重复频率的两级无复位非晶软磁合金磁脉冲压缩器

本文设计并研究一种可调脉宽的两级无复位磁脉冲压缩器(MPC)。磁开关的磁芯选用国产非晶软磁合金薄带2605S2绕制而成,层间未加绝缘薄膜。该磁脉冲压缩器将半高宽7μs的电流脉冲压缩至400ns,压缩比g=17.5,其电流峰值由64A提高到1129A,能量传输效率η=65.9%。在3.1Ω的负载上,获得3.95MW的峰值功率。脉冲重复频率达到25Hz。实验中发现,变化初始电压U_0。即可调节输出电流脉冲的宽度。     

轻质高频高压纳秒脉冲电源研制

高压脉冲电源是产生放电等离子体及其应用于生物医学、材料表面处理及流动控制的重要激励源.基于单极性Marx电路与脉冲变压器相结合的思路,利用脉冲变压器的电压波形过冲现象,开发了一台高频高压纳秒脉冲电源样机.该电源样机输出电压幅值最高可达21 kV,频率最高达16 kHz,上升沿和下降沿分别约为145 ns和215 ns,脉宽约为250 ns;输出平均功率为125W以内时,整机效率高于80％.该脉冲电源的输出电压、频率等参数连续可调且体积较小.上述研究为开发应用于放电等离子体的高压脉冲电源提供重要参考.     

新型无间隙纳秒级脉冲电源的优化设计

基于磁压缩和SOS效应原理,设计了一种新型无间隙ns级脉冲电源。通过Pspice电路仿真分析和试验研究,着重探讨了关键参数对输出电压的影响。研究结果表明:电源在前级饱和变压器TV1匝数为1:20,磁压缩电感MS匝数为13,后级升压饱和变压器TV2匝数为2:10时能获得较高的输出电压峰值,负载为50Ω时,脉冲电压峰值-51kV,脉宽120ns,峰值前沿60ns。该电源将在放电等离子体处理环境污染中具有良好的应用前景。     

Marx发生器驱动的电感储能型脉冲功率源

为研制电感储能型高功率脉冲源,实验研究了采用Marx发生器驱动电感储能-电爆炸丝断路开关的技术途径。研究表明,以等效电容1μF的Marx发生器作为能源,采用1.5μH的储能电感和上百根直径0.05mm、长560mm金属丝并联形成的断路开关,在Marx发生器等效输出电压>180kV时,可在约10Ω负载上输出峰值功率>40GW,能量传递效率>50%,脉宽近200ns,前沿约50ns的脉冲,从而证明该技术途径可较大幅度提高脉冲功率源的输出功率和能量传递效率。     

磁脉冲压缩系统实验研究

介绍了一种没有附加磁心复位电路的磁脉冲压缩网络,并设计研制了单级、两级磁脉冲压缩系统。单级磁脉冲压缩系统在110Q纯阻性负载两端输出脉冲幅值约20kV,下降时间40ns,脉冲宽度（半高宽）70ns,最高重复频率可达500Hz;两级磁脉冲压缩系统在265QNaCI溶液无感电阻负载两端输出脉冲幅值35kV,上升时间20ns,脉冲宽度（半高宽）70ns。     

高稳定度全固态脉冲源的优化设计与评估

为了给电子设备的电磁脉冲环境效应研究提供稳定度高和重复性好的电磁脉冲源,基于雪崩三极管的雪崩效应,采用10级Marx电路结构研制出了一种高稳定度电磁脉冲源。首先对影响脉冲源稳定性的首要因素—三极管的选择作了详细阐述,然后分析了整个脉冲源的稳定性,并给出了相应的优化措施以提高其稳定性,最后提出了脉冲源波形稳定性的评估方法。结果表明,所研制脉冲源的输出负脉冲前沿3 ns,全底脉宽约为10 ns,峰值电压约为1.5 k V,峰值电压、前沿和脉宽的变异系数均5%,验证了输出脉冲的高重复性,表明其可以满足电子设备的电磁脉冲敏感度试验的高稳定度要求。     

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。     

磁脉冲压缩系统实验研究

介绍了一种没有附加磁心复位电路的磁脉冲压缩网络,并设计研制了单级、两级磁脉冲压缩系统。单级磁脉冲压缩系统在110Ω纯阻性负载两端输出脉冲幅值约20kV,下降时间40ns,脉冲宽度(半高宽)70ns,最高重复频率可达500Hz;两级磁脉冲压缩系统在265ΩNaCl溶液无感电阻负载两端输出脉冲幅值35kV,上升时间20ns,脉冲宽度(半高宽)70ns。     

