基于SOS和LTD技术的高重复频率脉冲发生器

提出了磁饱和直线变压器驱动源(LTD)泵浦半导体断路开关(SOS)产生高重复频率短脉冲的技术路线。利用LTD初次级线圈为单匝同轴结构和磁芯可饱和的特点,实现快速反向泵浦SOS,通过多级LTD模块叠加获得高电压输出。采用射频金属氧化物场效应晶体管(RF MOSFET)作为LTD初级电路的主开关,将SOS正向泵浦电流脉冲时间降至数十ns,泵浦电流脉冲重复频率最高可达MHz。最终研制出一台基于SOS的10级磁饱和LTD型脉冲发生器,输出电压约11kV,电流220A,脉冲宽度约2ns,重复频率为20kHz。实验验证了磁饱和直线脉冲变压器泵浦SOS产生高重复频率短脉冲的技术路线可行。     

基于弧形PFN的长脉冲功率源研制

设计了基于弧形Blumlein 脉冲成形网络(Blumlein PFN)的LTD型重复频率长脉冲功率模块。该模块将四路阻抗均为24 的弧形Blumlein PFN对称分布在LTD外筒圆周上,连接于LTD的初级绕组上,并采用两个激光触发放电开关同步驱动,整个脉冲功率模块结构紧凑,缩短了高压馈线和开关引线长度,有利于形成良好脉冲波形。在此基础上研制了两模块重复频率长脉冲功率源,实验结果表明,研制的长脉冲功率源在5 Hz重频运行时假负载上输出脉冲幅值约为260 kV,脉冲功率达到5.2 GW,脉冲宽度约170 ns。     

紧凑型长脉冲功率模块研制

设计了基于Blumlein脉冲成形网络(PFN)的紧凑型长脉冲功率模块。该模块将两路阻抗各为20Ω的Blumlein脉冲形成网络对称连接于LTD的初级绕组上,并采用同一个气体开关驱动,以保证两路PFN工作同步。PFN采用直角弯折"L"型结构,这种结构既保证了PFN与开关连接紧凑,又将模块横向尺寸缩减至最短,且对输出脉冲波形影响不大。实验结果表明,研制的长脉冲功率模块在10Ω负载上输出脉冲幅值约为135kV,半高宽约为180ns,前沿约为50ns,平顶约为100ns,重复脉冲频率可达到25Hz。     

基于Blumlein 脉冲形成网络的直线变压器驱动源设计

 设计了基于Blumlein 脉冲形成网络的直线变压器驱动源单元模块。双路阻抗各为20 Ω的Blumlein 脉冲形成网络对称连接于直线变压器驱动源(LTD)的初级绕组上,此种接法降低了脉冲形成网络(PFN)的设计难度,有利于形成更好的脉冲。在LTD次级绕组所接的10 Ω匹配负载上输出高压脉冲,实验结果表明,单个LTD模块输出脉冲半高宽约200 ns,前沿约为55 ns,平顶约为100 ns。     

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。     

基于感应变压器原理的多路开关同步触发技术

为满足直线变压器驱动源(LTD)中大规模开关同步触发的技术需求,提出了一种采用逆LTD结构、基于感应变压器原理的多路LTD开关同步触发技术（LTD-trigger）。它的工作原理类似若干个串联工作的脉冲变压器,即初级输入一个高压快脉冲,通过脉冲变压器的感应耦合后在次级输出多路的同步触发脉冲,且能够与LTD中的气体开关形成很好的对应关系。与传统的触发技术相比,LTD-trigger的同轴结构有效地减小了触发脉冲的延时与抖动,并且通过合理设计,能够满足LTD模块对于同步触发的要求。分析了LTD-trigger的工作原理,建立了电路模型和仿真模型,通过仿真结果和一些故障模式分析,结合已开展的初步实验结果,验证了同步触发技术的可行性。     

100 GW直线变压器驱动源的物理设计与模拟

 基于已有四开关组直线变压器驱动源(LTD)模块设计了对1 Ω负载输出电流100 kA、脉冲上升时间小于60 ns的八开关组LTD模块,该模块采用轮辐式结构,由8个储能电容、气体开关、峰化电容器组并联向中心负载放电。在此基础上,给出了峰值功率100 GW、共10级的LTD装置的物理设计,该装置为同轴感应电压叠加型脉冲发生器。通过电路模拟和PIC模拟,对物理设计进行了检验,结果表明：10级八开关组100 kA LTD模块串联可使10 Ω负载获得超过100 GW的功率输出,脉冲上升时间小于60 ns,所选取的结构和参数能保证电子流的磁绝缘,高压脉冲能有效传输到负载。     

重频直线变压器长脉冲高功率微波驱动源研究

阐述了长脉冲高功率微波驱动源模块化的实现思想,分析了快直线变压器的铁磁损耗与激磁电流之间的关系,研究了系统输出波形畸变的主要因素,并通过工程实验取得了功率为数GW、重复频率为数十Hz、脉冲前沿约40ns的长脉冲电子束流输出,从而为重复频率长脉冲模块化高功率微波驱动源的研制提供了新思路.     

