（物理电子学专业论文）层叠脉冲功率发生器初步研究.pdf

国防科学技术大学研究生院硕士学位论文 摘要 层叠脉冲功率发生器 s t a c k e dp u l s ep o w e rg e n e r a t o r s p p g 具备小型化 紧 凑化 全固态化的优点 在国内外引起了广泛关注 本文通过对s p p g 的理论分析 和模拟研究 设计并研制了一台四级层叠b l u m l e i n 线脉冲功率发生器 在此平台 上开展了相关实验研究 并在实验的基础上进行了驱动微波源输出指标的初步方 案设计 论文内容主要包括以下几个方面 1 传输线绝缘介质的选取 介绍了固体绝缘介质电气特性的相关理论及高梯度绝缘结构的耐压机理 开 展了聚酯薄膜和金属化绝缘膜的耐压特性实验 研究结果表明 金属化绝缘膜虽 然在模拟高梯度绝缘结构方面表现出优良的耐压性能 但在稳定性和易用性上仍 不成熟 相比之下 聚酯薄膜在保证耐压指标的前提下 性能稳定 应用成熟 适合初步实验研究使用 因此 在s p p g 传输线的制作中 选择了聚酯薄膜作为填 充介质 2 s p p g 相关理论介绍 对平板传输线的工作机理及其波过程等相关理论进行了介绍 利用无损传输 线模型得到了平板线特征阻抗 传输延时 脉冲宽度等相关参数 介绍了层叠线 的倍压输出原理及几种常见的倍压输出形式 给出后续研究的理论基础 3 s p p g 全电路模拟研究 对s p p g 全电路图参数进行了介绍 利用p s p i c e 软件模拟了电路输出结果 并在此基础上分析了几个关键电感参数对电路输出的影响 结果表明 开关连线 电感超过5 0 n i l 输出波形就会产生严重畸变 叠加电感间连线电感超过l g h 会严 重影响接负载条件下的叠加输出效果 负载回路电感超过5 0 0 n i l 则会影响输出波 形的上升沿和下降沿 4 研制一台四级s p p g 并针对驱动微波源输出指标进行初步方案设计 通过计算确定了s p p g 传输线的结构和相关参数 采用三平板结构 中间平板 充电 两边平板接地 避免杂散参数影响 传输线导体铜带长2 0 m 宽8 0 m m 厚 o 1 m m 铜带间各填充4 层聚酯薄膜 其单层宽1 4 0 m m 厚0 2 m m 耐压2 0 k v 以 上 开展了s p p g 低压验证实验研究 在1 2 v 直流电源充电情况下 开路获得了 四级叠加电压9 6 v 脉宽1 9 4 n s 上升沿小于3 0 n s 的输出 并在匹配负载上验证 了两级叠加的输出效果 在低压验证实验基础上 进行了单级充电2 5 k v 高压测试 实验 在匹配负载上获得了电压2 3 k v 脉宽1 8 8 n s 的输出 此外 还针对驱动微 波源输出指标进行了初步方案设计 为s p p g 的实际应用提供了参考 主题词 层叠脉冲功率发生器 高梯度绝缘结构 电感参数影响 初步方案 设计 第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 s t a c k e dp u l s ep o w e rg e n e r a t o r s p p g h a v i n gt h ea d v a n t a g e so fb e i n gs m a l l c o m p a c t a n da l l s o l i d h a sa t t r a c t e de x t e n s i v ea t t e n t i o n i nt h i st h e s i s a4 s t a g es t a c k e d b l u m l e i np u l s ep o w e rg e n e r a t o ri s d e v e l o p e db a s e do nt h e o r e t i c a la n a l y s e sa n d s i m u l a t i o ni n v e s t i g a t i o n so i ls p p g r e l e v a n te x p e r i m e n t a lr e s e a r c hi sd e v e l o p e do nt h e s p p ge q u i p m e n t a n dp r e l i m i n a r ys c h e m eo fd r i v i n gt h em i c r o w a v es o u r c e si sd e s i g n e d b a s e do nt h ee x p e r i m e n t s n l ed e t a i l e dw o r ki n c l u d e st h ef o l l o w i n g 1 s e l e c t i o no ft h ei n s u l a t i n gm e d i ao ft r a n s m i s s i o n1 i n e s t h e o r i e so ne l e c t r i c a lc h a r a c t e r i s t i c so fs o l i di n s u l a t i n gm e d