高陡度场畸变开关触发系统的研制

介绍了可产生幅值 30kV、前沿 5 .4ns用于场畸变火花间隙开关触发的装置。该装置通过电容储能并对脉冲变压器放电 ,经过陡化获得上升陡度 5 .5kV/ns的触发脉冲。触发控制系统控制方式灵活、抗干扰能力强、系统结构简单、紧凑 ,工作稳定可靠。     

低抖动大气压空气电晕均压多间隙气体火花开关

为了发展结构简单、便于维护的大功率气体火花开关,研制了大气压空气电晕均压多间隙气体火花开关,该开关采用电晕放电均压方式,由9个相同的间隙构成。利用有限元分析方法对9间隙电晕均压气体火花开关的电场进行了分析,发现适合长度的电晕针对开关主间隙的电场影响很小,且加载触发脉冲时可在中间间隙形成了强烈的畸变电场。在理论分析的基础上,开展了开关击穿特性研究,实验结果表明电晕均压有利于提升开关的稳定性,开关自击穿电压分散性降低,自击穿电压略微增大;同时多间隙开关实现了良好的触发导通,在工作电压60～85 kV(工作欠压比56.8%～80%)范围内,开关的击穿延时抖动均小于20 ns,当工作电压达到80 kV以上时,抖动可小于10 ns。文中设计的大气压空气电晕均压多间隙气体火花开关可用于直线脉冲变压器等脉冲功率系统,使用的基于电场模拟对电极结构进行优化的方法对设计其他类型的开关具有借鉴意义。     

脉冲陡度对快脉冲下真空沿面闪络特性的影响

为了研究高压快脉冲下绝缘材料的真空沿面闪络机理,从脉冲陡度角度出发,在真空度5 mPa水平下,通过5种脉冲源形式,13种输出电压,测量了环氧试样在不同脉冲陡度下的真空闪络电压。通过数据的分段拟合,结合闪络时延特性以及在高脉冲陡度下洛伦兹力对电子运动的影响,讨论了脉冲陡度对闪络电压的作用机制。分析表明,脉冲陡度很低时(<1.5 kV/ns),闪络电压主要受闪络形成的统计时延的影响;脉冲陡度较高时(几kV/ns~10 kV/ns),闪络的形成时延也成为影响闪络电压的重要因素;脉冲陡度很高时(>十几kV/ns),闪络电压受闪络时延和洛伦兹力共同影响。     

预电离开关触发间隙击穿时延特性

为了研究预电离开关触发间隙在是否叠加主间隙电场时的击穿时延特性,采用基于气体放电流体模型和有限容积法的二维程序对氮气中气压0.1～0.7MPa、电极间距0.5mm和1mm、间隙上脉冲电压上升速率与气压的比值d(u/p)/dt等于0.8 kV/(ns·MPa)和0.4 kV/(ns·MPa)、主间隙与触发间隙之间分压比不同时叠加主间隙径向电场下触发间隙的击穿过程进行模拟并对比实验数据。结果表明,由于d(u/p)/dt影响间隙中的平均归一化电场Eav/p的变化过程,d(Eav/p)/dt值确定时,气压、初始电子产生的时刻和电极间距等是影响间隙击穿时延的主要因素。叠加主间隙径向电场会增强触发间隙中的空间电场并加快电子崩的发展过程,但也会使电子沿径向漂移,导致击穿时延增长。为削弱叠加径向电场的影响,可以减小分压比、增大d(u/p)/dt和阳极直径。     

一种多间隙气体开关击穿特性的实验研究

快前沿直线型变压器驱动源(FLTD)是一种可以直接获得100 ns脉宽的脉冲功率源新技术,在Z箍缩、闪光照相、强激光和高功率微波方面具有重要应用。为了寻求用于FLTD的多间隙气体开关的合适结构,设计了一种场畸变多间隙气体开关。该开关含有6个间隙,各个间隙距离相等,开关间隙总长度为30 mm。开关中间电极为锚式固定结构,每个电极由3只螺钉固定在绝缘筒壁内侧,数值计算了开关的电场分布,实验研究了开关的自击穿及触发特性。结果表明,开关自击穿特性曲线与经验公式曲线基本符合,自击穿电压的分散性<3.2%;在工作系数为50%时,开关仍能正常触发,触发时延约百ns;在工作系数为60%时,触发脉冲为150 kV/15 ns的情况下,开关触发时延约60 ns,抖动时间约5 ns。     

