邻近电感互耦的准方波脉冲形成网络设计

针对小型化紧凑型脉冲源的应用需求,开展了电感存在互耦的准方波脉冲形成网络设计技术研究。首先介绍了基于坐标轮换-直接搜索法的准方波脉冲形成网络优化技术研究,获得了网络元件的电感、电容值以及准方波的解析表达式;然后推导了邻近电感互耦网络的等效去耦电路解算方法,基于回溯法,最终给出了全网络各元件值的求解算法;最后分别针对等电容情形及规定电容的情形,求解给出了网络元件参数值。算例结果表明:电感存在互耦的准方波脉冲形成网络可获得较理想的准方波脉冲输出。基于互耦电感的巧妙设计,有利于实现紧凑型准方波脉冲形成网络的设计。     

基于互耦电感的两节准方波脉冲形成网络设计

针对小型化紧凑型脉冲源的应用需求,开展了基于互耦电感的两节准方波脉冲形成网络设计技术研究。首先介绍了两节脉冲形成网络互耦电感解耦的条件,并根据常用的三种脉冲形成网络模型运用拉普拉斯变换推导出了相应的输出脉冲电流表达式,并利用准方波的Prony级数表达式,通过求解非线性方程组获得了准方波脉冲的解析表达式,进一步求解出各网络元件的参数。然后研究了电感耦合系数在电路中的影响,提出了利用互耦电感设计准方波脉冲形成网络的方法。模拟仿真结果表明:基于互耦电感的两节脉冲形成网络可获得输出波形质量较好的准方波脉冲输出。利用互耦电感这一巧妙设计,可以较方便地实现准方波脉冲形成网络的设计。     

准方波脉冲形成网络的理论分析与设计

针对微波驱动源、固态调制器等对宽平顶脉冲源的应用需求,开展了基于脉冲形成网络输出准方波的理论研究与分析设计。首先采用Prony算法获得准方波波形的解析表达式,然后基于最佳一致逼近的优化控制思路,列出极点控制方程,采用数值方法求解非线性方程组,获得优化波形参数。在此基础上采用阻抗函数匹配的算法求解出脉冲形成网络的元件参数初始值,根据工程设计的实际情况舍弃部分参数并对个别参数进行优化后,获得最终的元器件参数。通过理论分析与数值模拟相结合的方法,系统地给出了获取长脉宽、低纹波准方波脉冲形成网络的设计方法以及设计准则。该方法可用于设计任意阶低纹波系数的准方波脉冲源,也可用于设计其他输出波形要求的脉冲源。     

低阻脉冲形成线电容分压器的在线补偿标定北大核心CSCD

讨论了低阻抗脉冲形成线中测量充电电压所用电容分压器的标定方案,提出了采用外部并联电感来补偿较大的形成线电容负载的方法。由于低阻形成线的电容负载影响,使用脉宽较短方波发生器易导致波形缺乏平顶,使用输出电压较低正弦波发生器导致信噪比不高。采用合适数值的外部电感,可以实现与形成线电容的并联谐振,此时整体阻抗最大,可以使用普通放大器提高正弦波电压,且不产生失真。该方法可应用于微秒尺度低阻形成线电容分压器的在线标定。     

Marx型脉冲形成网络的研究

介绍了Marx型脉冲形成网络的基本原理,用PSpice软件对整个脉冲形成网络进行了模拟,通过优化网络器件参数,获得了等电容条件下平整的波形输出.研制了一台4级Marx型脉冲形成网络的脉冲功率源,在充电电压为20kV的情况下,在18gt的匹配负载上获得了40kV的电压输出,脉冲半高宽为3μs,平顶宽度2μs.     