i aa n dp r i n c i p l e so f m 曲g r a d i e n ti n s u l a t o rs t r u c t u r ea r ei n t r o d u c e d e x p e r i m e n t so nv o l t a g ew i t h s t a n d i n g c h a r a c t e r i s t i c so fb o t hp o l y e s t e rf i l ma n dm e t a l i z e di n s u l a t i n gf i l ma r ec o n d u c t e d 硼1 e r e s u l t si n d i c a t et h a tm e t a l i z e df i l mh a sag o o dp e r f o r m a n c ei nv o l t a g ew i t h s t a n d i n g b u t i t ss t a b i l i t ya n de a s yu s ei ss t i l ln o tg o o d b yc o n t r a s t p o l y e s t e rf i l mp e r f o r m ss t a b l ya n d i sa p p l i e dm a t u r e l y i ti ss u i t a b l ef o ru s ei np r e l i m i n a r ys t u d i e s a sar e s u l lp o l y e s t e r f i l mi ss e l e c t e da st h ei n s u l a t i n gm e d i u mi nt h ef a b r i c a t i o no ft r a n s m i s s i o nl i n e so f s p p g 2 i n t r o d u c t i o n so ns p p gt h e o r i e s p r i n c i p l e sa n dw a v ep r o c e s s e so fp a r a l l e l p l a t e l i n ea r ei n t r o d u c e d r e l e v a n t p a r a m e t e r sa r ed e r i v e du s i n gl o s s l e s st r a n s m i s s i o nl i n em o d e l s u c ha sc h a r a c t e r i s t i c i m p e d a n c e t i m ed e l a ya n dp u l s ew i d t h p r i n c i p l e sa n ds o m ec o m m o no u t p u tf o r m so f m u l t i v o l t a g eo u t p u to fs t a c k e dl i n e sa r ea l s op r e s e n t e da st h e o r e t i c a lb a s e so ft h e f o l l o w i n gi n v e s t i g a t i o n s 3 枷o l ec i r c u i ts i m u l a t i o nr e s e a r c ho fs p p g 砀es p p gw h o l ec i r c u i tp a r a m e t e r sa r ed e s c r i b e da n dt h eo u t p u tr e s u l t sa r e s i m u l a t e db yu s i n gt h ep s p i c es o f t w a r e 功ee f f e c t so nt h ec i r c u i to u t p u to fs o m ek e y i n d u c t i v ep a r a m e t e r sa r ea n a l y z e db a s e do nt h ep s p i c es i m u l a t i o n t h er e s u l t ss h o wt h a t t h eo u t p u tw a v e f o r m sw i l lb ed i s t o r t e ds e v e r e l yi ft h el e a d i n gi n d u c t a n c e so ft h es w i t c h a r eo v e r5 0 n i l t h es u p e r p o s i t i o no u t p u tw i l lb es e r i o u s l ya f f e c t e da sw e l li ft h e i n d u c t a n c e sb e t w e e nt h es t a c k e do n e sa