（物理电子学专业论文）基于闭合磁环脉冲变压器的紧凑型高压纳秒脉冲发生器.pdf

国防科学技术大学研究生院硕十学位论文 摘要 脉冲功率技术在国防、工业以及自然科学研究等领域得到了广泛应用，高峰 值功率、高重复频率和小型化是脉冲功率系统发展的主要方向。近年来，实用型 紧凑化高压纳秒脉冲发生器在国内外得到了广泛的关注。本论文通过对闭合磁环 脉冲变压器、卷绕式平板脉冲形成线、高功率负载和纳秒脉冲检测器等关键部件 进行理论分析、工程设计和实验研究，成功地研制了一台结构紧凑的高压纳秒脉 冲发生器。这些工作对小型紧凑化高压脉冲发生器的研究具有重要指导意义。 论文研究的主要内容包括以下四个方面： 1 研制了一台闭合磁环高压脉冲变压器。1 ) 提出了实现闭合磁芯式脉冲变压 器高电压、高变比输出的设计方法，建立了理论计算模型，给出了变压器重要参 数的计算公式，该变压器有效耦合系数为0 9 4 5 。2 ) 对变压器的磁芯饱和和磁芯损 耗进行了初步分析。3 ) 对变压器的时域和频域响应特性进行了系统的分析，建立 了理论计算模型，通过电路软件模拟和实验证明：减小变压器绕组漏电感和分布 电容可改善高频响应能力，陡化输出电压脉冲的前沿和后沿；增大磁化电感可明 显改善低频响应能力以及增加脉冲平顶的稳定度。该变压器能较好地响应脉宽为5 “s 1 0 0 s 的方波脉冲信号和频带为1h z 1m h z 的重频信号。4 ) 利用变压器对 0 3 2n f 电容器进行充电实验，充电电压高达2 3 0k v ，升压倍数为1 0 9 ，验证了理 论计算和分析的正确性。 2 研制了卷绕式平板脉冲形成线。建立了关于卷绕式平板脉冲形成线的理论 分析模型，对各电磁参数进行了理论计算。利用电磁场分析软件对脉冲形成线进 行静电场模拟，并结合充电实验研究了形成线的耐压性能。研制的平板脉冲形成 线波阻抗为3 5q ，输出脉宽为1 0r l s ，能承受的最高脉冲电压大于2 0 0k v 。 3 高功率水电阻负载及纳秒脉冲检测器的研制。1 ) 建立了水电阻负载的寄生 参数理论分析模型，从理论计算、软件模拟和实验三个方面分析了寄生参数对负 载波形的影响。2 ) 通过改进低压臂电阻，研制了能够准确响应高压短脉冲信号的 电阻分压器；建立了r o g o w s k i 线圈的分布参数理论分析模型，具体分析了线圈各 分布参数、取样电阻的寄生参数以及阻尼电阻对线圈测量波形的影响，通过采用 较大功率的无感电阻，成功地研制了脉冲前沿响应时间均小于2 5n s 的磁芯式和非 磁芯式两种r o g o w s k i 线圈。 4 ) 研制出一台紧凑型高压纳秒脉冲发生器。该发生器主要由闭合磁环式脉冲 变压器、卷绕式平板脉冲形成线、火花开关及负载组成，结构紧凑，其直径为o 2 2 m 、长度为o 8m 、重量为3 0 埏。在负载匹配情形下( 3 5q ) ，该脉冲发生器最高输 出脉冲电压为8 4k v ，半高全宽为9n s ，上升沿为5 1i t s ；负载阻抗为5 0q 时，输 第i 页 国防科学技术大学研究生院硕士学位论文 出波形为一锯齿波，最高输出电压为1 6 5k v ，半高全宽为6 8a s ，上升沿6 5a s 。 目前，该高电压纳秒脉冲发生器己用于触发本实验室的高功率气体开关。 主题词：脉冲发生器；闭合磁环；平板脉冲形成线：响应特性；时域和频域； 分布参数 第i i 页 国防科学技术大学研究生院硕士学位论文 a b s t r a c t p u l s e dp o w e rt e c h n o l o g yh a sb e e nw i d e l yu s e di nt h ef i e l d so fn a t i o n a ld e f e n c e i n d u s t r ya n ds c i e n t i f i cr e s e a r c h d e v e l o p m e n tt e n d e n c i e so fp u l s e dp o w e rs y s t e m s m a i n l yi n c l u d eh i g hp o w e r ，h i g hr e p e t i t i v ef r e q u e n c ya n dc o m p a c t n e s s i nr e c e n ty e a r s ， m o r ep r a c t i c a lh i 曲- v o l t a g en a n o s e c o n dp u l s eg e n e r a t o rw i t hc o m p a c ts t r u c t u r eh a s b e e nw