寄生传输线对PFN-Marx输出波形的影响

紧凑型PFN-Marx脉冲发生器中,级与级之间存在着较大的寄生电容,该电容和PFN节电感构成了寄生传输线。对两种排布方式下的寄生传输线的放电过程进行了简单分析,重点开展了双列排布方式下全电路仿真模拟,对负载类型、寄生电容、负载电感等参数对输出波形的影响进行了计算,得到了二极管负载会在波形前沿上造成下降、寄生电容大小决定振荡频率、负载电感放大振荡幅值等结论。开展的PFN-Marx实验研究也进一步验证了上述分析结果。根据分析,提出了一种有效抑制输出波形振荡的方法,从电路上进行了仿真验证,进一步实验证实了该方法的有效性。     

紧凑重频PFN-Marx脉冲发生器

研制了一台紧凑重频脉冲形成网络(PFN)-Marx脉冲发生器,由PFN-Marx发生器、脉冲充电单元、重频触发单元等组成。PFN-Marx发生器模块采用全电感隔离,直径为480 mm,长度为700 mm。脉冲充电单元采用中储电容加脉冲变压器方法,单次充电可以满足10次输出。重频触发单元采用变压器和磁开关一体化设计的全固态Marx发生器技术,输出电压大于50 kV,前沿小于100 ns。脉冲发生器早期输出电参数为单次10 GW,脉冲宽度100 ns,前沿10 ns,阻抗40 。重频工作时输出功率7 GW,频率5 Hz。后期调整后电参数更改为单次10 GW,脉冲宽度70 ns,前沿10 ns,阻抗50 。重复频率工作时稳定输出功率8 GW,频率10 Hz,单串10个脉冲。初步的应用研究中,利用改进后的平台,在5 GW条件下驱动磁控管获得了S波段约1 GW的微波输出。     

紧凑重频PFN-Marx脉冲发生器

研制了一台紧凑重频脉冲形成网络(PFN)-Marx脉冲发生器,由PFN-Marx发生器、脉冲充电单元、重频触发单元等组成。PFN-Marx发生器模块采用全电感隔离,直径为480 mm,长度为700 mm。脉冲充电单元采用中储电容加脉冲变压器方法,单次充电可以满足10次输出。重频触发单元采用变压器和磁开关一体化设计的全固态Marx发生器技术,输出电压大于50 kV,前沿小于100 ns。脉冲发生器早期输出电参数为单次10 GW,脉冲宽度100 ns,前沿10 ns,阻抗40 。重频工作时输出功率7 GW,频率5 Hz。后期调整后电参数更改为单次10 GW,脉冲宽度70 ns,前沿10 ns,阻抗50 。重复频率工作时稳定输出功率8 GW,频率10 Hz,单串10个脉冲。初步的应用研究中,利用改进后的平台,在5 GW条件下驱动磁控管获得了S波段约1 GW的微波输出。     

应用于PFN-Marx发生器重频充电的紧凑空心脉冲变压器

通过理论分析研究了一种高能量转换效率（高于50%）的紧凑重频空心脉冲变压器。这种脉冲变压器可以应用于PFN-Marx发生器的重频充电。通过深入分析脉冲变压器的等效模型,得到了脉冲变压器能量转换效率、次级电压峰值、初级电流峰值以及初级电流变化率最大值的表达式,并与Pspice软件的模拟结果进行比较。结果表明：理论计算的电压、电流波形与模拟计算结果基本一致,验证了理论分析的正确性。同时,通过理论分析得到了能量效率大于50%的脉冲变压器结构尺寸。     

应用于PFN-Marx发生器重频充电的紧凑空心脉冲变压器

通过理论分析研究了一种高能量转换效率(高于50%)的紧凑重频空心脉冲变压器。这种脉冲变压器可以应用于PFN-Marx发生器的重频充电。通过深入分析脉冲变压器的等效模型,得到了脉冲变压器能量转换效率、次级电压峰值、初级电流峰值以及初级电流变化率最大值的表达式,并与Pspice软件的模拟结果进行比较。结果表明:理论计算的电压、电流波形与模拟计算结果基本一致,验证了理论分析的正确性。同时,通过理论分析得到了能量效率大于50%的脉冲变压器结构尺寸。     

高功率紧凑PFN-Marx发生器研究进展综述

PFN-Marx发生器可同时实现升压和脉冲形成,具有紧凑的基因。特别是近年来脉冲储能技术的发展,使得直接利用PFN-Marx发生器驱动各类负载成为现实,因而PFN-Marx发生器逐渐成为国内外研究热点。对国内外的高功率紧凑PFN-Marx发生器的研究进展进行了系统介绍,评述其参数和结构特点。通过总结,从时间发展历程上看,PFN-Marx发生器采用高储能密度器件,装置的储能密度水平在不断地提高,尺寸紧凑化水平也在提高;在追求紧凑化的手段上,PFN-Marx发生器的空间结构的优化设计效果优于PFN网络拓扑参数的优化设计;PFN-Marx发生器采用波形优化方法具有较明显的收益,可有效降低装置紧凑化带来级间分布参数更强耦合的负面影响。同时论文探讨了PFN-Marx发生器的发展趋势,为PFN-Marx发生器的研究和技术路线探索提供参考和依据。     