r eo v e r1p h b e s i d e s t h er i s i n ga n df a l l i n ge d g e s o ft h eo u t p u tw a v e f o r m sw i l lb ea f f e c t e di ft h ei n d u c t a n c e so ft h el o a dl o o pa r eo v e r 5 0 0 n h 4 d e v e l o p m e n to fa4 s t a g es p p ga n dp r e l i m i n a r ys c h e m ed e s i g no fd r i v i n gt h e m i c r o w a v es o u r c e s n l es t r u c t u r ea n dp a r a m e t e r so fs p p gt r a n s m i s s i o nl i n e sa r ed e t e r m i n e db y c a l c u l a t i o n t h es p p gl i n e sa r et h r e ep a r a l l e l p l a t es t r u c t u r e dw i t ht h em i d d l ep l a t e c h a r g e da n dt w os i d ep l a t e sc o n n e c t e dt og r o u n d a v o i d i n gt h ee f f e c t so fs t r a y 第i i i 页 国防科学技术大学研究生院硕士学位论文 p a r a m e t e r s t h ec o n d u c t i v ec o p p e rs t r i p e so ft h et r a n s m i s s i o nl i n e sa r e2 0 ml o n g 8 0 m mw i d e a n d0 1r n mt h i c k 4p o l y e s t e rf i l m s w h i c hi s14 0 m mw i d e 0 2 m mt h i c k a n dw i t h s t a n d i n gv o l t a g eo v e r2 m w i t has i n g l ef i l m a l ef i l l e db e t w e e ne v e r yt w o c o p p e rs t r i p e sa si n s u l a t o r s e x p e r i m e n t so fl o wv o l t a g eo ns p p g h a v eb e e nc o n d u c t e d p r e l i m i n a r ye x p e r i m e n tc h a r g i n g12 vi sp r e s e n t e da n dr e s u l t sa r eo b t a i n e d 历t l l4 s t a g e s u p e r p o s i t i o nv o l t a g ea m p l i t u d e9 6 v p u l s ew i d t h19 4 n sa n dr i s i n ge d g el o w e rt h a n 3 0 n si nt h es t a t eo fo p e nc i r c u i t m e a n w h i l e t h e2 s t a g es u p e r p o s i t i o no u t p u ti sv e r i f i e d o nt h em a t c h i n gl o a d b a s e do nt h el o wv o l t a g ee x p e r i m e n t s t h eh i 曲v e r s i o nc h a r g i n g 2 5 k vt oo n es i n g l eb l u m l e i nl i n ei sc o n d u c t e dw i t ho u t p u tv o l t a g ea m p l i t u d e2 3 k va n d p u l s ew i d t h18 8 n so nt h em a t c h i n gl o a d i na d d i t i o n s c h e m eo fd r i v i n gt h em i c r o w a v e s o u r c e si sd e s i g n e d p r o v i d i n gr e f e r e n c e st ot h ea p p l i c a t i o no fs p p g k e yw o r d s s t a c k e dp u l s ep o w e rg e n e r a t o r h i 曲g r a d i e n ti n s u l a t o rs