用于标定分压器的高电压毫微秒脉冲发生器

研制了一台高电压毫微秒脉冲发生器,它将用于标定快响应的分压器.该发生器由直流高电压电源、50欧姆脉冲形成线、紧凑型气体火花开关、50欧姆脉冲传输线构成,可输出脉宽100ns、幅值5～10kV的准矩形电压脉冲.当开关中为1个大气压空气时,其输出脉冲的上升时间约13ns;若希望得到更短的脉冲的上升时间,可将气体开关的气压增大.     

10kV方波发生器的研制

针对电力系统中波前时间比标准雷电波(1.2μs)还要短的冲击过电压测量问题,以及为了提高试验标定冲击分压器时输出信号的信噪比,提出了电容放电型方波发生器的电路原理,以上升时间<5ns的气体间隙作为陡化开关,研制了上升时间为ns级的高压方波发生器。初步试验结果表明,陡化开关满足设计要求,重复性好,但波形受回路杂散参数的影响较大。在考虑杂散参数影响的条件下,通过ATP仿真分析了回路主要参数对输出波形的影响规律并确定了各参数的取值,改进后的试验回路能得到上升时间<5ns、脉宽>1μs、幅值约10kV的方波电压。该方波发生器可作为标定冲击分压器的方波源。     

基于非平衡Blumlein型多层微带传输线的高压纳秒脉冲发生器

为制作生物医学用小型化、紧凑型ns脉冲发生器,结合非平衡Blumlein型多层微带传输线和固态开关技术,研制了一台基于非平衡Blumlein型传输线的全固态高压纳秒脉冲发生器。通过波传播过程分析非平衡Blumlein型多层微带传输线方波形成原理;介绍了相关固态开关的控制时序及其"截波"策略,以此实现50~100 ns的方波脉冲脉宽可调;阐释了非平衡Blumlein型多层微带传输线系统的负载阻抗可变的相关原理;并研制了一台小型纳秒脉冲发生器以进行相关性能测试。最终,在50Ω负载下的纳秒脉冲电压参数:幅值0~2 k V可调、脉宽50~100 ns可调、重复频率0~1 k Hz可调,上升时间约20 ns;此外,测试了500Ω负载下输出的纳秒脉冲电压幅值约为充电电压的2倍。     

基于薄膜开关的10 kV亚纳秒前沿方波发生器

在脉冲率技术和高电压技术领域内,快前沿方波发生器是用于对高压测试探头进行标定的重要仪器。在前期研究的基础上,设计了新型紧凑低电感固体绝缘薄膜开关;根据Blumlein双传输线原理,使用该开关研制了一台高压方波脉冲发生器,经过测试,获得了亚纳秒前沿的高压方波脉冲,方波波形规则稳定,脉冲前沿小于850ps,幅值在0.5～10kV范围内连续可调。为配合方波发生器的实际应用,研制了高阻同轴型电阻分压器和Y型高压电缆转接头,经过与标准衰减器对比测量,高阻值分压器具有与后者相同的性能参数,可实现对0.5～10k V方波脉冲的实时在线监测;设计了自动换膜机构,使用PLC实现了发生器的系统集成,很大程度上提高了方波发生器的仪器化程度,也使得该方波发生器的使用更加简单和方便。     

基于微带传输线的生物溶液处理用纳秒脉冲电场发生器研制

研究纳秒脉冲电场生物学效应需要相应的高压纳秒脉冲发生器。为此,基于微带传输线与固态开关技术,通过波传播过程分析阐释了Blumlein型微带传输线方波的形成原理;采用CST微波实验室仿真分析了微带传输线充电过程中的电场分布;制作了小型化的纳秒脉冲发生器样机,并搭建测试系统对其进行了性能测试。结果表明,在电转杯负载端得到的纳秒脉冲电压幅值在0~2 k V内可调(即对间隙距离为1 mm的电转杯负载,电场强度在0~20 k V/cm内可调),脉宽为100 ns,上升沿约为20 ns,重复频率在0~1 k Hz内可调。     

0.1 TW级脉冲功率发生器的初步实验

为了驱动X箍缩和Z箍缩负载,构建了由Marx发生器、脉冲形成线、V/N开关、脉冲传输线、负载组成的0.1TW级脉冲功率发生器(PPG-I)并在Marx发生器充电电压为75kV时,对PPG-I进行了调试实验。实验发现:当V/N开关主间隙中SF6气压固定为0.466MPa时,改变辅助间隙中SF6气压将显著影响开关的放电及输出特性;若辅助间隙气压为0.274MPa,当脉冲形成线(PFL)充电电压接近峰值(1.1MV)时,辅助间隙首先击穿,引起主间隙中多弧道放电,1.25Ω匹配负载上电压为较理想的矩形波;若辅助间隙气压上升到0.344MPa,辅助间隙难以击穿,主间隙在PFL充电电压接近峰值时先击穿,主间隙中只有一条放电弧道,负载上电压波形缓慢上升到440kV,且无平顶部分。由此得出:V/N开关多弧道放电时,该脉冲功率发生器的输出参数满足驱动X箍缩和Z箍缩的要求。     