多级多通道气体火花开关的同步放电特性

具有广阔应用前景的气体开关是快脉冲直线型变压器(LTD)这种新型初级储能脉冲功率源的关键部件,为提高其工作性能,对多级多通道气体开关多路同步放电特性进行了初步的实验研究。在优化设计标称电压200kV多级多通道气体火花开关的电极支撑结构后采用绝缘子内抠槽平面支撑结构,使用圆环形凸面结构电极代替圆环形平面电极。利用电磁场分析软件计算开关的电场分布表明:直流高压作用下,开关各间隙电压分布较均匀;触发脉冲作用下触发间隙电场畸变明显。10只开关的同步放电实验研究结果表明,10只气体开关的自击穿特性和触发特性有一定个体差异,其中5只开关并联放电同步性能良好,输出电流脉冲能有效叠加;工作气体为0.14MPa氮气,正负充电60kV,5只开关并联放电,能够产生上升沿约100ns,峰值约100kA的电流脉冲。     

高压GaAs亚纳秒光电导开关的实验研究

报道了用全固态绝缘结构研制的半绝缘GaAs光电导开关产生高压亚纳秒电脉冲的性能和测试结果。分别用ns、ps激光脉冲触发开关的测试表明，开关的暗态维持电场达35KV/CM，输出电流脉冲上升时间约500ps，达亚纳秒量级。测量了高倍增开关的光电阈值曲线，其最小触发电场阈值≥4.1kv/cm。开关输出电磁脉冲无晃动。3mm电极间隙开关2500v偏置下，入射能量为8μj时获得线性波形，在48μj时获得Look-on波形。     

LCR触发多级多通道火花开关的设计及其性能分析

为了进行电粉碎岩石和等离子体灭菌的实验研究,研制了一种LCR触发多级多通道火花开关。采用μs上升前沿的初级脉冲充电电源对低电感陶瓷电容充电,以火花开关作为短脉冲形成开关。在600Ω负载电阻下,测试了火花开关的工作性能。利用脉冲电源开展水中灭菌实验,考察了开关的工作性能。实验发现:当气体间隙总长为14mm时,开关的导通电压范围为29～45kV。当火花开关的工作电压为34kV时,火花开关平均导通时延和抖动分别为115μs和71μs;负载上峰值功率为1.776MW;电阻上获得的电压波形基本一致,电压幅值在33.4～34kV范围内,电压的上升时间范围为23～28ns;开关的能量损耗为8%,其中触发电路引起的能量损耗为2.163%。火花开关在累计工作2.5万次后,电极烧蚀均匀,厚度无变化。火花开关分别在有、无LCR触发电路情况下连续运行20次的对比实验证明,LCR触发方法能够显著提高多级多通道的火花开关工作的稳定性。     

基于现场可编程门阵列的全固态高压ns脉冲发生器

为研究ns脉冲电场诱导肿瘤细胞的凋亡效应,结合Marx发生器原理和全固态开关技术,研制了一套基于现场可编程门阵列(FPGA)的多参数可调全固态高压ns脉冲发生器。该发生器主要包括高压直流电源、Marx电路、FPGA控制电路和负载4部分。Marx电路采用金属氧化物半导体场效应晶体管(MOSFET)作为控制开关代替传统的火花间隙开关,用二极管代替电阻。FPGA产生多路同步触发脉冲信号,通过光纤进行隔离后可作为MOSFET的原始控制信号,同步驱动多个MOSFET。FPGA控制电路控制充电电压和输出脉冲的宽度、频率,并具有保护功能。实验结果表明,该脉冲发生器可产生幅值(0～8kV)连续可调、脉宽(200～1 000ns)灵活可变、频率(1～1 000Hz)独立可控,前沿35ns的高压ns脉冲,为进一步探索ns脉冲电场生物医学效应奠定了基础。     