i d e l yc o n c e r n e db yr e s e a r c h e r si nt h ew o r l d ac o m p a c th i 曲v o l t a g en a n o s e c o n d p u l s eg e n e r a t o r ，w h i c hc o n s i s t so fp u l s et r a n s f o i t t l e rw i t hc l o s e dm a g n e t i cc o r e ，c u r l e d p a r a l l e ls t r i pp u l s ef o r m i n gl i n e ( c p s p f l ) ，s p a r kg a pa n dp o w e r f u ll o a dr e s i s t o r ，i s d e v e l o p e di nt h i sp a p e r n a n o s e c o n dp u l s ed e t e c t o r sa r ea l s od e s i g n e d t h e o r e t i c a l a n a l y s e s ，e n g i n e e r i n gd e s i g na n de x p e r i m e n t sh a v eb e e nc a r r i e do u tt os t u d ya l lt h e i m p o r t a n tp a r t so ft h ep u l s eg e n e r a t o r t i l i sw o r ki so fg r e a ti m p o r t a n c et or e s e a r c h e so n c o m p a c th i 曲v o l t a g ep u l s eg e n e r a t o r t h ed e t a i l e dc o n t e n t sa r ea sf o l l o w s 1 as m a l lh i 曲- v o l t a g ep u l s et r a n s f o r m e rw i t hc l o s e dm a g n e t i cc o r ei sd e v e l o p e d 1 ) m e t h o do fh i g h v o l t a g eo u t p u t sa n dh i 曲s t e p u pr a t i oo fp u l s et r a n s f o r m e r 、航t l l c l o s e dm a g n e t i cc o r ei sp u tf o r w a r d n l e o r e t i c a lc a l c u l a t i o n so fi m p o r t a n t p a r a m e t e r so f p u l s et r a n s f o r m e ra r ea l s op r e s e n t e di nd e t a i l t h ee f f e c t i v ec o u p l i n gc o e f ! f i c i e n to f t r a n s f o r u l e ri s0 9 4 5 2 ) s a t u r a t i o na n dt h el o s so f m a g n e t i cc o r eh a v eb e e na n a l y z e d 3 、 r e s p o n s i v ec h a r a c t e r i s t i c so ft i m e d o m a i na n df r e q u e n c y d o m a i no fp u l s et r a n s f o r m e r h a v eb e e ns t u d i e da n dt h e o r e t i c a lc a l c u l a t i o n sh a v eb e e nd o n e r e s u l t so fc i r c u i t a l s i m u l a t i o na n de x p e r i m e n t ss h o wt h a tw h e n l e a k a g ei n d u c t a n c e sa n dd i s t r i b u t e d c a p a c i t a n c e so