t r u c t u r e e f f e c t so fi n d u c t i v ep a r a m e t e r s p r e l i m i n a r ys c h e m ed e s i g n 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 脉冲功率装置示意图 1 图1 2 紧凑型脉冲功率系统的界定 2 图1 3 多开关直线型层叠线倍压装置 3 图1 4d a v a n l o o 等人设计的高功率重频层叠脉冲发生装置 3 图1 5 不同传输线长度和特征阻抗下的电压波形图 4 图1 6 不同传输线线形结构情况下电压波形图 4 图1 7r h o d e s 等人设计的层叠b l u m l e i n 线粒子束加速装置 5 图1 8r h o d e s 等人设计的层叠b l u m l e i n 线装置实验波形 5 图1 9 电压倍增与能量效率随b l u m l e i n 线个数的变化 6 图1 1 0 几何比对层叠b l u m l e i n 结构性能的影响 6 图2 1 介质在交流电压下的等值电路图和相量图 1 2 图2 2 真空表面闪络的s e e a 理论模型 1 5 图2 3h g i 耐压强度随其绝缘单元厚度的变化关系 1 7 图2 4h g i 与传统绝缘材料击穿场强对比 1 7 图2 5 传统绝缘结构 左 与h g i 右 的场强分布对比 1 8 图2 6 金属化绝缘膜耐压实验过程示意框图 18 图2 7 金属化绝缘膜耐压特性曲线 1 9 图3 1 平板传输线示意图 2 2 图3 2 波在结点上的反射与透射 2 6 图3 3 平板b l u m l e i n 线示意图 2 7 图3 4b l u m l e i n 线向负载r r 放电等效电路图 2 8 图3 5 波在b l u m l e i n 线上的多次反射透射过程 2 8 图3 6 几种情况下b l u m l e i n 线向负载放电的波形 3 0 图3 7 层叠线倍压器基本组件演绎 3 1 图3 8 层叠线倍压器的单元组件实体 3 1 图3 9 多开关直线型层叠线倍压器原理 平板型 侧视 3 1 图3 1 0 多开关直线型层叠线倍压器原理 套筒型 端视 3 2 图3 1 l 三种去耦单开关直线型层叠线倍压器原理 3 3 图3 1 2 阿基米德螺线型倍压器原理 3 4 图3 1 3 同轴线型层叠倍压器原理 3 5 图4 1 层叠线脉冲功率发生器全电路图 3 9 图4 2 层叠线脉冲功率发生器简化电路图 4 0 第1 i i 页 国防科学技术大学研究生院硕士学位论文 图4 3 理想情况下s p p g 电路模拟结果 4 0 图4 4 实际情况下s p p g 电路模拟结果 4 l 图4 5 开关连线电感对输出波形的影响 4 2 图4 6 开关连线电感9 0 1 1 h 时的叠加输出波形 4 2 图4 7 装置输出波形上升时间随开关连线电感的变化 4 3 图4 8 叠加电感间连线电感对装置输出波形的影响 4 4 图4 9l r 过程随负载阻值变化对输入 输出电压波形的影响 一4 5 图4 1 0 负载回路电感对输出波形的影响 4 5 图5 1 层叠脉冲功率发生器装配图 一4 7 图5 2 层叠脉冲功率发生器实物图 4 8 图5 3 传输线绕线示意图 4 8 图5 4 传输线波形保持和延时实验结果 5 2 图5 5 各单级传输线脉冲形成性能实验结果 一5 2 图5 6 实验测量开关连线电感对装置输出波形影响的对比 1 0 0 n s d i v 5 3 图5 7 实验测量叠加电感间连线电感对装置输出波形影响的对比 1 0 0 n s d i v 5 3 图5 8 叠加电感间连线电感改进后装置输出波形 1 0 0 n s d i v 5 3 图5 9s p p g 单级高压实验电路图 5 4 图5 1 0s p p g 单级高压实验输出波形 2 0 0 n s d i v 5 5 图5 1 1s p p g 驱动微波源设计框图 5 5 图5 1 2s p p g 驱动微波源等效电路图 5 6 图5 1 3s p p g 驱动微波源模拟结果 5 7 第1 v 页 国防科学技术大学研究生院硕士学位论文 表目录 表2 1 常用电介质的易值 10 表2 2 工频电压下2 0 c 时 一些液体和固体电介质的t a n 8 值 1 2 表2 3 金属化绝缘膜耐压实验数据 19 表3 1 波在不同波阻抗传输线交界处的反射与折射电压 电流结果 2 7 表5 1s p p g 传输线绕线计算数据 4 9 表5 2s p p g 装置传输线主要参数 5 0 表5 3s p p g 装置各单级传输线实验结果 5 1 表5 4s p p g 驱动微波源传输线设计主要参数 5 6 表5 5s p p g 驱动微波源装置设计主要参数 5 7 第v 页 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是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 屋蕉壁韭趁室发生墨翅生盟究 学位论文作者签名 尘苤也 日期 即年 月岛日 