100 kV触发器输出脉冲的陡化

快前沿的高电压脉冲在脉冲功率技术领域具有重要应用,使用快前沿的触发信号触发气体火花开关,能有效减小气体开关的抖动,使Marx发生器的输出抖动减小,从而有利于多台Marx发生器的精确同步并联工作。为利用陡化回路将触发器的输出电压脉冲进行陡化以得到快前沿的高压脉冲,分析陡化回路的工作原理后针对100 kV触发器设计了陡化器。确定了陡化器内可以使用的不同电极结构陡化开关的相关测量方法,研究了气体种类、电压大小以及电极结构这些因素对陡化回路工作性能的影响。当陡化回路选用间隙为5mm的尖电极陡化开关、陡化开关内充入0.60~0.90 MPa的N2、触发器主电容充电55 kV时,幅值为90 kV的电压脉冲其前沿从20ns降低为2.3 ns。研究结果表明:陡化开关内使用N2,适当提高输入脉冲电压幅值并增大陡化开关场强时,陡化回路的陡化效果更好。     

轴向磁场控制的旋转电弧开关的研制

开关在脉冲功率技术中极其重要，其已成为制约脉冲功率技术发展的主要技术瓶颈。为了满足高电压、大电流、高电荷转移量、电极烧蚀小、寿命长的要求，文中设计了一个由轴向磁场控制的旋转电弧间隙开关，研究了其电磁场分布及轴向磁场下电弧的运动机制，并进行了初步实验。结果表明此开关中的电弧确实在轴向磁场控制下做旋转运动，且运动速度很快，不需要对触发脉冲进行陡化就能得到纳秒级脉冲。实验放电波形比较稳定，分散性为2ns；开关电极表面的烧蚀小，有利于延长开关的寿命；开关工作参数为：电压23kV，单脉冲能量0.314MJ，峰值电流100kA，电荷转移量27.3C/脉冲。     

铁电体触发赝火花开关实验研究

本文阐述了铁电体触发开关的工作原理,进行了铁电体触发开关的实验研究。得出了气压与开关导通时间和延时的关系,并对此实验结果进行了分析。在开关间距为3mm、真空度为2.5Pa、阴极腔的深度为19mm、小孔直径为4mm的条件下测得开关的抖动小于3ns。实验结果表明触发电压的高低对开关抖动的影响很大,随着触发电压的升高开关的抖动越来越小。当触发电压达到6kV左右时,开关的抖动小于1ns。     

沿面闪络触发真空开关初始等离子体特性实验

提出了一种RC阻容式电荷收集器,并对触发真空开关触发初始等离子体特征进行了实验研究。实验结果表明,在触发真空开关初始等离子体的起始阶段有一个尖峰脉冲,而且初始等离子体电流波形呈振荡衰减的过程。初始等离子体电流波形的第一个振荡峰的极性取决于触发脉冲的极性。触发初始等离子体的电子电荷略大于离子电荷;触发初始等离子体的电荷随触发电压、触发电流、触发电荷的增加呈线性增加;触发初始等离子体在TVS真空间隙中的扩散时间受触发电压、触发电流、触发电荷以及TVS真空间隙距离的影响,在触发电压小于8kV时,初始等离子体的扩散时间随触发电压的增加呈线性减小,而后基本稳定在66～69ns;初始等离子体的扩散时间随TVS真空间隙距离的增加而增加,当真空间隙距离从0.5mm增加至8mm,初始等离子体的扩散时间从50ns增大至70ns。     

环形开关电极优化设计的实验研究

在电极形状的优化基础上设计了一环形开关电极 ,实验研究了它的触发特性 ,结果表明所设计的开关电极电场均匀性较好 ,开关触发时延 <5 0 0 ns,触发电极位于距离低电位电极 1/ 3间隙处时开关的分散性 <10 0 ns。     

