毕业论文-电感储能型高压方波脉冲电压发生器方案设计

1、哈尔滨工业大学工学硕士学位论文哈尔滨理工大学学士学位论文- PAGE II - PAGE IV -电感储能型高压方波脉冲电压发生器方案设计摘要本文对脉冲功率技术的历史和发展前景进行了阐述，介绍了几种脉冲发生器，并提出了电感储能型脉冲方波电压发生器的设计方案。脉冲功率技术在电子加速、激光、核物理、医疗保健、食品加工、电磁发射、电磁成形、国防军事等多个领域具有良好的发展前景。目前，脉冲功率技术主要向着高功率、高能量、多种转换方式以及重复脉冲等方向发展。电感储能型脉冲发生器相比电容储能型，主要是其储能密度更高，有利于设备的小型化，尤其在兆焦级以上的装置中，电感储能型脉冲发生器在经济上更有优越性。电感

2、储能仅受到电磁力的限制，而电容储能需要考虑电场强度，以防止电容电介质的击穿。方波波形相对于指数波、交变波等其他波形来看，在某些领域，如食品杀菌领域，优势比较明显。由于能量的大小不仅和功率有关，也和脉冲持续时间有关，同样电压等级下，方波保持足够的脉宽时可以提供更高的能量。本课题主要工作内容有：首先，通过查阅与课题有关的国内外文献，了解了脉冲功率技术这门学科，了解了各类型高压方波脉冲电压发生器的基本原理，技术特点，技术难点，存在的主要技术问题和未来技术发展前景。再者，提出电感储能型高压方波脉冲发生器的主电路方案，并对主电路方案进行仿真分析。关键词脉冲功率；电感储能；脉冲发生器；方波Design o

3、f Inductive Energy Store High Voltage Square-wave Pulse GeneratorAbstractIn the paper, the history and prospect of technology on pulse power is explained, and some varieties of pulse generator is introduced. Then a design of inductive energy store square-wave pulse generator is proposed.Technology o

4、n pulse power has applications in many fields, such as electron acceleration, laser, nuclear physics, medical care, food handling, electromagnetic launch, magnetic forming, national defense and military.Inductive energy store pulse generator contrasted to capacitor power-storing pulse generator has

5、advantage in energy density, so it can make the size of equipments smaller. Due to this feature, inductive energy store pulse generator is fit for MJ level equipments. As to inductive energy store pulse generator, what we care about is the influence of electromagnetic force. But in capacitive energy

6、 store pulse generator, we should make the electrical field strength below the breakdown field strength of the dielectric. Square-wave shape by the contrast of exponential wave or alternation-wave shape, in some fields, such as food handling field, is more useful. Energy is dependent on not only pow

7、er but also pulse width. So at the same voltage level, square-wave can hold a longer pulse width, and then provide more energy.In this paper, the main work is: First, after reading domestic and abroad papers about this item, I got some knowledge about technology on pulse power and pulse generators p

8、rinciple, feature, technical difficulties and developing direction. Then I propose the design of the main circuit of inductive energy store pulse generator, and analysis the circuit by simulation.Keywordstechnology on pulse power； inductive energy store； pulse generator；square-wave目录 TOC o 1-3 h z u

9、 HYPERLINK l _Toc327876085 摘要 PAGEREF _Toc327876085 h I HYPERLINK l _Toc327876086 Abstract PAGEREF _Toc327876086 h II HYPERLINK l _Toc327876087 第1章 绪论 PAGEREF _Toc327876087 h 1 HYPERLINK l _Toc327876088 1.1 脉冲功率技术概述 PAGEREF _Toc327876088 h 1 HYPERLINK l _Toc327876089 1.1.1 表征脉冲功率的技术参数 PAGEREF _Toc32

10、7876089 h 1 HYPERLINK l _Toc327876090 1.1.2 脉冲功率系统的组成 PAGEREF _Toc327876090 h 1 HYPERLINK l _Toc327876091 1.2 脉冲功率技术的发展 PAGEREF _Toc327876091 h 2 HYPERLINK l _Toc327876092 1.3 脉冲功率技术的发展前景 PAGEREF _Toc327876092 h 3 HYPERLINK l _Toc327876093 第2章 脉冲发生器 PAGEREF _Toc327876093 h 7 HYPERLINK l _Toc32787609

11、4 2.1 储能方式 PAGEREF _Toc327876094 h 7 HYPERLINK l _Toc327876095 2.1.1 电容储能 PAGEREF _Toc327876095 h 7 HYPERLINK l _Toc327876096 2.1.2 电感储能 PAGEREF _Toc327876096 h 9 HYPERLINK l _Toc327876097 2.1.3 其他储能技术 PAGEREF _Toc327876097 h 12 HYPERLINK l _Toc327876098 2.2 脉冲功率系统的开关 PAGEREF _Toc327876098 h 15 HYPE