10kV重复频率方波脉冲源的研制

为进行绝缘材料在快前沿高压脉冲作用下的局部放电和绝缘老化的试验研究,研制了1台最高输出电压为10kV的重复频率高压方波脉冲发生器。该方波发生器采用可调直流高压电源和储能电容器作为能源系统,利用半导体固态开关作为主放电开关控制脉冲宽度和重复频率,通过脉冲放电回路在负载上形成所需的电压脉冲。其半导体固态开关采用具有低耦合电容的紧凑型快速高压金属氧化层半导体场效应晶体管(MOSFET)开关,通过复杂可编程逻辑控制器(CPLD)可编程逻辑电路实现开关通断控制。实测结果表明,该脉冲源可以产生脉冲上升沿约为80ns、最小脉冲宽度为320ns的高压准方波脉冲,最高输出幅值达到±10kV,脉冲重复频率的可调范围为1～3kHz,性能指标满足绝缘材料的局部放电以及绝缘老化试验的要求。     

亚纳秒级同轴电阻分压器研制及其不确定度评定

为了保证纳秒脉冲电压测量用电容分压器的准确性,需在测量系统标定平台中布置标准电阻分压器作为基准分压器,通过测量结果比对的方式获得电容分压器的频率特性。因此,采用金属膜电阻研制了同轴电阻分压器作为电容分压器标定时的基准;研制了亚纳秒级上升沿的方波校准器,对此同轴电阻分压器进行了方波响应测试;并参照测量不确定度表示通用方法对其刻度因数不确定度和上升时间不确定度进行了评定。试验结果表明,所研制的电阻分压器可有效响应上升前沿约300 ps的方波,取95%置信区间时,其方波响应的刻度因数扩展不确定度为1.264%,上升时间的扩展不确定度为6.92%。     

高重复频率的ns气体火花开关

针对气体火花开关工作频率低的缺点,以μs级上升时间和脉宽的单极性高压脉冲作为初级脉冲,通过ns火花开关的作用,得到频率为几千Hz、脉宽和上升时间都为ns级的重复脉冲。分别改变开关的工作气压、气体成分及直流偏置等工作条件,在不同的原始脉冲的间隔时间(200～1000μs)下,测量了两个连续脉冲的幅值和作用时间,进而研究了不同频率下开关工作条件对电压恢复特性的影响,并根据残余电荷的运动及分布,对其进行了讨论。结果表明:提高开关工作气压、掺入适量的SF6及施加合适的偏置直流电压都将改善开关的电压恢复特性。     

用于外置式暂态电压传感器标定的纳秒级上升沿阶跃波发生器研究

为掌握VFTO外部传感器高频检测性能,需要开展传感器标定研究。现有VFTO传感器高频标定源多采用气体开关或薄膜开关设计,存在体积大、消耗气体或绝缘薄膜、寿命短等问题。为解决上述问题,设计了适用于VFTO外部传感器标定的高压阶跃波发生器及回路。基于MOSFET固体开关,提出了高压阶跃波发生电路,分析了高压阶跃波模块电路板布局对输出阶跃波波形和上升时间的影响。通过波过程计算对输出电压波在标定回路上的传输进行了分析,开展了仿真模拟和实验测量研究,探究并验证了高压阶跃波发生器输出波形的影响因素,明确了阶跃波发生器的关键参数。成功研制出上升时间4.8 ns,平顶持续电压平均值最大为5 kV的高压阶跃波发生器及标定回路,满足外置式暂态电压传感器高频响应特性标定需求。     

新型高功率高重复频率脉冲电源研制

介绍了一台适用于某强流电子束加速器的高功率、高重复频率脉冲电源,其基本电路采用三相半波整流构成直流电源,利用LRC直流谐振充电原理实现脉冲电源的重复频率运行。     

200 kV脉冲电压发生器的研制

研制了以Tesla变压器为核心组成的200kV脉冲电压发生器,介绍了高压脉冲变压器以及脉冲极性和限流电阻自动转换的设计、制作与试验。高压脉冲发生器的输出为±(60～200)kV,连续可调;输出波形为半正弦波;波形宽度约6μs;限流电阻调节范围为2～17kΩ;高压脉冲极性和限流电阻可自动转换,其性能指标满足使用要求,且操作简单、安全,性能稳定可靠。     