ft r a n s f o r m e rw i n d i n g sd e c r e a s e ，c h a r a c t e r i s t i c so fh i g h f r e q u e n c y r e s p o n s eo ft r a n s f o r m e rc a nb ei m p r o v e d ，a n dt h ef r o n te d g ea n db a c ke d g eo fo u t p u t v o l t a g ep u l s eo ft r a n s f o r m e rc a na l s ob ec u td o w n 。蹄乃p nm a g n e t i z a t i o ni n d u c t a n c eo f t r a n s f o r m e ri n c r e a s e s ，c h a r a c t e r i s t i c so fl o w - f r e q u e n c yr e s p o n s eo ft r a n s f o l m e wc a nb e i m p r o v e da n dt h ef l a tt o po fo u t p u tv o l t a g ep u l s eo ft r a n s f o r m e rb e c o m e sm o r es t a b l e 髓ep u l s et r a n s f o r m e rc a ne x c e l l e n t l yr e s p o n dt os q u a r ep u l s ew i t hp u l s ew i d t hr a n g i n g f r o m5it st o10 0p sa n di t sr e s p o n s i v ef r e q u e n c yb a n dr a n g e sf r o mlh z t olm h z 4 ) n l ep u l s et r a n s f o r m e rw a su s e dt oc h a r g ea1 0 a dc a p a c i t a n c eo f0 3 2n fa n dr e s u l t so f e x p e r i m e n ts h o w e dt h a tt h ea m p l i t u d eo fo u t p u tv o l t a g eo ft r a n s f o r m e rr e a c h e da sh i g h a s2 3 0k va n ds t e p - u pr a t i oi s1 ：10 9 t h e s er e s u l t sb a c k e d u pt h e o r e t i c a lc a l c u l a t i o n s 2 ac u r l e dp a r a l l e ls t r i pp u l s ef o r m i n gl i n e ( c p s p f l ) i sd e v e l o p e d t h e o r e t i c a la n a l y s e so fc p s p f la n dc a l c u l a t i o n so fi m p o r t a n tp a r a m e t e r sa r e p r e s e n t e d d i s t r i b u t i o no fe l e c t r i cf i e l d sa n dp o t e n t i a l so fc p s p f li sa n a l y z e db y e l e c t r o m a g n e t i cs o f t w a r e c h a r a c t e r i s t i c so fh i g h v o l t a g ee n d u r a n c eo fc p s p f la r ea l s o s t u d i e d t h ec p s p f lw i t hi m p e d a n c eo f3 5q p r o d u c e ds h o r tp u l s eo f10n sa n di tw a s a b l et or e s i s th i g hv o l t a g ep u l s ew i t ha m p l i t u d eo f2 0 0k v 3 d e s i g no ft h