12、RLINK l _Toc327876099 2.2.1 短路转换开关 PAGEREF _Toc327876099 h 15 HYPERLINK l _Toc327876100 2.2.2 断路转换开关 PAGEREF _Toc327876100 h 17 HYPERLINK l _Toc327876101 2.3 国内外研发的几种脉冲发生器介绍 PAGEREF _Toc327876101 h 18 HYPERLINK l _Toc327876102 第3章 电感储能型脉冲方波发生器的仿真与分析 PAGEREF _Toc327876102 h 20 HYPERLINK l _Toc3278761

13、03 3.1 电感储能型脉冲方波发生器原理 PAGEREF _Toc327876103 h 20 HYPERLINK l _Toc327876104 3.2 电感储能型脉冲方波发生器的仿真分析 PAGEREF _Toc327876104 h 22 HYPERLINK l _Toc327876105 结论 PAGEREF _Toc327876105 h 27 HYPERLINK l _Toc327876106 致谢 PAGEREF _Toc327876106 h 28 HYPERLINK l _Toc327876107 参考文献 PAGEREF _Toc327876107 h 29 HYPERL

14、INK l _Toc327876108 附录 PAGEREF _Toc327876108 h 30PAGE II- - PAGE V - PAGE 10 - PAGE 47 -绪论 脉冲功率技术概述脉冲功率技术已经诞生40余年，并已被中国电气工程大典收录，被国务院定位二级学科1。脉冲功率科学与技术，是研究用某种脉冲高功率装置首先把能量缓慢地储存起来并进行形态变换或压缩的调节，最后以极短的时间脉冲地快速释放给负载的电物理学科技术。 表征脉冲功率的技术参数在脉冲功率技术这一学科中，通常使用以下几个参数表证脉冲功率的特性。(1) 功率数值。随着电力工业的发展，109W功率量级的发电机已经出现，世界上

15、最大的发电站的功率也已经接近1010W，而对于现代大型脉冲功率装置，其不同于发电机长时间连续发电的工作方式，其功率早已达到1014W。(2) 能量范围。各种不同的应用对于脉冲功率输出装置所输出能量的要求不同，有些小装置只有几焦耳，有些较大的装置输出能量高达百兆焦耳量级甚至更高。(3) 脉冲宽度。由于目前的技术水平和应用的需要，脉冲功率输出的脉冲宽度一般在1ns10s量级范围内。例如强流离子束加速器的脉冲宽度仅有几十纳秒，电爆炸导体装置和电感储能型X射线机所需的输出脉冲宽度为微秒或几十微秒量级，电磁发射中的轨道炮或者线圈炮等所需脉冲输出的宽度为几毫秒，电磁弹射飞机和增程火箭等装置的脉冲工作时间达

16、到秒级或几十秒。(4) 脉冲前沿。通常把脉冲上升幅值的10%90%的期间定义为脉冲前沿时间，它表征了脉冲的上升速度的快慢。一般情况下，需要脉冲前沿时间越小越好。(5) 功率增长速度。功率增长速度，即功率除以上升时间，其单位为W/s，它表征了功率上升的快慢程度。现代大型脉冲功率装置的功率增长速度可达1018W/s或1020W/s。综上可见，要使脉冲功率装置对负载输出更多能量，不仅需要高功率的输出，也需要增大脉宽，这是由于其脉冲工作方式所导致的。 脉冲功率系统的组成脉冲功率系统一般由以下几个部分组成：初级供能能源，功率调整系统，能量储存单元，脉冲形成回路，开关，负载。初级供能能源可以是化学供能，电

17、厂交直流电供能，电化学供能（电池），核能供能，磁流体和一些激励线圈等各类供能装置。一般来说，初级供能能源不能直接将能量以很陡的脉冲形式输送给负载，而且负载一般要求高电压脉冲，初始能源也不能输出很高电压的脉冲。功率调整系统主要是将由初级供能能源输入的功率进行调整，使其达到较高电压，将输入给功率调整系统的功率变成脉冲形式，是能量易于传送给能量储存单元。能量储存单元的作用主要是：第一，为功率调整系统提供了恒定的负载，起隔离功率调整系统和脉冲形成回路的作用；第二，在输出一个脉冲到脉冲形成回路后，为产生下一个脉冲储存能量。脉冲形成回路的作用是将能量储存单元传送来的能量以较陡的脉冲形式施加在负载上。开关是

18、脉冲功率系统的关键元件，开关的选择直接影响了输出脉冲的参数，尤其是输出脉冲的脉冲前沿时间。 脉冲功率技术的发展脉冲功率技术之所以能出现并快速发展，是因为诸多新兴学科技术领域的需求以及人类使用电能技术的提高。人们对于脉冲放电的研究开始于对天然雷电现象的雷电特性的研究，以及它对输电线路、建筑物等的危害以及防护。这些研究其放电时间一般在毫秒级或微秒级。20世纪30年代，脉冲功率学科逐渐形成，是从对闪光X射线的研究开始的。1938年，Kingdon和Tanis第一次发表用高压脉冲电源放电产生微秒级脉冲宽度X射线的文章；几乎同时，Steenbeck也公布了高功率脉冲电源能产生闪光X射线的结果。1939年