实用化高压脉冲电源的研制与改进

提出了一种基于半导体断路开关(SOS)和两级磁脉冲压缩网络的高压脉冲电源,电源在负载为50Ω时脉冲电压峰值和脉冲宽度为51 k V和120 ns,但在负载为反应器时仅为16 k V和12μs。探讨了电源和反应器之间的匹配,以利于提高电源能量利用效率。根据将反应器整体看成是一级电容的匹配思路,设计出了一级磁压缩电源和两级磁压缩电源与反应器进行匹配。从实验结果可以看出,改进后的电源对大型反应器的效果非常好,负载为反应器时,一级磁压缩电源负载脉冲电压峰值和脉冲宽度为23 k V和6μs,两级磁压缩电源负载脉冲电压峰值和脉冲宽度为30 k V和1.2μs。     

大型非晶态磁开关铁心的研制

主要论述了磁脉冲压缩(Magnetic Puls Compress,简称MPC)的原理;介绍了磁开关铁心的工作状态、技术特点以及特殊的工艺技术.针对如何让铁心能够在2kHz高重复频率以及传输400ns窄脉冲下可靠工作,在磁开关铁心的材质选取上,给出了多种高频软磁材料的性能对比,并介绍了相关的工艺处理技术.     

超级电容器用于建立强脉冲磁场的可行性研究

为解决爆炸磁流体发电机应用设计中储能高压脉冲电容器存在的一些缺点,提出了一种以超级电容器替代高压脉冲电容器作为储能器件建立强脉冲磁场的设计方案。在给出脉冲放电回路中超级电容器的等效电路模型、超级电容器模块的设计原则和储能系统管理方案后,对超级电容器模块振荡放电和非振荡放电两种类型进行了分析计算。超级电容器模块和高压脉冲电容器模块的放电电流仿真波形和模块参数的对比结果表明,在产生同样大的脉冲电流下,超级电容器模块放电持续时间更长,在体积和重量上有一定的优势,用于建立强脉冲磁场是可行的。     

长脉冲折叠型螺旋脉冲形成线的设计和初步实验

高功率脉冲功率调制器的紧凑化是其重要研究方向,为此将螺旋线与折叠线技术相结合,设计了一种长脉冲折叠型同轴螺旋脉冲调制器,该调制器将两根螺旋型脉冲形成线通过过渡段部分连接,形成折叠结构,在一定的长度范围内实现了长脉冲的输出,设计指标为:二极管电压400 kV,负载电流26 kA,脉冲宽度约为260 ns。对传输线的电压波过程进行了分析,结果表明,过渡段阻抗与传输线阻抗匹配时输出波形最好;用PSpice软件对脉冲形成线的充电电压和二极管电压、电流进行了模拟;利用高压同轴电缆,进行了低压情况下的验证实验,实验结果与理论分析、模拟研究结果一致。此种类型的调制器具有运行稳定、体积小、结构紧凑的特点。     

真空触发开关导通瞬间高频脉冲电压的测量

介绍了一种高压真空触发开关导通瞬间高频脉冲电压的测量方法,并构建了相应的测量系统。对测量过程中各种抗干扰措施进行了分析,试验测得了开关导通瞬间的脉冲电压波形,并获得了约400ns的开关闭合延时时间。     

功率IGBT模块测试设备脉冲高压参数校准技术研究

为了避免器件温升对参数测量造成影响,"脉冲测试法"被广泛应用于功率IGBT模块的静态和动态参数测试中。该类设备内部单脉冲高压源脉冲宽度为50μs时脉冲的高压幅度可达7 k V以上,如何对该单脉冲高压源进行校准是一个技术难题。研制了脉冲高电压分压器,并使用数据采集单元搭建了脉冲高压参数校准装置,解决了功率IGBT模块测试设备的脉冲高压参数校准难题。通过测量不确定分析和实验验证,综合考虑各测量不确定度分量的影响,在包含因子k为2时,脉冲高压参数校准扩展测量不确定度为1.4%。     

高压ns脉冲测量中的分压器性能及阻抗匹配

为研究ns级高压脉冲测量中存在的问题,探讨了分压器阶跃响应性能与脉冲测量结果的关系及测量系统的阻抗匹配与否对测量结果的影响。由阶跃响应性能不同的分压器的双指数脉冲响应的Pspice仿真和实验测量可知:当分压器阶跃响应存在过冲时,波形上升和下降时间变短;当阶跃响应的上升时间大于被测双指数脉冲的上升时间时,波形上升和下降时间加长。基于传输线理论和Pspice仿真分析及实验测量结果可知:系统内部阻抗不匹配将导致反射和初始分压比小于稳态分压比,高压引线始端不匹配将激发振荡。因此,只有当分压器的阶跃响应无过冲且上升时间低于被测脉冲上升时间、测量系统的阻抗匹配时,才可能得到准确的测量结果。