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。     

直线型脉冲变压器模块的响应特性

 介绍了短脉冲应用中磁芯的选取,设计了一台两路并联馈电的单模块直线型脉冲变压器驱动源（LTD）装置。在低压情况下测试了装置对不同脉宽信号的响应特性,在此基础上利用一级脉冲形成网络提供的输出阻抗约5 Ω,脉宽约3 μs的近似方波信号对装置进行了高压实验,得到了匹配负载情况下LTD次级上的输出电压波形,和脉冲形成网络的输出波形得到了很好的吻合。建立了相应的LTD电路模型,利用Laplace变换推导了模型对有限上升前沿脉冲的响应,证明了励磁电感偏小是造成实验中LTD装置输出电压幅值明显低于充电电压的主要原因,提出了改进方法并进行了实验验证。     

基于分数比可饱和脉冲变压器的全固态脉冲驱动源初步研究

设计了一台基于分数比可饱和脉冲变压器的全固态脉冲驱动源,其核心部件为分数比可饱和脉冲变压器,用来实现固态磁开关、脉冲调制、电压升压等功能,再借助Marx技术、磁开关技术和反谐振网络调制技术建立全固态脉冲驱动源,初步实验结果表明当直流电源提供100 V的充电电压时,该全固态脉冲驱动源可输出14.4 kV左右的准方波信号,脉宽约194 ns,验证了该技术方案实现输出百纳秒准方波信号的可行性,为建立百MW长脉冲信号输出的全固态脉冲驱动源模块提供了设计思路。     

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。     

三谐振高压脉冲变压器

介绍了一种基于空芯变压器的三谐振高压脉冲变压器。通过对三谐振脉冲变压器无损等效电路的理论分析,给出了在回路本征频率1∶2∶3时,电路各参数的关系及输出电压解析表达式,此条件下负载电压最大值为空芯变压器次级高压输出电压的2.77倍。根据理论分析及电路模拟的结果,提出了适用于三谐振脉冲变压器的设计方法迭代模拟法,并采用迭代模拟的方法在研制的空芯变压器基础上研制了一台基于三谐振脉冲变压器的脉冲功率源,进行了实验研究。实验结果表明:所研制的三谐振脉冲变压器输出电压的最大值可以达到锥形高压绕组输出电压的2倍,系统最大工作电压约为600 kV,与理论分析的结果相吻合,说明将任意一台双谐振脉冲变压器改造成三谐振脉冲变压器具有可行性。     

紧凑型脉冲形成网络的优化设计

利用PSpice软件,在考虑互感的情况下对直线型、L型和U1型结构的脉冲形成网络进行电路仿真,同时采用瞬态场路同步协同仿真方法对5种不同连接结构的脉冲形成网络进行三维建模和仿真,并对这5种不同连接结构的脉冲形成网络进行实验,实验结果显示:5种不同结构脉冲形成网络的输出波形的上升沿约为45 ns;U1,U2型和U3型结构的脉冲形成网络输出脉冲的半高宽分别为166,158和154 ns,且其平顶处存在较大波动。将电路和瞬态场路同步协同方法得到的仿真结果和实验结果进行分析和比较,结果表明:瞬态场路同步协同仿真方法能很好地模拟脉冲形成网络的工作过程和输出波形,实验中的匹配负载和开关电感都要比仿真中的大,U型结构脉冲形成网络有利于实现脉冲功率源系统结构的紧凑化和小型化。     

感应电压叠加器模块对方波脉冲的响应

为了解感应电压叠加器(IVA)对馈入脉冲的响应特性,尤其对上升前沿、平顶的影响,从理论和实验两个方面对IVA模块进行了研究。介绍了IVA的工作原理,利用集总参数方法建立了相应的电路模型,通过拉普拉斯变换分析了感应电压叠加器对方波脉冲上升前沿和平顶的响应,并在一个特定的IVA模块上进行了实验研究。选择输出阻抗约1.2Ω、脉宽约1μs的脉冲形成网络作为馈源,在匹配负载上得到的波形与输入波形在幅值、上升前沿方面达到了很好的吻合,平顶出现略微的顶降,与理论预期相一致。     

光导开关级联Blumlein型脉冲网络设计

为了驱动重复频率运行高阻抗X光管,设计了基于光导开关的级联Blumlein型脉冲形成网络。采用数值模拟方法优化网络参数,从网络充电电压一致性、输出脉冲波形畸变、电压叠加效率、负载预脉冲幅值出发确定了充电电感和支撑电感设计原则。实验表明:光导开关工作场强23.2 kV/cm,激光触发能量3.5 mJ时,阻抗约15.6 的Blumlein型脉冲形成网络电压转换效率为0.71,2级级联网络电压叠加效率0.96。     

开关模式的方波调制超声波发射电路

一种基于开关模式的方波调制超声波发射电路,是利用超声换能器压电晶体振子的串联谐振网络与有源开关器件之间所形成的最佳响应,实现了高效的方波调制发射。 本文分析了此种电路的特点和数学表达式,叙述了实现这一电路的实验方法,最后给出了由这一电路产生的超声波方波调制脉冲的波形图。     