高介碳酸钡陶瓷沿面闪络伪火花开关的研究

为了满足脉冲功率技术和脉冲电流试验技术对放电开关的要求,笔者设计了BaTiO3高介电常数的电介质沿面闪络伪火花开关的触发装置。通过对表面放电触发器的实验发现:在伪火花开关的工作气压范围内,高介沿面闪络触发器显示出很强的电荷发射能力和快速的电荷注入能力,在气压为7 Pa时,触发器能够在30 ns内释放1.5μC,触发电流的上升陡度为1.2×1011A/s,发射的电子数达到9.4×1012。对自放电电压为28 kV的伪火花开关,可靠工作的最低电压可降低到130 V,放电时延为35～100 ns,最小抖动为6～25 ns。     

同轴式三通道伪火花放电开关实验研究

设计了典型参数下的三通道伪火花放电开关及其陶瓷表面放电触发器,进行了空气介质下的放电实验,测得了伪火花放电的气压范围,给出了开关的耐受电压曲线,计算了开关的电流上升陡度,比较了相同尺寸下的单通道伪火花开关。试验结果表明,采用多通道结构后,开关的通流能力由单通道的40kA提高到120 kA,电路的电流上升陡度提高约20％,而电极烧损则大大降低。此开关具有良好的触发性能,在2～30 kV的放电电压下,放电电流的时延及其抖动分别为50～340 ns和15～40 ns,其最低可触发开关电压为600V.     

纳秒快脉冲下气体开关的过电压击穿

纳秒快脉冲过电压击穿方式适合应用于长寿命高同步两电极气体开关.基于过电压击穿型气体开关的工作机制,建立了气体间隙在脉冲过电压击穿模式下击穿电压和时延的统计数学模型,该模型证明电极表面微观场强、间隙气压、初始电流大小、触发电压上升陡度等关键电气参数对间隙击穿分散性有重要影响.提出了纳秒快脉冲下气体开关过电压击穿参数的等效计算方法.实验证明,对于一般工况条件下的石墨电极气体开关,随着气压间距乘积值的增大和脉冲变化梯度超过一定门限值,纳秒快脉冲过电压击穿过程会逐渐由经典流注理论向快电子击穿修正理论过渡.快电子效应导致的电场增强系数在1.2～2.4之间变化.     

200kV多级多通道火花开关

模块化直线型脉冲变压器(LTD)是脉冲功率技术中的一种新型初级储能装置,开关是其关键部件之一,多极多通道闭合开关工作时能够形成多通道放电,具有电感小的优势。为了研究用于电流上升时间约100ns、电流峰值约100kA的LTD模块设计了一种标称电压为200kV(±100kV)多极多通道气体开关。通过对开关的电场数值计算,对开关设计进行了验证和优化,并对开关的静态特性和动态特性进行了初步的实验研究,结果证明,开关电感<30nH,并且具有工作范围宽,触发特性好,工作稳定等特点,初步实验表明能够满足模块的要求。     

一种场击穿型真空触发开关的工作特点

真空触发开关(Triggered Vacuum Switch,TVS)是高功率脉冲技术领域的重要开关器件之一,其寿命大都因触发系统中触发极不能正常触发而停止工作,所以触发源的参数对TVS的工作寿命有重要的影响。针对触发比较困难但寿命超长的无涂敷触发材料的场击穿型TVS样品,设计了一套触发系统和LC振荡主回路,来测试TVS样品的工作特点。触发系统输出峰值35kV/500A的负脉冲源,触发延时分散性在70~100μs之间,触发成功率达96%。试验结果表明,TVS样品的动作延时比较稳定,在数百纳秒之间,并随主间隙电压增加而减小;工作过程中电弧稳定,电弧电压维持在20V左右,而且能够在小电流过零时产生有效的截流。     

基于磁压缩开关高压脉冲发生器设计与研究

为研制用于更好产生等离子体发生器的高频高压脉冲发生器,基于磁脉冲压缩开关理论设计出纳秒级高陡度前沿的高压脉冲。首先利用CLC谐振产生谐振电压,然后根据磁脉冲压缩原理设计出磁开关相关参数,并分析了二极管对输出电压波形的影响以及电容器参数对输出能量的影响。通过仿真表明:发生器在等效负载测得电压峰值11.06 kV,波形上升时间20 ns,最大能量为0.611 J,脉冲频率为1 000 Hz连续高压脉冲时,能更好的产生等离子体。