ep o w e r f u l l o a dr e s i s t o ra n dn a n o s e c o n dp u l s ed e t e c t o r s 第i i i 页 国防科学技术大学研究生院硕十学位论文 1 ) p a r a s i t i cp a r a m e t e r so fl o a dr e s i s t o rh a v e b e e na n a l y z e d b yt h e o r e t i c a l c a l c u l a t i o n s ，c i r c u i t a ls i m u l a t i o na n de x p e r i m e n t ，t h ei m p a c t so fp a r a s i t i cp a r a m e t e r so n o u t p u tw a v e f o r mo fl o a dr e s i s t o rh a v ea l s ob e e ns t u d i e d 2 ) r e s i s t a n td i v i d e rw h i c h d e t e c t sh i g h v o l t a g es h o r tp u l s e si sd e v e l o p e dd u et ot h ei m p r o v e m e n to fi t sl o w - v o l t a g e r e s i s t o r t h e o r e t i c a la n a l y s e so fd i s t r i b u t e dp a r a m e t e r so fr o g o w s k ic o i la r ep r e s e n t e d d a m p e dr e s i s t o r , d i s t r i b u t e dp a r a m e t e r so fr o g o w s k ic o i la n dp a r a s i t i cp a r a m e t e r so f s a m p l i n gr e s i s t o rh a v eg r e a ti m p a c t s0 1 1o u t p u ts i g r l a lo fr o g o w s k ic o i la n dt h e s e i m p a c t sa r ea n a l y z e di nd e t a i l b yu s i n gh i g h p o w e rr e s i s t o r 谢t l ll i t t l ep a r a s i t i c i n d u c t a n c e ，f a s tr e s p o n s i v er o g o w s k ic o i l s 晰t hm a g n e t i cc o r ea n dn o n - m a g n e t i cc o r e h a v eb e e nd e v e l o p e d ，a n dt h e i rr e s p o n s i v et i m et of r o n te d g eo fp u l s ea r eb o t hl e s st h a n 2 5n s 4 n ec o m p a c th i g h - v o l t a g en a n o s e c o n dp u l s eg e n e r a t o ri sd e v e l o p e d 1 1 1 ec o m p a c tp u l s eg e n e r a t o rc o n s i s t so fp u l s et r a n s f o r m e rw i t l lc l o s e dm a g n e t i c c o r e ，c p s p f l ，s p a r kg a pa n dl o a dr e s i s t o r 1 1 l ed i a m e t e ro ft h eg e n e r a t o ri s0 2 2m ，t h e l e n g t hi s0 8m a n dt h ew e i g h ti sa b o u t3 0k g t ot h em a t c h e dl o a d ( 3 5f a ) ，t h ep u l s e g e n e r a t o rg e n e r a t e dh i g h - v o l t