基于谐振电路与脉冲变压器的高压脉冲源设计

提出一种基于谐振电路与脉冲变压器结合的高压脉冲实现方案,该方案利用电容与电感的谐振效应,结合脉冲变压器的升压作用,在仅使用一个半导体开关的条件下,实现高压脉冲的输出,其结构简单,成本低,并且可实现零电压关断。并对于电路的运行模式进行了理论分析,搭建了原理样机进行实验。容性负载条件下,实现频率1～ 15 kHz、幅值0～ 10 kV可调的高压脉冲输出,对比分析了续流支路以及续流电阻对于输出高压脉冲波形的影响。利用该脉冲电源进行DBD放电实验,成功驱动介质阻挡放电反应器,验证了该方案的可行性。     

脉冲功率应用的IGBT快速驱动电路

根据绝缘栅双极型晶体管(IGBT)的工作特性,研究设计了一种应用于脉冲功率系统的开关驱动电路,实现了IGBT的快速开通。阐述了驱动电路的原理,设计了基于平面变压器的驱动电路,在驱动芯片基础上为栅极提供幅值为60 V脉冲电压,提高开关速度。最后使用Blumlein双线结构对驱动电路的性能进行了实验验证。应用这种驱动方式,提高了集电极电流上升速率。实验结果表明,在1000 V的工作电压下,通过IGBT的脉冲电流达到了470.53 A,脉冲前沿为40 ns,di/dt达到9.41 A/ns,相比数据手册提供的数据,该电流上升速度提高了7.53倍,实现了对IGBT的快速驱动。     

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。     

变像管皮秒分幅和飞秒扫描相机的实验研究

本文将描述两种变像管皮秒分幅相机和一种飞秒扫描相机的设计特点、动态测试方法和实验结果。第一种变像管皮秒分幅相机采用了交叉点扫描多光栏分幅的方法,其变像管具有长加速电极和短阳极的静电弱聚焦系统与偏转灵敏度高、偏转像质好的偏转群体结构;其超快速控制电路只需一个光电开关斜坡电压脉冲发生器和一个特殊设计的脉冲成形网络即可送出具有合适时间关联的4对正负极性三角波和一对正负极性的单台阶液电压脉冲。实验表明,该相机在提供6幅分幅图像的情况下,每幅图像全曝光时间为80ps,除 3～4幅图像间的时间间隔为680ps外,其余均为160ps,动态空间分辨率达到5.51p/mm。第二种变像管皮秒分幅相机采用快门式分幅方法;其变像管采用行波偏转系统,内增强MCP做成带状线结构,并具有输入输出阻抗变换器,其三台阶波和快门脉冲序列均由光电开关电路和脉冲成形网络产生。该相机在提供三幅分幅图像的情况下,每幅图像全曝光时间为660ps,画幅之间的时间间隔均为4ns,动态空间分辨率为5.5lp/mm。飞秒扫描相机采用MCP内增强飞秒扫描变像管、具有负时间畸变的中继透镜和无触发晃动的光电开关扫描电路。实验证明,该相机在时间分辨率为500fs时,其动态范围为30;当时间分辨率为1.2ps时,其动态范围可达500;无扫描图像弯曲现象,触发晃动为±2ps.     

高功率多脉冲调制器研究

 研制了能产生多脉冲的高功率脉冲调制器,该调制器由初级储能系统、带绕式变压器、水介质Blumlein线和场发射二极管组成。在场发射二极管上获得3个峰值功率大于20 GW,半高脉宽约60 ns,脉冲间隔约15 ms,电压约400 kV的高功率电脉冲。理论计算、模拟计算与实验结果基本一致。分析表明主开关恢复时间是影响调制器输出脉冲时间间隔的主要因素。     

脉冲激光器大电流窄脉冲驱动设计

介绍了利用金属氧化物场效应管产生大电流窄脉冲来驱动激光二极管的原理,推导出驱动金属氧化物场效应管峰值驱动电流的计算公式和开通时间的估算公式,通过仿真总结出影响驱动电源脉冲电流的脉宽、幅度和振荡的主要因素,理论和仿真结果表明,器件的寄生电感、电路走线电感和负载寄生电感对电流影响较大。实验结果显示,在供电高压为200 V时,金属氧化物场效应管开通时间为2 ns;激光二极管驱动电流上升时间小于10 ns,脉宽为15~100 ns,幅度为0~50 A连续可调,频率为0~50 kHz。     

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。     

快脉冲直线型变压器驱动源同步触发系统

提出了一种基于单传输线脉冲成形技术的模块化快脉冲直线型变压器驱动源的同步触发系统的概念设计,主要由级数较少的Marx发生器、脉冲形成线、主开关、脉冲传输线及触发引出电缆等组成。利用等效电路模型,研究了Marx发生器与脉冲形成线的配合关系,当发生器同时驱动多路形成线时,可以有效增加触发脉冲的数量,并能提高能量利用效率,但触发脉冲的幅值会降低。研究了水介质线阻抗与引出电缆数量对触发脉冲的影响,结果表明:随着电缆序号的增加,触发脉冲的幅值逐渐降低,并且水介质线的阻抗越高,幅值降低的速度越快。触发脉冲也可同时引出,驱动单路形成线输出60路时,触发脉冲的峰值约为293 kV,前沿约11 ns;当驱动5路形成线输出300路时,触发脉冲的峰值约为151 kV,前沿约11 ns。