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 学位论文题目 屋叠然韭边室发生墨麴生盟窒 学位论文作者签名 l 丞型匕 日期 d 口矽年 月乃日 作者指导撕签名 猛幽日期卿年t 月影日 国防科学技术大学研究生院硕士学位论文 第一章绪论 脉冲功率技术 p u l s ep o w e rt e c h n o l o g y p p t 是由国防科研需要而发展起来的 i 1 新兴科学技术 自2 0 世纪6 0 年代初期以来 其迅速的发展非常引人注引1 1 当前 脉冲功率技术正朝着高功率 高重频 紧凑化和全固态化的方向发展 顺 应这样的发展需求 层叠脉冲功率发生器 s t a c k e dp u l s ep o w e rg e n e r a t o r s p p g 以其结构紧凑 储能密度高 体积小重量轻等优点 引起了国内外广泛关注 本章对层叠脉冲功率发生器进行综述 并在此基础上说明本课题的选题依据 和论文的主要内容 1 1 层叠线装置国内外研究现状 脉冲功率技术是把 慢 储存起来的能量 进行快速压缩 转换或直接释放 给负载的电物理技术 从2 0 世纪6 0 年代起 作为核物理 等离子体物理 高能 激光和高功率微波等学科的重要支撑技术 它迅速发展成为一门高技术新兴学科 是当前国际上很活跃的前沿高科技之一 在国防领域和民用领域都有广泛的应用 前景 1 8 发展近半个世纪以来 脉冲功率技术先后经历了四次重大突破 l 第一 次发展是b l u m l e i n 线的应用 开创了脉冲功率级数的新纪元 第二次发展可简洁 地概述为以 水 代 油 即用高纯度去离子水取代变压器油作为传输线的 绝缘介质 发展了低阻抗型强流电子束加速器 第三次发展是多台装置并联运行 技术 第四次发展是感应加速腔技术 当前 脉冲功率技术正处在又一次新的突 破口 即发展紧凑重复频率运行装置 l o wp o w e ra c c u m u l a t i o n h i g hp o w e ro u t p u t p s n s d c c h a r g e p u l s ed i s c h a r g e p u l s e dp o w e r 图1 1 脉冲功率装置示意图 脉冲功率装置大体可分为四大部分 9 l l 初级能源 储能装置 脉冲形成部分 和负载 如图1 1 所示 一般而言 脉冲形成部分通常占装置体积的6 0 以上 所 以脉冲功率装置的紧凑化在 定程度上取决于脉冲形成部分体积的缩小 1 2 国内 外对此进行了大量的研究 提出了多种方案 1 3 3 0 1 为此 先来界定一下紧凑脉冲功率系统的标准 将脉冲功率装置的体积和输 出功率分别作为横坐标和纵坐标 在图中加以标注 如图1 2 所示 3 l 在图中 装 第1 页 国防科学技术大学研究生院硕士学位论文 置参数处于阴影部分的即为紧凑脉冲功率系统 图中标出了美国各研究机构正在 研制的几种脉冲功率系统 可以看出符合紧凑脉冲功率装置标准的有三种 其中 超紧凑m a r x 发生器的体积最小 而s a n d i a 国家实验室所研制的折叠b l u m l e i n 线 装置已接近驱动微波源的输出指标 p o w e r o u t p u t w a t t s o l帅10 1l ol o o1 0 0 01 0 0 0 o v o l u m e m 3 图1 2 紧凑型脉冲功率系统的界定 3 1 l 上述标准针对脉冲功率系统的体积和输出功率给出了界定 而层叠线倍压装 置正具有这样的优势 它把电容器 变压器和脉冲形成线融为一体 体积和重量 都大大减小 充分利用聚酯薄膜耐压强度高 储能密度高的特点使整个装置实现 紧凑化和全固态化 因此 层叠线倍压输出也是目前一种颇具应用前景的技术路 线 3 2 4 1 1 相关研究工作国内外都有开展 包括我国在内的几个国家虽然开展了一 定研究 但相比之下美国一些研究机构进行地更加全面 系统和深入 因而本节 的调研也主要以美国的研究进展情况为主 1 2 1 早在1 9 8 3 年 美国l o sa l a m o s 国家实验室就使用光导开关建成了一台层叠线 倍压装置 如图1 3 所示 该装置使用固体电介质 相对介电常数达9 0 0 光导开 关上升时间仅l n s 倍压装置由1 0 个b l u m l e i n 线组成 输出水平 1 m v 1 0 0 k a 脉宽4 0 n s 用4 0 个这样的倍压器环形围绕在直径2 6 m 径向传输线周围对中心二 极管负载放电 获得4 m a 电流输出 用于进行核武器效应模拟实验 3 引 美国t e x a s 大学d a l l a s 分校量子电子学中心的d a v a n l o o 等研究人员在上世纪 9 0 年代连续发表多篇文章报道其高功率重频层叠脉冲发生装置 3 3 7 如图1 4 所 示 其传输线采用三平板b l u m l e i n 线结构 导电铜平板表面用环氧树脂防止电晕 产生 平板间用k a p t o n 膜绝缘 在线型设计上略有锥度 参数为 铜板宽2 5 c m 第2 页 埘 埘 埘 埘 m 婶 国防科学技术大学研究生院硕士学位论文 厚32 m m k a p t o n 膜宽1 5 2 c