a g es h o r tp u l s e 丽t la m p l i t u d eo f8 4k v ，如1 1w i d t ha th a l f m a x i m u m ( f w h m ) o f 9a sa n dr i s et i m eo f5 1n s t oal o a do f5 0q ，t h eg e n e r a t o r g e n e r a t e ds a w - t o o t hp u l s ew i t ha m p l i t u d eo f16 5k v ，f w h mo f6 8n sa n dr i s et i m eo f 6 5n s a tp r e s e n t ，t h eh i g h v o l t a g en a n o s e c o n dp u l s eg e n e r a t o rh a sb e e nu s e dt ot r i g g e r t h et r i g a t r o na n df i e l d - d i s t o r t i o ns w i t c hi no u rl a b o r a t o r y k e y w o r d s ：p u l s eg e n e r a t o r ；c l o s e dm a g n e t i cc o r e ；c p s p f l ；r e s p o n s i v e c h a r a c t e r i s t i c s ，t i m e - d o m a i na n df r e q u e n c y - d o m a i n ；d i s t r i b u t e dp a r a m e t e r s 第i v 页 国防科学技术大学研究生院硕士学位论文 图目录 图1 1 电容储能型脉冲发生器结构框图1 图1 2 用于驱动虚阴极的2 5 0k vm a r x 发生器。2 图1 3 基于紧凑型m a r x 发生器的h p m 系统2 图1 4 层叠式b l u m l e i n 传输线2 图1 5 高压脉冲发生器的主要技术路线框图。3 图1 65 0 0k v 柱形空芯脉冲变压器。3 图1 7 驱动超宽带辐射脉冲发生器的5 0 0k v 空芯t e s l a 变压器结构。4 图1 8 “s i n u s 1 2 0 ”脉冲发生器结构示意图4 图1 9 “r a d a n 3 0 3 b p ”和“r a d a n e x p e r t 脉冲发生器5 图1 1 0 “r a d a n 3 0 3 b ”脉冲发生器结构示意图5 图1 1 1 紧凑重频t e s l a 变压器型脉冲发生器装置图6 图1 1 2 基于水介质螺旋b l u m l e i n 线的长脉冲发生器6 图1 13b l u m l e i np f n 与脉冲变压器级联7 图1 1 4 变压器驱动层叠线装置7 图1 1 5 折叠式平板b l u m l e i n 线高压脉冲发生器7 图1 1 6 紧凑型重频高压脉冲触发器结构7 图1 1 7 经济紧凑型高压脉冲发生器原理图8 图1 18 “s i n u s 7 0 0 9 0 ”加速器驱动的高功率微波辐射系统8 图1 19 介质阻挡放电的装置示意图8 图1 2 0 纺织品材料表面处理的实验装置及放电效果9 图1 2 l 高压脉冲电场产生等离子体对空气的净化处理示意图及装置1 0 图1 2 2 污水降解过程及效果示意图10 图1 2 3 杀菌实验系统及效果图1 1 图1 2 4 “凡a n 3 0 3 ”加速器的x 射线照相应用1 l 图1 2 5 基于闭合磁环脉冲变压器的高压脉冲发生器三维结构1 2 图2 1 不同磁性材料的使用频率范围1 5 图2 2 同轴圆柱型脉冲变压器和t e s l a 变压器的磁力线分布1 8 图2 3 闭合磁芯式脉冲变压器建模及其磁场分布1 9 图2 4 树脂固化成型后的磁芯1 9 图2 5 闭合磁环式脉冲变压器三维结构示意图2 0 图2 6 闭合磁环式脉冲变压器横截面几何结构示意图2 0 图2 7 变压器初级绕组示意图2 l 第l v 页 国防科学技术大学研究生院硕十学位论文 图2 8 变压器次级绕组分层绕制结构示意图2 1 图2 9 单层绕组式脉冲变压器分布参数电路及简化电路2 4 图2 1 0 脉冲变压器集总参数电路模型2 4 图2 1 1 脉冲变压器次级绕组分布的几何模型2 5 图2 1 2 理想脉冲变压器等效电路图2 6 图2 1 3 次级回路等效到初级回路示意图2 6 图2 1 4 脉冲变压器低频响应等效电路图2 