用于放电等离子体的重频固态纳秒脉冲电源

为提高放电功率、产生大面积等离子体,设计了一种高重复频率纳秒脉冲电源,其基本原理是采用高压截断法产生高压脉冲.选用通断速度较快的碳化硅(SiC)金属氧化物半导体场效应晶体管(MOSFET)产生纳秒级截断,进而可以大幅提高输出脉冲的重复频率;使用8个串联的MOSFET同步工作,以提高输出电压幅值.测试结果表明,该电源输出脉冲的电压幅值可达10 kV,脉冲上升沿约为12 ns,半高宽约为750 ns.负载为5 kΩ无感电阻时,连续运行重复频率可达100 kHz,爆发模式下重复频率可达1 MHz.电源带载能力较强,未击穿时输出电压脉冲波形基本不随电极负载发生改变.该电源可长期稳定工作,产生较大面积等离子体,满足了高重复频率纳秒脉冲放电的需求.     

电磁脉冲模拟器用纳秒脉冲源的研制

随着电磁武器的发展,电磁脉冲及其防护技术再次成为关注的焦点。简要介绍了核电磁脉冲模拟器的标准电场波形和脉冲源的组成及其基本原理,论述了脉冲分压器的设计。分析显示,所研制的新型电阻分压器可以减少响应时间和上升时间3ns以上。实验结果表明,该分压器可以用于上升时间为1ns以上脉冲的测量。研制的脉冲源的输出脉冲满足设计要求,峰值电压高于26kV,上升时间小于2.8ns,下降时间约55ns。     

基于磁脉冲压缩的DBD高频双极性纳秒脉冲发生器的设计及其放电特性

作为高压高重复频率脉冲电压发生器的开关器件,磁开关的耐压、通流能力以及寿命远高于半导体开关,因而适用作为介质阻挡放电(DBD)激励电源的开关。为研究双极性高频下DBD等离子体放电特性,提出高频双极性磁脉冲压缩系统。首先,阐释通过全桥逆变电路、脉冲变压器和磁开关产生双极性脉冲的原理,并叙述该系统关键器件的设计;其次,利用PSpice仿真软件研究电路关键参数对输出波形的影响规律,测试电阻性负载电压波形,并与仿真结果进行对比分析。测试结果表明,通过双极性磁脉冲压缩系统,能够在负载两端输出的纳秒脉冲电压具有以下参数:幅值在5~13k V可调,上升沿100ns左右,重复频率可高至几千Hz。最后,针对高频双极性下的放电现象进行研究,结合DBD放电模型和放电图片探索高频双极性脉冲电压下放电特性与频率的关系,充实了高频放电理论研究。     

常压单极性纳秒脉冲DBD模式的实验研究

介质阻挡放电(DBD)是产生低温等离子体的重要方法。实验研究的DBD由上升沿15 ns,半高宽约30ns最高重复频率1 kHz的正极性纳秒脉冲产生,测量了DBD电压、电流以及放电图像。结果表明,空气间隙上发生两次放电,分别发生在施加电压的上升沿和下降沿末端,电流峰值可达百安培量级,峰值功率可以达到MW级。放电图像显示放电分为均匀放电和丝状放电两种模式,且阻挡方式和重复频率都是影响这两种放电模式相互转化的重要因素。     

采用双边对称输入方式的4模块直线变压器驱动源研制

为开展脉冲功率系统小型化研究,介绍了直线变压器驱动源的工作原理,阐述了其设计思想和关键技术,研制了以脉冲形成网络为初级脉冲形成单元、采用双边对称输入方式的4模块直线变压器驱动源。通过对单模块的试验研究,分析了充电位置对输出电压波形的影响,并进行了优化设计。研究了充电过程中充电电流对磁芯的去磁作用,并根据设计参数进行了模拟计算,结果表明充电电流可使磁芯完全去磁。最后开展了4模块直线变压器驱动源的试验研究,其输出电压幅值约600kV、脉宽约200ns、前沿约52ns(10%～90%),输出功率达数GW,在重频25Hz下工作稳定。与相同输出参数的基于水介质脉冲形成线的直线变压器驱动源相比其尺寸明显减小,说明此直线变压器驱动源的研制促进了脉冲功率源小型化发展。     

高压纳秒电磁脉冲衰减器的研制

随着电磁脉冲技术的发展,电磁脉冲前沿越来越快,峰值越来越高。针对这些特点,为了减小高压纳秒电磁脉冲传输、衰减过程中电磁波的反射,在输出端得到理想的电磁脉冲波形,设计了一种高压纳秒电磁脉冲衰减器,采用高频电磁场仿真软件HFSS建模仿真,分析驻波比,优化结构尺寸。根据仿真及优化结果,制作了衰减量为30%和40%的衰减器样机。实验表明样机衰减量误差小,传输性能好,可对上升时间2ns左右,峰值小于40kV的电磁脉冲实现有效衰减。     

