性、低电感设计获得窄脉冲的输出。在充电电压为25 kV的情况下,75 的负载上获得了脉宽小于100 ns、幅度大于200 kV的高压脉冲,通过高压电缆驱动闪光X射线二极管, 在距光源25 cm处获得了剂量大于910-6 C/kg、脉冲宽度约为70 ns的闪光X射线。     

MHz重复频率脉冲功率技术

采用串联单传输线、并联Blumlein脉冲形成线和高重复频率固体开关等技术路线开展了MHz重复频率脉冲功率技术研究。利用串联单传输线获得了幅度约200 kV,时间间隔约500 ns的双脉冲。利用并联使用的Blumlein系统和特殊设计的汇流/隔离网络获得了幅度约275 kV,时间间隔约500 ns的三脉冲。利用并联MOSFET和感应叠加原理研制了6 kV/2.5 MHz固体调制器。结果表明:3种方式均可以猝发MHz的方式输出高品质的高压脉冲串,可根据实际的需求选择合适技术路线。     

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。     

MHz重复频率固体调制器实验研究

 能产生短脉冲、快上升沿、快下降沿、大电流、能工作在MHz重复频率的固体调制器是脉冲功率技术的一个重要发展方向。介绍了功率MOSFET器件组成的固体调制器的原理以及实验结果,该调制器由多个固体开关模块组成,每个固体开关模块由6个并联的MOSFET开关组成以增大输出电流。固体开关模块采用感应叠加的方式得到高的输出电压。设计的调制器有很快的上升时间与下降时间,其输出脉冲宽度可调并且可以工作在2.5 MHz的重复频率下。在51 Ω的纯电阻负载下,由9个叠加模块组成的调制器可以输出6.2 kV的脉冲电压,脉冲前沿为20 ns。