7 图2 1 5 脉冲变压器低频响应曲线2 7 图2 1 6 脉冲变压器高频响应等效电路图2 8 图2 1 7 脉冲变压器高频响应曲线2 8 图2 1 8 脉冲变压器时域响应等效电路2 8 图2 1 9 变压器对方波脉冲前、后沿响应的理论计算波形3 0 图2 2 0 变压器对脉冲平顶响应的等效电路图3 1 图2 2 1 脉冲变压器对脉冲平顶的响应曲线3 l 图2 2 2 变压器对脉冲后沿响应的等效电路3 2 图2 2 3 变压器对方波脉冲后沿响应的理论计算波形3 4 图2 2 4 乃为2 “s 时的负载响应电压波形3 5 图2 2 5 死为5 s 时的负载响应电压波形3 5 图2 2 6 死为5 0 s 时的负载响应电压波形3 5 图2 2 7 死为1 0m s 时的负载响应电压波形3 5 图2 2 8 磁芯式脉冲变压器谐振充电电路3 6 图2 2 9 变压器充电的等效模拟电路图3 9 图2 3 0 变压器模拟充电波形3 9 图2 31 变压器输出电压峰值与负载电容的关系曲线3 9 图2 3 2 变压器充电周期与负载电容的关系曲线3 9 图2 3 3 闭合磁环脉冲变压器实物图4 0 图2 3 4 脉冲变压器充电实验波形4 1 图3 1 平行平板传输线结构4 2 图3 2 卷绕式双导电平板脉冲形成线结构4 3 图3 3 双导电平板脉冲形成线横截面结构4 3 图3 4 双导电平板脉冲形成系统示意图4 4 图3 5 三导电平板脉冲形成线横截面结构4 5 图3 6 三导电平板脉冲形成系统示意图4 6 图3 7 卷绕式平板脉冲形成线4 7 第v 页 国防科学技术大学研究生院硕士学位论文 图3 8 气泡界面的电场畸变4 7 图3 9 绝缘膜与铜带交界处的气泡击穿4 7 图3 1 0 卷绕式平板脉冲形成线静电场模拟4 9 图4 1 电极几何结构5l 图4 2 主开关及负载二维几何结构示意图5 3 图4 3 水电阻负载几何结构及其寄生参数等效电路5 5 图4 4 负载水电阻实物5 6 图4 5 负载水电阻全等效电路5 6 图4 6 电压检测点结构5 7 图4 7 开关未击穿时的开关和负载区静电场模拟5 8 图4 8 开关击穿后的开关和负载区静电场模拟5 9 图5 1 电阻分压器、m p 8 5 0 型电阻、金属膜电阻6 0 图5 2 形成线电压分压器定标波形6 l 图5 3 负载电压分压器定标波形6 l 图5 4 磁芯式r o g o w s k i 线圈截面几何结构一6 2 图5 5r o g o w s k i 线圈集总参数等效电路6 2 图5 6 磁芯式r o g o w s k i 线圈阻尼电阻分布图一6 6 图5 7 磁芯式线圈等效电路6 6 图5 8t 1 尺。曲线一6 8 图5 9x 2 r n 曲线6 9 图5 1 00 3 r 。曲线6 9 图5 1 1 磁芯式r o g o w s k i 实物6 9 图5 1 2 心为lm r 2 时u ( t ) a o 的理论计算波形7 0 图5 1 3 心为5 0q 时u ( t ) a o 的理论计算波形7 0 图5 1 4 不同阻尼电阻下矾t ) 的模拟波形( t 0 = 1 0n s ) 7 0 图5 1 5 不同阻尼电阻下职t ) 的模拟波形( t o = 5 0n s ) 7 0 图5 1 6 不同阻尼电阻下线圈定标波形( t o = 2 0n s ) 7 1 图5 1 7 非磁芯式r o g o w s k i 线圈及定标波形( = 2 0n s ) 7 2 图6 1 脉冲发生器系统结构图7 3 图6 2 脉冲发生器系统的三维立体构造图7 4 图6 3 脉冲发生器系统全电路模拟等效原理图7 4 图6 4 不同寄生参数匹配负载的模拟结果( c l = 2 0g f ) 7 5 图6 5 初级电容为3 0 心时的模拟结果。7 6 图6 6 线性充电电路7 7 第v i 页 国防科学技术大学研究生院硕士学位论文 图6 7 触发丌关和储能电容实物7 7 图6 8 高压纳秒脉冲发生器系统实验装置图7 7 图6 9 大寄生参数负载输出波形7 8 图6 1 0 小寄生参数负载输出波形。