测量微秒量级脉宽方波信号的电容分压器

为了解决测量脉宽达到μs量级的方波信号的平顶衰落问题,设计了改进的双端匹配电容分压器。对采取双端匹配方式的电容分压器进行了频域和时域仿真。仿真结果表明,双端匹配方式的中频段幅频特性不平坦,方波响应波形也存在过冲。通过仿真计算调整了始端电阻以及对应的末端电容,实现了双端匹配方式的优化设计。实验结果表明:当低压臂电容为2 nF的情况下,使用电长度为50 ns的电缆的改进双端匹配电容分压器可以得到过冲小于2%,无平顶衰落的波形。     

百纳秒近方波高压脉冲形成模块的设计与实验研究

基于高功率脉冲功率系统小型化和模块化发展要求,研制了一种集储能和脉冲形成功能为一体的脉冲形成模块。通过发展非均匀脉冲形成技术,成功将传统脉冲形成网络的级数降至两级,并保持其输出波形为近方波,大幅降低了近方波脉冲形成模块的体积重量。模块内部电容采用串联分压结构以提高其耐电压值,采用折叠式薄膜电容以提高其储能密度,结合薄膜/变压器油混合绝缘方式,实现了紧凑化、耐高压设计。利用PSpice电路仿真,结合最坏情况模拟等方法,分析了模块内部电参数对其输出特性的影响,并进行了实验验证。模块耐电压值可达120 kV,单次储能密度高达41 kJ·m-3,可输出脉宽约180 ns的近方波高压脉冲。该模块将传统需要五级以上的脉冲形成网络的实际应用发展到两级,有利于实现多级高压方波Marx系统的紧凑化、模块化设计。     

Marx型脉冲形成网络的研究

介绍了Marx型脉冲形成网络的基本原理, 用PSpice软件对整个脉冲形成网络进行了模拟, 通过优化网络器件参数, 获得了等电容条件下平整的波形输出. 研制了一台4级Marx型脉冲形成网络的脉冲功率源, 在充电电压为20kV的情况下, 在18Ω的匹配负载上获得了40kV的电压输出, 脉冲半高宽为3μs, 平顶宽度2μs.     

四级传输线脉冲变压器研制

介绍了一种传输线脉冲变压器(TLT)的最优化设计理论,在此基础上,研制了一台四级传输线脉冲变压器。所研制的TLT所使用的磁芯基本符合级间无耦合结构TLT最优化设计的要求。采用了柔韧性好的同轴电缆,绕制完成后各级次级线电感值大小分别为1.83,3.52和5.41 mH,符合预定目标。利用Blum-lein作为脉冲源,对所研制的TLT进行了测试,测试结果表明:输入脉冲宽度150 ns,幅值10 kV,上升前沿20ns,输出脉冲宽度150 ns,幅值约40 kV,上升前沿约20 ns,基本波形保持较好,但下降沿和尾部波形不理想,初步分析可能的原因是TLT输出端杂散电容电感引起的阻抗不匹配。此变压器可用于低阻抗陶瓷脉冲形成线输出端的阻抗变换。     

两节反谐振式网络输出方波脉冲的参数计算

研究了反谐振式脉冲形成网络的紧凑化、小型化问题。介绍了两节反谐振式网络的组成和特点,并建立了相应的电路模型,运用电路的拉普拉斯变换和方波的傅里叶级数展开,通过波形拟合和参数对比的方法,找到了一种解决此类型电路输出方波脉冲的参数计算方法。模拟仿真结果显示:此网络输出的方波脉冲平顶约占整个脉冲时间的1/4且基本无抖动,前沿约占整个脉冲时间的1/7,半高宽约占整个脉冲时间的5/7。利用此方法设计了一套实验装置,并进行了初步的实验探究,实验结果表明:利用两节反谐振式网络可获得输出波形质量较好的百ns级方波脉冲输出,与理论分析结果基本一致。     

100kV低阻抗非均匀集中参数Blumlein脉冲形成网络的研制

 从工程实用角度出发，针对高压、高变比、低阻抗工作的脉冲变压器具有漏感大的特点，提出了要采用低阻抗集中参数非均匀电容脉冲形成网络的设计方法。采用传统设计和计算机模拟相结合，设计出了电压100kV，阻抗1.4Ω的6级集中参数 Blumlein型非均匀电容脉冲形成网络，缩短了输出脉冲前后沿，改善了脉冲波形，并成功地用于正在研制的500kV长脉冲加速器中。     