快速空间电荷测量用高压高频脉冲源的研究

采用电声脉冲法测量空间电荷时需要对试样施加脉冲激励,使试样中的空间电荷发生微弱位移产生机械波。为了获得足够高的信噪比,必须连续采集多个信号进行平均处理,对于多数测试系统平均次数至少需要40次。测量一次所需时间为脉冲频率和平均次数的乘积,因此脉冲源的频率决定了测量的速度。基于高压固体开关设计了高压高频脉冲源,可产生半峰宽5 ns至380 ns的窄脉冲,兼具连续脉冲模式和脉冲簇模式,脉冲重复频率可达3 k Hz,在脉冲簇模式下脉冲间隔最小为1μs,输出脉冲幅值最大为2.5 k V。经设备校验可知脉冲源可有效提高空间电荷测试速度,并适用于交流甚至任意波形下的空间电荷测试。     

基于氢闸流管的高压脉冲电源

针对高压脉冲电场杀菌技术对于系统核心部分高压脉冲电源的要求,设计一种输出脉冲电压峰值可达5～30 kV(100 V步进可调),输出脉冲频率为200~1 000 Hz可调,脉冲宽度为0.2~2μs可调,脉冲前沿<100 ns的高压脉冲电源。该系统利用单片机进行自动控制,通过可调直流高压电源和储能元件作为能源系统,利用氢闸流管作为主放电开关,控制脉冲峰值和频率,最后通过脉冲变压器升压在杀菌腔体的极板上得到所需的脉冲电场。     

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。     

直流电晕电流时域脉冲特性的统计分析

为了研究直流正负电晕电流时域脉冲的特性,基于实验室开发的高频电晕电流高压端测量系统,开展了不同条件下直流正负电晕的线板放电实验。基于大量实验数据,统计、对比了正、负极性电晕脉冲的幅值、上升时间、半波时间和重复频率等特征参数随导线电压及导线半径变化的规律。实验结果表明：导线电压对单个正、负脉冲波形的影响较小,主要影响脉冲的重复频率;负脉冲的上升时间平均值为20~30 ns,半波时间的平均值为90~110 ns;正脉冲的上升时间平均值为40~50 ns,半波时间的平均值为140~160 ns;随着导线电压的升高,正、负脉冲重复频率均迅速增大,但相同电压下,正脉冲的重复频率显著小于负脉冲的重复频率,负脉冲重复频率约为正脉冲的15~25倍。     

连续高压脉冲方波下局部放电测试系统设计

为解决具有陡上升沿的连续方波脉冲下局部放电(PD)测试系统设计中强电源干扰及宽频带、高速采集的问题,设计了宽带、高频局部放电数据采集、数据传输和脉冲提取系统,可用于上升沿为100ns的连续高压脉冲方波下的局部放电测试。采用不同通带的12阶Butterworth滤波器,对比分析了抑制电源干扰的效果,提出了满足测试信噪比(SNR)要求的配置。基于虚拟仪器技术,实现了高速数字示波器的局部放电数据传输,并结合时域阀值、相位窗脉冲提取及极性辨别算法,实现了干扰抑制和峰值提取。系统可实现连续高压脉冲方波下局部放电长时间连续记录,得到脉冲方波下多周期局部放电脉冲峰值数据库,并计算其统计特性,从而为研究各种材料在脉冲方波下的局部放电特性和绝缘破坏机理奠定基础。     

基于Marx电路的全固态纳秒脉冲等离子体射流装置的研制

研制一套具有快边沿纳秒脉冲等离子体射流装置。该装置由基于Marx电路的并带有尾切开关的全固态纳秒脉冲发生器和具有针环电极结构的等离子体射流装置组成。其中,纳秒脉冲源主要由直流电源、控制电路和主电路组成,主电路为10级模块化设计的Marx电路,使用MOSFET作为主开关和尾切开关;控制电路产生同步触发脉冲信号,通过光纤进行隔离后同步驱动MOSFET工作。输出纳秒脉冲电压参数为:幅值0~8k V可调,脉宽100~1 000ns,重复频率1Hz~1k Hz,上升沿30ns左右,下降沿50ns以内。等离子体射流装置使用氩气作为工作气体,其结构为针-环电极结构。搭建等离子体射流实验平台,并能够产生稳定的等离子体,为进一步探索大气压等离子射流的应用奠定了基础。