7 8 图6 1 1 变压器输出波形7 8 图6 1 2 匹配负载输出波形7 9 图6 1 35 0q 负载输出波形7 9 图6 1 4 基于水介质螺旋b l u m l e i n 线的紧凑型长脉冲加速器结构示意图7 9 图6 1 5 三电极重频触发开关实物8 0 图6 1 6 触发“s p a r k 0 3 加速器实验装置图8 0 第v i i 页 国防科学技术大学研究生院硕十学位论文 表目录 表2 1 主要磁性材料特性参数表l6 表2 2 磁芯与套筒几何参数表2 0 表2 3 脉冲变压器参数理论计算结果2 2 表2 4 脉冲变压器参数测试结果2 2 表2 5 脉冲变压器部分输出特性参数4 0 表3 1 绝缘膜耐压测试结果4 7 表3 2 卷绕式平板脉冲形成线电参数理论结果4 8 表4 1 不同气体和气压下开关近似击穿电压5 3 表4 2 不同气体和温度下开关的脉冲上升时间( 0 5a t m ) 5 3 表4 3 不同气体和压强下开关的脉冲上升时间( 2 5o c ) 5 3 表4 4 长水电阻参数表5 6 表4 5 短水电阻参数表5 6 表5 1 磁芯式r o g o w s k i 线圈几何参数。6 5 表5 2 磁芯式r o g o w s k i 线圈电参数理论计算值6 5 第v i i i 页 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是我本人在导师指导下进行的研究工作及取得 的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含 其他人已经发表和撰写过的研究成果，也不包含为获得国防科学技术大学或其它 教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任 何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示谢意。 学位论文题目：基主阖佥壁巫丛生变廷墨鲍鉴盗型直匿纳壁丛韭塞生墨 学位论文作者签名：圣丛盗 日期：洌9 年f 月哆日 学位论文版权使用授权书 本人完全了解国防科学技术大学有关保留、使用学位论文的规定。本人授权 国防科学技术大学可以保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子 文档，允许论文被查阅和借阅；可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据 库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文 ( 保密学位论文在解密后适用本授权书。) 学位论文作者签名： 作者指导教师签名： 日期：卅年f 月7 日 日期：叫年l 月f 尹日 国防科学技术大学研究生院硕士学位论文 第一章绪论 1 1 变压器型高压脉冲发生器的研究现状及发展趋势 1 1 1 高压脉冲发生器的研究现状和发展趋势 高功率脉冲技术是一种以较低功率存储电( 磁) 场能量，将其以很高的功率变换 为脉冲电磁能，并释放到特定负载的电物理技术，其主体是强流电子束加速器或 高功率脉冲发生器【l 】。早在上世纪6 0 年代初，英国原子能武器研究中心的j c m a r t i n 把b l u m l e i n 线和m a r x 发生器结合起来，把脉冲宽度从微秒级压缩到几十个 纳秒，从而使强流电子束加速器得到了较快的发展【24 。7 0 年代后期到8 0 年代， 脉冲发生器朝着更高功率方向发展1 5 刊。9 0 年代中期，美国s a n d i a 实验室的z - _ p i n c h 研究以及等离子体辐射源产生软x 射线的研究【7 】使得脉冲功率技术的前景更加喜 人。进入2 1 世纪以来，随着脉冲功率技术的发展和新技术突破的涌现，脉冲发生 器技术的发展呈现三大趋势【8 j ：高功率p 4 1 、高重复频率3 。3 2 1 和小型紧凑化【8 , 2 1 - 3 2 j 。 高功率脉冲发生器的应用，也从传统的军事领域拓展到工业、环保和自然科学研 究等领域。 根据功率调制方式的不同，高压脉冲发生器主要分为电感储能型【3 3 - 3 8 1 和电容 储能型【8 - 3 2 1 。电感储能型脉冲功率装置的优势在于储能密度高，容易实现装置小型 化，并且可以和爆磁压缩装置联合使用p 弼引。但缺陷也很明显，其输入阻抗偏高， 与大多数微波源阻抗不匹配，输出波形为类三角波，且向负载的能量转换效率低， 重频运行困剌8 ，”1 。相比之下，电容储能型脉冲功率装置具有能量转换效率高、脉 冲宽度可调、重频运行能力强、阻抗调节范围大，易于和微波源匹配等优点瞵l 2 。 缺陷是储能密度低，体积庞大【4 - 7 , 9 - 1 1 】。由于电容储能型脉冲发生器的众多优势具有 巨大吸引力，近年来，在确保高功率的前提下，实现电容储能型装置小型化和重 频运行的研究引起了国内外研究人员的广泛关注2 u ，刀，3 引。 图1 1 电容储能型脉冲发生器结构框图 从功能上区分，电容储能型脉冲发生器主要分为四大块：初级储能装置、升 第1 页 l q 防科学技术大学岍究生院砸十学位论文 三皱置、脉冲形成装置和负载。其典型的结构如罔ll 所示。