m 厚23 e m 装置开关采用氢闸流管 重复频率1 0 0 h z 初级充电3 7 5 k v 次级可获得几百k v 高压输出 装置重复运行频率在1 2 0 0 h z 以单级和8 级层叠线作比较 充电时间1 2 0 9 s 获得开路电压倍增园子为8 8 表 明其电压倍增效果良好 图1 3 多开羌直线型层叠线倍压装置 篙窆兰刍 广 叠 匕 憾o 一r 一 结构示意图 6 2 级层叠实物圈 传输线长4 8 2 m 阻抗5 0 n 图1 4 d a v a n l e o 等人设计的高功率重频层叠脉冲发生装置 蚓 利用此平台 装置在长 短脉冲应用和紧凑化等方面进行了实验研究 图1 5 中 对2 级层叠脉冲发生装置在传输线长9 2 m 4 8 2 m 特征阻抗2 5 1 2 5 0 0 的情 况下 进行充电5 0 k v 的高压实验 分别获得了1 8 和19 的电压倍增园子 与层 叠级数一致 表明装置叠加性能良好 并且在长 短脉冲应用上都有较好的表现 在装置紧凑化方面 将层叠脉冲装置传输线各级闻的间距减小 将导电板材料由 铜换成铝 结果表明对输出波形几乎没有影响 但装置体积和重量却有了明显的 第3 页 嗣黟 翱眨 i 主 搿 d 圈1 6 不同传输线线形结构情况下电压波形凋州 第4 瓦 翮一叼 国防科学技术大学研究生院硕士学位论文 美国l a w r e n c el i v e r m o r e 国家实验室的r h o d e s 等人也开展了利用层叠平板 b l u m l e i n 线进行的粒子束加速实验 3 0 1 他们设计的加速装置如图1 7 口 所示 两 侧均为四级层叠b l u m l e i n 线 中间部分为负载区 再将4 个这样的传输线模块放 入图1 7 6 所示框架内 用4 个四级层叠b l u m l e i n 线模块并联驱动中心负载 其主 要参数为 单级b l u m l e i n 传输线特征阻抗2 3 8 4 9 2 2 2 0 单程传输延时4 2 n s 充电1 0 k v 一个层叠模块含四级层叠b l u m l e i n 线 阻抗9 5 3 6 q 装置用4 个层叠 模块并联运行 最终输出阻抗2 3 8 4 2 同 萋 i 缓 蹩 震薹纛 i 搿0 矿 矗 w 施 协 缸擘铭4 穗 舅 4 j 静 篮 奄 1 7 j 7 荔 錾 秀 一q 7 口 四级层叠b l u m l e i n 线结构 6 加速装置总体结构 图1 7r h o d e s 等人设计的层叠b l u m l e i n 线粒子束加速装置 图1 8 给出了该加速装置的一个层叠模块接电阻性负载和二极管负载两种情 况下得到的电流波形 可以看出 单模块得到的电流约5 0 0 a 4 个模块并联运行 电流可达约2 k a 于是装置总体充电电压需要4 7 k v 由于传输线间相互耦合的影 响 有寄生振荡叠加在输出波形上 且驱动二极管负载时由于有粒子束流与装置 的相互作用 波形质量要稍差一些 k f v v 一 06 01 0 0t 5 02 0 0绱 o捌 7 鲫 霉5 0 0 0 0 4 甑 o 巍 1 0 吼 o 1 0 0 tim 哺 自i晴 眦 口 接电阻性负载 b 接二极管 图1 8r h o d e s 等人设计的层叠b l u m l e i n 线装置实验波形 3 9 1 第5 页 镛 绷 羞喜 张 弧 飙 帆 屯 佻 一jr 鼍 3口奄g 1 t i 国防科学技术大学研究生院硕士学位论文 国内西安电子科技大学张同意 石顺祥等人对层叠平行板b l u m l e i n 脉冲发生 器进行了性能分析 4 1 1 其研究结果表明 获得最大能量输出和最大电压输出两种 不同情况下所需的匹配负载是不同的 多b l u m l e i n 层叠结构的电压匹配负载可通 过单线的电压匹配负载估计 而能量匹配负载则不能这样简单估算 为获得良好 的系统输出 开关导通电阻必须尽可能地小 随着b l u m l e i n 线叠加个数的增多 系统的电压倍增效果和能量输出会由各板问的相互耦合而变差 b l u m l e i n 线的板 间距与板宽之比决定了系统的电压匹配负载和能量匹配负载的大小 并显著影响 匹配条件下的电压倍增因子和能量输出效率 为获得最佳输出 该几何比例应控 制在o 0 3 o 0 4 左右 结果如图1 9 和图1 1 0 所示 图中v m f 表示电压倍增因子 定义为输出电压主脉冲的最大值与充电电压的比值 r 表示能量效率 定义为输出 脉冲的能量与b l u m l e i n 线中初始储能的比值 图1 9 中标号 1 表示接电压匹配负 载 2 表示接能量匹配负载 图1 9 电压倍增与能量效率随b l u m l e i n 线个数的变化1 4 l 图1 1 0 几何比对层叠b l u m l e i n 结构性能的影响 4 1 l 综上所述 层叠脉冲功率装置具有重要的应用前景 国外 特别以美国为主 研究水平较高 且一些预期指标将可能主导未来新一代脉冲功率发生装置的发展 第6 页 国防科学技术大学研究生院硕士学位论文 方向 但相关理论研究偏少 而国内在该方面的研究更少 仍处于探索阶段 1 2 课题选题依据及论文的主要内容 1 2 1 选题依据 脉冲功率技术中很重要的一方面是能量的储存技术 