单模块直线变压器脉冲前沿

从理论上对直线变压器驱动源（LTD）输出脉冲波形的前沿进行了分析,研究了不同前沿畸变情况下对应的电路参数,并给出了计算方法,得到了相对电压和相对时间的关系曲线。根据理论分析设计了单模块LTD,并根据设计参数进行了数值模拟,模拟得到的输出脉冲前沿约30 ns、平顶约130 ns、幅值约125 kV。最后进行了单模块LTD实验,测得输出脉冲前沿约35 ns、平顶约130 ns、幅值约125 kV的输出脉冲,与模拟结果基本一致。由于负载不完全匹配等因素的影响,波形后沿较差且有振荡,但仍符合设计要求。     

国际快脉冲直线变压器驱动源技术研究进展

 快脉冲直线变压器驱动源（LTD）技术是近年来快速发展起来的一种新型脉冲功率技术。概述了近年来国际上快脉冲LTD技术的研究现状,介绍了快脉冲LTD在Z箍缩和闪光照相两个应用领域的发展,重点介绍了具有代表性的装置的概念设计及研究进展;对快脉冲LTD技术所涉及的开关、触发系统等关键技术进行评述,并在此基础上提出了进行快脉冲LTD技术研究需关注的重点问题及研究途径。     

负载阻抗对直线变压器驱动源传递效率的影响

从理论及模拟仿真分析了负载阻抗变化对双线型脉冲形成网络直接给负载放电,以及通过直线变压器(LTD)给负载放电时电压传递效率、能量传递效率以及峰值功率传递效率的影响。基于设计加工的LTD单元模块实验平台,通过调节水电阻负载阻值进行了一系列实验。实验研究结果表明:当负载阻值基本与双线型脉冲形成网络的阻抗2.5Ω相匹配时,可获得最大能量传递效率80.5%,此时电压传递效率、峰值功率传递效率分别为84.1%,73.9%;增大负载阻抗至3.4Ω时,可实现99.0%的电压传递效率,而能量传递效率、峰值功率传递效率仅减小3.5%,0.3%。根据对实验结果的分析可知,通过增大负载阻抗可以有效地提高系统的电压传递效率,且当负载阻抗变化不是太大时,对系统的能量传递效率以及峰值功率传递效率影响较小。     

直线变压器驱动源两单元模块实验研究

基于脉冲成形加感应叠加技术路线是实现脉冲功率小型化的重要发展方向之一。介绍了设计的直线变压器驱动源单元模块结构,每一单元模块馈入阻抗为2.5 、脉冲宽度为200 ns的高压脉冲,两个模块输出的高压脉冲经过阴极杆感应叠加后输出至负载。实验结果表明:在工作电压40 kV、重复频率20 Hz及40 Hz条件下,两个单元模块经磁芯感应叠加后输出波形的抖动约为2 ns,波形质量与脉冲形成网络直接对匹配负载放电时十分吻合,且各次波形的重复性、一致性较好。     

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。     

网络结构对人工线电压效率影响的初步研究

利用集中参数的电容和电感,设计了阻抗为20Ω的Blumlein型脉冲形成网络。采用有限积分法,对两种不同连接结构的脉冲形成网络进行三维建模和仿真,模拟结果表明,设计的直线型连接结构的脉冲形成网络电压传递效率为98%,折叠型脉冲形成网络电压传递效率为90%。对两种不同连接结构的脉冲形成网络进行了高压实验,实验结果与理论模拟结果基本吻合。通过对两种不同连接结构脉冲形成网络耦合参数的计算,初步分析了导致能量传递效率不同的原因。     

紧凑型可重复运行的高功率纳秒脉冲源

 讨论了一种低阻抗、高储能密度、可输出中等高压的百ns脉冲形成技术,其输出波形质量较好;采用磁感应电压叠加技术将该脉冲形成装置输出的中等高压脉冲叠加到应用需求的高电压高功率脉冲。研究表明单个感应模块可在2.8 Ω的负载上获得脉冲宽度为220 ns,前沿为50 ns的中等高压脉冲。     

600kV直线变压器驱动源的设计与模拟

基于对125 kV直线型脉冲变压器驱动源(LTD)模块的实验研究,设计了脉冲形成线为Blumlein结构的150 kV LTD模块,并在此基础上设计了输出电压600 kV、四级模块串联运行的LTD装置。根据理论计算的结果选择了LTD次级线圈的尺寸,通过电路和3维模拟,分析了不同输入方式对输出脉冲波形的影响,结果表明:左端输入方式输出脉冲波形好于右端输入方式;与单边输入方式相比,双边对称输入方式得到的载脉冲波形的前沿更好。根据600 kV LTD装置的设计参数进行了电路模拟,在40Ω匹配负载上得到的输出脉冲波形前沿(10%~90%)约30 ns、平顶约110 ns、后沿约30 ns、幅值约600 kV,满足绝缘耐压要求。     

1MA直线型变压器驱动源模块设计

介绍了输出电流幅值为1 MA,电流上升时间为100 ns的快脉冲直线型变压器驱动源(LTD)模块的设计。模块由48个子块并联组成,每个子块由2个电容器和一个多级气体开关串联组成。48个开关由8路高压脉冲触发,每路高压脉冲(100 kV/50 ns)触发6个开关。电路模拟显示,在充电90 kV条件下,输出电流幅值为1.04 MA,电流上升时间为84.5 ns(0~100%)和52 ns(10%~90%)。电路模拟时的参数设置以实验数据为基础,开关的工作条件与已研制成功的100 kA-LTD模块中的开关工作条件近似,模块设计工作于腔体注油状态以保证高压运行安全,能够保证模块达到设计要求。     

脉冲形成网络能量传递效率分析

采用无感陶瓷电容器作为储能介质,相邻电容器采用宽度为2 cm、厚度为0.2 cm的金属铝条相连接,设计了2.5Ω,200 ns低阻抗Blumlein型脉冲形成网络。理论计算表明,当频率等于2.5 MHz时,相邻电容器之间导线的高频电阻约为3.2 mΩ;基于Pspice仿真软件的模拟结果表明,设计的脉冲形成网络能量传递效率可以达到94.92%;实验研究结果表明,在2.6Ω负载条件下,该脉冲形成网络的电压传递效率约为93.53%,能量传递效率约为93.22%。实验结果与理论分析结果基本吻合。