按照h ：同的升压装簧， 电容储能，诅脉冲发牛器 要l u 分为三种类型1 3 2 3 3 1 ：m a r x 发生器型、变压嚣型和传 输线倍膻器型。传统的f 乜容储能型脉冲发生器主要采用m a r x 发生器给脉冲形成线 f p f l ) 充 u 的形式，多级串连的m a r x 发牛器电容器绢将初级储能和电慷倍增的功 能台为一，通过并联允电和串连放电，可以在p f l 和负载上输出儿卣k v ，甚至 m v 级的长脉冲l 9 ”圳l 。i 制12 为日m 肌一v w 等人研制的高功率微波( h p m ) 辐射 系统h “，其脉冲驱动源为2 5 0k v ，2g - w 的m a r x 发7 k 器。近年柬也有咒于陡化前 沿m a r x 发生器叫和紧凑j 叫m a r x 发牛器的研究o ”砌l 。罔13 为p a t r i k a p p e l g r e n 等 研制的基于2 0 级4 0 0k v 4 0 0j 紧凑型m a r x 嚣的h p m 系统1 4 ”。m a r x 发生器型的 优势在于高电压和高功率输出：但由于装置体积普遍都很庞大，受自身固有电感 的限制，输出脉冲前沿一般较长，且重频运行能力非常有限( 多为单次) ，m a r x 发 生器犁的应用范围也受到了较大的限制。 h i2 刚r 驱动虚阴极的2 5 0k v m a r x 发生器 【| i 】 阳i3 基丁紧凑酗m a r x 发生器的h p m 系统 i b i 传输线倍压器型足一种将电雉倍压功能和脉冲形成功能合：为一的脉冲发生 器形式1 4 9 5 t 】，它通过对多个f 输线进行并联充电和串连放电，在负载上获得高于 传输线充电电压的屯脉冲。型14 为f a r z i nd a v a n l o o 等设计的层最式b l u m l e i n 传 输线，可在5 0n 负载i 输出幅度为9 0k v ，脉宽5 0 0i i s 前沿约1 0 0n s 的电压脉 冲。传输线变压器型兜服了m a r x 发生器型体积庞大的缺陷，由丁同轴电缆线h ” 和、p 扳传输线”“”1 的使用，系统装置体 积减小，似受绝缘问题的影响其升压 能力有限f 1 0 0 倍) ，降低了鲫级充电电压( 竺 ( 2 3 ) l 叱易 显然，要减小磁芯体积( 或回，必需增大4 戕和h ，因此必需选取饱和磁感 应强度大、剩余磁感应强度小的磁芯材料。由于变压器次级绕组电感对变压器脉 冲持续时间气有较大影响，在f c 一定的情况下，增大闭合磁芯的脉冲磁导率可以 获得较大的磁化电感，从而可以在保持绕组电感值不变的同时减小绕组匝数。随 着绕组匝数的减小，绕组的漏感和分布电容也随之减小，从而使变压器的输出波 形得到改善，有效耦合系数升高，升压倍数变大，即使在变压器输出电压峰值不 第1 4 页 国防科学技术大学研究生院硕十学位论文 变的前提下也可使初级充电电压( 亦即初级绕组感应电动势e p l 降低，有利于防止 磁芯饱和。为了提高变压器的能量传递效率，还应选取磁芯损耗和涡流损耗较小 的磁芯材料限埘。此外，由于脉冲变压器输出脉冲振荡的周期为u s 级，这要求磁 芯材料必需具备响应5 0k h z 1 m h z 高频脉冲信号的能力。 因此，高压脉冲变压器对磁芯材料的要求总结如下：1 ) 磁芯的饱和磁感应强 度最较大；2 ) 剩余磁感应强度风较小；3 ) 脉冲磁导率较大：4 ) 磁滞回线细长、 较瘦，损耗小；5 ) 高频响应特性好。 2 12 磁芯材料的选取 目前，变压器导磁用的磁性材料有多种，其中用于制作脉冲变压器磁芯的材 料主要有铁氧体、坡莫合金( 铁镍合金) 、硅钢片( 矽钢片) 、非晶、超微晶合金磁性 材料等。为了减小涡流损耗及其它由高频趋肤效应引起的损耗，材料的电阻率要 高，且厚度尽量薄。值得注意的是，磁性材料都具有各自的温度特性，随着温度 升高，饱和磁感应强度且将变小，容易引起磁芯饱和。当温度高于一定值时，材 料变成顺磁性，原有磁性能丧失，无法正常发挥导磁功能，这个临界温度称为磁 性材料的居里点。脉冲变压器在工作运行时会发热，磁芯温度必然要升高，因此 材料的居里点越高越好。 饱 翮 磁 感 ( t ) “1 1 1 _ |1 | 0 _ | u0 u ul l + j u 【0 t 作频率( h z ) 图21 不同磁性材料的使用频率范围m ”】 图21 给出了不同磁性材料的使用频率范围1 7 7 + 9 8 1 ，其中铁氧体的高频响应特性 最好，最高响应频率在m h z 以上。硅钢片虽高响应频率较低，适用于低频场合。 铁基非晶材料响应频带晟宽，约为1 0h z 5 0k h z 。目前，较薄的铁基非晶带材最 高响应频率可达0l 一1m h z 。按照高压脉冲变压