电容加载平板传输线型PFN理论与实验研究

 介绍了一种电容加载双导体平板传输线型PFN,分析了PFN的波传播特性,提出通过减小加载电容间距提高PFN上限截止频率、减小阻抗色散的方法;采用损耗线模型分析了串联PFN的端部反射系数,研究了减小反射系数的方法;分析了串联PFN的磁耦合问题,从理论和实验两方面研究了PFN几何参数和排布方式对电流脉冲的影响。基于串联PFN和Tesla变压器技术,研制成功一台长脉冲功率源,输出电压脉冲幅度超过300 kV,脉冲宽度110 ns,前沿小于10 ns,功率超过2 GW。     

L型脉冲形成网络的仿真与实验研究北大核心CSCD

研究了L型连接结构对脉冲形成网络输出波形的影响。采用有限积分法,对L型连接结构的脉冲形成网络进行三维建模和仿真,并将其与直线型连接结构的脉冲形成网络仿真结果进行比较。结果表明:L型结构的脉冲形成网络前沿与直线型结构基本一致,约为40ns,半高宽为168ns,比直线型小7ns,平顶处较直线型结构有所波动,表现为平顶后段幅度升高。通过对两种连接结构的脉冲形成网络进行高压实验,验证了仿真结果。在脉冲功率驱动源结构紧凑化的工程应用中,L型连接结构的输出波形能基本满足要求。     

40kV/20kW开关型脉冲成形网络充电高压电源

 采用软开关恒流充电技术，研制了一台40kV/20kW开关型脉冲成形网络（PFN）充电高压电源装置,该装置在重复频率范围、PFN电容容量较大变动时，都能达到高的稳定性，并具有体积小、效率高、可并联运行的特点，可用于环型加速器注入引出、直线加速器、雷达发射等领域。介绍了该装置的研制及带PFN负载的实验状况。     

纳秒级前沿PFN-MARX发生器充放电特性

为了改善脉冲形成网络(PFN)-Marx发生器的输出波形,得到前沿较短、纹波因数尽可能小的输出波形,对单级PFN的特性进了仿真研究,包括PFN中末端电容、末端电感、PFN的阻抗等因素对单级PFN的输出波形的影响;建立了PFN-Marx发生器的整体仿真模型,并对采用耦合电感作为隔离电感和采用分立电感作为隔离电感进行了仿真研究。研究表明:采用耦合电感作为隔离电感可以使各级PFN的充电波形更加一致,效果更好。搭建了一个小型的PFN-Marx发生器,并研究了PFN-Marx发生器中气体开关在不同气压下导通时输出波形的差异,结果表明,升高气压有利于减小PFN-Marx发生器输出波形的前沿持续时间。     

CSNS引出冲击磁铁脉冲电源设计

从脉冲电源参数计算, 电源整体设计, 脉冲形成网络(PFN)设计和优化等方面介绍了中国散裂中子源快循环同步加速器引出Kicker磁铁脉冲电源的初步设计情况, 提出一种新型的低阻抗PFN设计方法, 给出了脉冲电源和PFN的参数, 利用PSPICE程序仿真了充电电压为36.5kV情况下磁铁的励磁脉冲电流波形, 励磁电流脉冲幅值达到5.8kA. 结合仿真结果, 分析了不同PFN节数和传输电缆长度对磁铁电流波形的影响.     

40 kV/6 kA引出Kicker磁铁脉冲电源设计

 从脉冲电源参数计算、电源整体设计、脉冲形成网络（PFN）设计和优化等方面介绍了中国散裂中子源快循环同步加速器引出Kicker磁铁脉冲电源的初步设计情况，提出一种新型的低阻抗PFN设计方法，给出了脉冲电源和PFN的参数，利用PSPICE程序仿真了充电电压为36.5 kV时磁铁的励磁脉冲电流波形，励磁电流脉冲幅值达到5.8 kA。仿真结果表明：PFN的单元电容电感相同时,采用较多的PFN节数,励磁电流脉冲宽度会变宽,电流脉冲前沿和平顶度没有显著变化;采用合适长度的电缆,可以有效避免反射电流对主脉冲电流波形产生影响。