到目前为止 已经发展 了机械储能 电磁储能和电化学储能等多种储能技术 4 2 j 在我们的应用中 电容 储能是一种最常用的储能方式 而随着其向高储能密度 低电感 长寿命 高重 复频率 小体积等方向的快速发展p 2 1 现代脉冲功率系统也进一步向高重频 小 型化 全固态方向发展 因此 在符合设计输出指标的前提下 高重频 小型化 和全固态成了当前脉冲功率技术中一个热门的研究方向 s p p g 正具备了上述优 点 1 电容器 变压器和脉冲形成线三位一体 体积和重量大大减小 2 与折叠b l u m l e i n 线相比 能够充分利用绝缘膜耐压高 储能密度高 约 是水介质的2 0 倍 的特点 特别是其直流储能密度在实际应用中具有很大优势 可 以直接省去电容器 节省体积重量 3 可以实现紧凑化和完全固态化 克服了水作为储能介质其储能密度难 以进一步提高和水的液态性质在实际应用中有很大局限的劣势 4 可以实现利用蓄电池直接供电 简化充电系统 正是顺应了当前脉冲功率技术发展的需求 故在高功率脉冲技术领域 s p p g 的应用前景非常光明 开展s p p g 相关技术研究也是本研究室在设计制造全固态 紧凑化脉冲功率系统上的探索和尝试 并且此项技术在国内研究还尚属起步阶段 因此选题具有一定的新颖性和前瞻性 并会对今后的研究工作起到一定的启示作 用 1 2 2 论文的主要内容 本论文分六个章节对关于s p p g 的研究工作进行了阐述 运用理论分析 软件 模拟和实验等研究方法对s p p g 装置的结构性能及几个关键参数进行了研究 具体 来说 首先对平板传输线和s p p g 相关理论进行了介绍 其次介绍了s p p g 全电路 图中的相关参数 利用模拟软件分析了其中几个关键电感参数对电路最终输出结 果的影响 最后完成了s p p g 传输线参数的计算和设计 研制出一台四级s p p g 装 置 利用它进行了低压验证实验和高压测试实验 并针对驱动微波源输出指标进 行了初步方案设计 全文各章研究内容如下 第一章介绍了s p p g 在国内外的发展和研究现状 并对课题的研究背景和选题 第7 页 国防科学技术大学研究生院硕士学位论文 依据进行了说明 第二章在调研固体绝缘介质电气特性的基础上 为s p p g 传输线选取了合适的 填充介质 固体绝缘介质的电特性参数主要包括相对介电常数 介电强度 耐热 耐辐照性能 介质损耗等 通过调研和实验测试 重点考察了聚酯薄膜和具有高 梯度绝缘结构特征的金属化绝缘膜的耐压特性 并最终选定聚酯薄膜为初步实验 研究的填充介质 第三章对s p p g 相关理论进行了介绍 首先对平板传输线的一般理论和其中的 波过程进行了分析 得到了平板传输线的主要特征参量 其次对s p p g 的工作原理 和几种常见的层叠倍压形式进行了介绍 第四章对s p p g 进行了电路模拟研究 给出了s p p g 的全电路图 利用模拟软 件考察了开关连线电感 叠加电感间连线电感和负载回路电感几个关键电感参数 对电路最终输出波形的影响 为实际设计和制作s p p g 装置提供依据 第五章开展了s p p g 相关实验研究 在理论分析和电路模拟的基础上 通过计 算确定了s p p g 传输线的各项参数 完成传输线设计 研制了一台四级s p p g 装置 利用它进行了充电1 2 v 的低压原理验证实验和充电2 5 k v 的高压测试实验 并在 实验结果的基础上完成了针对驱动微波源输出指标的方案设计 第六章对全文工作进行了归纳和总结 并展望了今后有关s p p g 的研究工作 第8 页 国防科学技术大学研究生院硕士学位论文 第二章传输线绝缘介质的选取 与传统同轴b l u m l e i n 线多采用液态电介质不同 层叠平板b l u m l e i n 传输线的 结构特点决定了其填充介质一般采用固体薄膜电介质 因此要设计制作合适的层 叠平板b l u m l e i n 线 必须对固体电介质的电气特性进行详细的调研和研究 以选 择适合层叠线的绝缘填充介质 2 1 固体绝缘介质电气特性介绍1 4 3 1 电介质的电气特性 主要表现为它们在电场作用下的导电性能 介电性能和 电气强度 它们分别以四个主要参数 电导率7 或绝缘电阻率p 介电常数 s 介质损耗角正切t a n 和击穿电场强度 以下简称击穿场强 毛来表示 本节中 将扼要介绍固体介质主要电气参数的基本概念以及固体介质击穿的 相关理论 2 1 1 固体电介质的极化 电导和损耗 一切电介质在电场的作用下都会出现极化 电导和损耗等电气物理现象 不 过气体介质的极化 电导和损耗都很微弱 一般均可忽略不计 所以真正需要注 意的只有固体和液体电介质在这些方面的特性 1 电介质的极化 电介质的极化是电介质在电场作用下 其束缚电荷相应于电场方向产生弹性 位移现象和偶极子的取向现象 这时电荷的偏移大都是在原子或分子的范围内作 微观位移 并产生电矩 即偶极矩 电介质极化的强弱可用介电常数的大小来表示 它与该电介质分子的极性强 弱有关 还受到温度 外加电场频率等因素的影响 具有极性分子的电介质称为 极性电介质 而由中性分子构成的电介质称为中性电介质 前者是即使没有外电 场的作用其分子本身也具有电矩的电介质 介质的相对介电常数e r 是 个综合反映电介质极化特性的物理量 