指数传输线输出波形和传输效率的级数近似解

以传输线分布参数模型为基础,推导给出了Ｚ箍缩感兴趣条件下典型脉冲通过指数变阻抗传输线后脉冲波形和传输效率的级数近似解。分析了变阻抗传输线的阻抗变比、长度及脉冲形状和参数对传输效率的影响,以适合PW量级Z箍缩驱动源的水介质整体径向指数变阻抗传输线的参数组合为例计算给出了其传输效率。电压传输效率随传输线阻抗变比、长度增大而增加,随脉冲频谱向高频移动而增加;功率传输效率随传输线阻抗变化剧烈程度减小而增大,随脉冲频谱向高频移动而增大。给出了电压和功率传输效率的简化计算公式。     

基于PFN-Marx技术的紧凑型重频脉冲功率源

针对低磁场相对论磁控管高功率微波器件实验驱动需求,对基于脉冲形成网络（PFN）储能的高功率脉冲产生技术进行了研究。为了使其结构紧凑且具有较好的输出脉冲波形,设计了半环形PFN脉冲形成单元,两个半环形带状PFN与一体化开关、绝缘盘组成圆环形高压脉冲产生模块。PFN脉冲形成单元由13个陶瓷电容与半环形金属电极板构成,多个高压脉冲产生模块同轴层叠,所有开关导通后各模块PFN串联放电,产生快前沿高功率方波脉冲,再通过对触发开关和充电电源的同步控制实现重频工作。采用电磁仿真软件对PFN物理结构进行优化设计,研制的高压脉冲产生模块充电51 kV在负载8.5?上输出电压峰值49.6 kV、脉冲半高宽108 ns、脉冲前沿14 ns、平顶（90%～90%） 74 ns,具有较好的方波特性;11个高压脉冲产生模块层叠集成为1个22级紧凑PFN-Marx装置,在充电51 kV的条件下,84?负载上获得峰值516 kV的高电压脉冲输出,半高宽104 ns、平顶63 ns、脉冲前沿11 ns,实现了20 Hz连续15 s重频稳定工作,输出波形完全一致。     

负载回路电感对低阻抗脉冲形成线输出波形的影响

介绍了一个基于带状脉冲形成线的低阻抗实验平台,针对该平台设计了两种不同类型结构的匹配负载,并分别进行了实验研究,得到了不同的输出脉冲波形,发现轨道结构的水负载具有很低的负载回路电感,适于作为低阻抗脉冲形成线的匹配负载。实验结果表明：在开关电感一定的情况下,负载回路电感是影响低阻抗形成线输出波形的决定性因素。对于0.5 Ω的带状脉冲形成线,只有将负载回路电感控制在30 nH以内,才能获得波形较好的输出脉冲,高压实验结果也验证了此结论。利用数值模拟的方法,分析了负载回路电感对不同阻抗形成线输出波形的影响,结果表明：随着形成线阻抗的增加,负载回路电感对波形的影响越来越小。     

负载回路电感对低阻抗脉冲形成线输出波形的影响

 介绍了一个基于带状脉冲形成线的低阻抗实验平台,针对该平台设计了两种不同类型结构的匹配负载,并分别进行了实验研究,得到了不同的输出脉冲波形,发现轨道结构的水负载具有很低的负载回路电感,适于作为低阻抗脉冲形成线的匹配负载。实验结果表明：在开关电感一定的情况下,负载回路电感是影响低阻抗形成线输出波形的决定性因素。对于0.5 Ω的带状脉冲形成线,只有将负载回路电感控制在30 nH以内,才能获得波形较好的输出脉冲,高压实验结果也验证了此结论。利用数值模拟的方法,分析了负载回路电感对不同阻抗形成线输出波形的影响,结果表明：随着形成线阻抗的增加,负载回路电感对波形的影响越来越小。     

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。     

基于细线径螺旋脉冲形成线的长脉冲产生技术

提出了一种包含内外筒、细线径、多起端密绕的螺旋脉冲形成线(PFL)结构,与Tesla变压器有机组合,构建了长脉冲产生装置,可以实现较高的能量效率,并且结构紧凑,适于重复频率工作。以最大充电电压为结构设计原则,螺旋PFL波阻抗为12.6倍慢波系数,且形成线纵横比大于3.1时,Tesla变压器的耦合度能达到0.95;以形成线最大储能为结构设计原则,螺旋PFL波阻抗为7.5倍慢波系数,且形成线纵横比大于2.0时,Tesla变压器的耦合度能达到0.95。实验结果与理论分析吻合得较好。     

电感储能型脉冲形成线高重复频率脉冲功率发生器

利用传输线中的电感单元和电压叠加的方式来获得纳秒(ns)级矩形高压脉冲是一种全新的思路。描述了这种发生器的基本原理,并利用同轴电缆和MOSFET开关制作了两种原型脉冲发生器(单线型和双线型)来论证此方案的可行性,并进行了初步实验验证,在四模块叠加的情况下,分别实现了4 kV/20 A,20 ns和2 kV/40A,20 ns的短脉冲。实验结果表明,电感型脉冲形成线电压叠加器是一种有潜力的紧凑型高压脉冲发生器。     

基于螺旋线的紧凑型高压纳秒脉冲发生器

提出了一种结合高耦合Tesla变压器和螺旋形成线(FL)的紧凑型高压纳秒脉冲发生器,由内置Tesla变压器充电的螺旋FL包含外屏蔽筒、螺旋中筒和内导体筒,内外筒的两端均短路连接,螺旋中筒的一端开路,另一端穿过内外筒短路端面并与主开关电极连接。该结构简单紧凑、易于实现,输出脉冲前沿快、平顶好。给出了一组10 GW功率、百ns脉宽的FL设计,采用Midel 7131合成酯绝缘介质,FL外筒内径0.88 m,长度2 m。