在表2 1 中列出了若干常用电介质在2 0 c 时工频电压下的s 值 气体介质由于密度很小 其 接近于1 而液体和固体介质的易大多在2 6 之间 对于脉冲功率装置传输线的绝缘填充介质 显然希望选用易大的电介质作为 传输介质 这样可以使装置的体积减小 重量减轻 但是较大的 往往和较大的 电导率相联系 因而介质损耗也较大 所以要在综合考虑电介质各方面特性的基 础上选取合适的电介质 第9 页 国防科学技术大学研究生院硕士学位论文 由于高压电气设备绝缘的要求是多方面的 因而在此类设备中常常将几种绝 缘材料组合在一起使用 以达到理想的绝缘效果 这时应注意各种材料的 值之 间的配合 因为在工频交流电压和冲击电压下 串联的多层电介质中的电场强度 分布与各层电介质的 成反比 表2 1 常用电介质的 值 4 3 材料类别名称 工频 2 0 c 气体介质中性 空气1 0 0 0 5 8 标准大气压条件下 氮气 1 0 0 0 6 0 极性 二氧化硫1 0 0 9 变压器油 2 2 弱极性 硅有机液体 2 2 2 8 蓖麻油 4 5 液体介质极性 氯化联苯 4 6 5 2 酒精3 3 强极性 去离子水 8 1 石蜡2 0 2 5 中性或 聚苯乙烯2 5 2 6 聚四氟乙烯 2 0 2 2 弱极性 松香2 5 2 6 沥青2 6 2 7 固体介质 纤维素 6 5 极性胶木 4 5 聚氯乙烯3 0 3 5 云母5 7 离子性 电瓷 5 5 6 5 2 电介质的电导 任何电介质都不可能是理想的绝缘体 它们内部总是或多或少地存在一些带 电粒子 载流子 例如可迁移的正 负离子以及电子 空穴和带电的分子团 在外电场的作用下 某些联系较弱的载流子会产生定向漂移而形成传导电流 电 导电流或泄漏电流 换言之 任何电介质都不同程度地具有一定的导电性 只 不过其电导率很小而已 而表征电介质导电性能的主要物理量即为电导率7 或其倒 数 电阻率p 按照载流子的不同 电介质的电导可分为离子电导和电子电导两种 前者以 离子为载流子 而后者以自由电子为载流子 在正常情况下 电介质的电导主要 是离子电导 这同金属导体的电导主要依靠自由电子有本质的区别 在中性或弱 极性电介质中 主要是杂质离子电导 可见在纯净的非极性电介质中 电导率是 很小的 亦即电阻率p 很大 可高达1 0 1 7 1 0 1 9 q c m 以上 而极性电介质因具有 较大的本征离子电导 其电阻率就要小得多 1 0 1 0 1 0 1 4 q c m 第l o 页 国防科学技术大学研究生院硕士学位论文 在液体介质中 还存在一种电泳电导 其载流子为带电的分子团 通常是乳 化状态的胶体粒子 例如绝缘油中的悬浮胶粒 或细小水珠 它们吸附电荷后变 成带电粒子 工程上使用的液体电介质通常只具有工业纯度 其中仍含有一些固体杂质 纤 维 灰尘等 液体杂质 水分等 和气体杂质 氮气 氧气等 它们往往是 弱电场下液体介质中载流子的主要来源 固体介质的电导除了体积电导外 还存在表面电导 后者取决于固体介质表 面所吸附的水分和污秽 受外界因素的影响很大 在测量固体介质的体积电导时 应尽量排除表面电导的影响 为此应清除表面上的污秽 烘干水分 并在测量接 线上采取一定的措施 固体和液体介质的电导率y 与温度丁的关系均可近似地用下式表示 占 7 d e r 2 1 式中彳 b 为常数 均与介质的特性有关 但固体介质的常数b 通常比液体介质的 b 值大得多 r 为绝对温度 单位为k 上式表明 电介质的电导率随温度按指数规律上升 当温度升高时 分子离 解度增大 液体的粘度减小 所以液体介质中的离子数增多 迁移率增大 其电 导将随温度的上升而急剧增大 所以 在测量电介质的电导或绝缘电阻时 必须 注意温度 因此 根据上述分析可以得到结论 传输线绝缘介质应选择电导率很小的非 极性电介质 并且介质电导率随温度的变化越小越好 这样有利于填充介质的可 靠绝缘 保证传输线性能稳定 3 电介质的损耗 在电场作用下没有能量损耗的理想电介质是不存在的 实际电介质中总有一 定的能量损耗 包括有电导引起的损耗和某些有损极化 例如偶极子极化 夹层 极化等 引起的损耗 总称介质损耗 在直流电压的作用下 电介质中没有周期性的极化过程 只要外加电压还没 有达到局部放电的数值 介质中的损耗将仅由电导所引起 所以用体积电导率和 表面电导率两个物理量就已能充分说明问题 不必再引入介质损耗这个概念 在交流电压下 流过电介质的电流j 包含有功分量j 和无功分量厶 即 i 厶 如 2 2 图2 1 中绘出了此时的电压 电流相量图 可以看出 此时的介质损耗 p u l c o s q t a n 8 u 2 以口t a n 8 2 3 式中c o 为电源角频率 矽为功率因数角 万为介质损耗角 介质损耗角万为功率因 第1 1 页 国防科学技术大学研究生院硕士学位论文 数角妒的余角 其正切t a n 8 又可称为介质损耗因数 常用百分数 来表示 式中的t a n 8 是一个仅取决于材料损耗特征的物理量 因此常用介质损耗角正切 t a n 作为综合反映电介质损耗特征优劣的一个指标 口 示意图 6 等值电路 相量图 图2 1 介质在交流电压下的等值电路图和相量图 显然由 2 3 式 同等条件下 介质损耗角正切t a n 6 越小越好 因而在传输线 绝缘介质的选择上