19、，苏联人又研制出真空脉冲X射线管，并把闪光X射线照相技术用于弹道学和爆轰物理学研究方面。第二次世界大战期间，企图用于军事的电磁炮的研究增加了力度，但由于大量人力财力用于常规战争装备的改进上，这段时间脉冲功率技术并没有较大进步。1947至1948年间，英国人A.D.Blumlein以专利形式把传输线波的折反射原理用于脉冲形成线，在纳秒脉冲放电方面取得重要突破，并提出将双层同轴线原理用于雷达调制，使匹配负载能获得到2倍的线充电电压值。20世纪60年代，英国原子能武器研究中心的J.C.Martin领导的研究小组，成功将Marx发生器与Blumlein的专利结合起来，建造了世界上第一台强流相对论电子束

20、加速器SMOG，脉冲功率可达到1012量级，把脉冲宽度从微秒级压缩到几十纳秒。J.C.Martin在脉冲功率科学技术上的巨大贡献使人们看到获得更高功率脉冲电源的可能。在美国，1967年在Sandia实验室建成的Hermes = 2 * ROMAN II成为当时的最大装置，它输出的脉冲电压幅值达10MV，使二极管输出输出为100kA，脉宽为80ns。陆军Hary Diamond实验室建成了Aurora装置，这个设备由四台Marx发生器组成，加在二极管上的脉冲电压的幅值为14MV，电流1.6MA，脉宽120ns，效率约为50%，功率可达1013W，成为脉冲功率发展史上的里程碑。此后，“磁绝缘”被用

21、在Sandia实验室的PBFA- = 1 * ROMAN I装置上，通过磁绝缘传输线辐射状的向中心的二极管传送能量，其功率的峰值可达到30TW，束流的能量可达到1MJ；尔后，由于1986年1月建成了PBFA- = 2 * ROMAN II装置，这台装置具有峰值电压12MV，电流8.4MA，脉宽40ns，束流能量4.3MJ和功率1014W，它是世界上第一个功率突破100TW的脉冲功率装置，成为脉冲功率发展史上的又一个里程碑。脉冲功率的发展经历了几次重大的突破。第一阶段是Blumlein传输线的应用，建成了脉冲功率达到TW数量级的强流相对论电子束加速器；第二阶段是以“水”代替“油”，发展了低阻抗强

22、流电子束加速器，脉冲功率达到数十TW量级；第三阶段是激光开关的应用，实现了多台加速器并联运行，脉冲功率达到100TW；目前正处于第四阶段的突破口，即发展重复频率脉冲功率技术。当今世界上脉冲功率技术正朝着更高的功率，更高的电压，更大的电流和高重复频率方向发展3。 脉冲功率技术的发展前景近年来，脉冲功率技术是主要结合高新技术和国防建设的需求和研发而发展起来的。在核聚变的惯性约束聚变的研究中，一个直径为1mm的氘-氚靶丸欲实现聚变反应，要求在10-8s的时间内给靶丸提供1MJ的能量，即要求脉冲功率要达到1014W。当今世界上最大的发电厂能提供的功率只有1010W量级，这就需要人类探索新的技术途径，促

23、进了脉冲功率科学技术的研究和发展。美国自20世纪70年代，以Sandia、Los Alamos、Lawrence Livermore三大国家实验室为主，在脉冲功率科学技术领域一直代表着当今的发展方向，是世界最高水平。另外，俄、英、日、法、德等国家也先后研制成功众多高功率脉冲装置。我国在脉冲功率技术方面主要是与可控核聚变研究、电子束和粒子束加速器以及新兴强激光等重大科学项目和国防需求紧密结合起来而发展的。近来，备受重视的新概念电磁武器等应用，要求连续脉冲发射，促进了产生连续大功率脉冲的技术快速发展。不仅大功率重复开关技术得以发展，高电压、大电流的粒子束加速器也迅速崛起。继1982年美国Lawre

24、nce Livermore国家实验室研制出使用多台Marx-Blumlein线型脉冲电源激励加速管的直线感应加速器后，比直线感应加速器更有前途的环形、跑道型循环感应加速器等相继出现，它们不但能产生高电压和大束流，而且占据的空间小、成本低。近来电磁发射(电磁炮)技术又迅猛发展起来。自1978年澳大利亚国立大学的R.A.Marshall小组用500MJ、1.6MA的单极发电机作电磁轨道炮(发射器)的脉冲电源将质量3g的弹丸加速到5.9km/s之后，使全世界的军事、航天、受控热核聚变、高压物理研究等领域非常振奋，均积极试验，研究用电磁发射器为己服务。目前已能把15kg重的炮弹以2.4km/s的速度发

25、射到200海里，这就极大地刺激着高功率脉冲电源向多样化、高比能、小体积和低成本方向发展。由于电磁发射需求大储能(100MJ)、长脉冲(ms)的脉冲电源，因此电磁发射所用的电源种类十分广泛，可用电容储能、电感储能的脉冲电源，也可用化学储能、机械储能的高功率脉冲电源乃至核能的高功率脉冲电源。因此，过去一度被冷落的机械惯性储能电源和化学能电源(含电池组)再展宏图，同时还促进核能高功率脉冲电源研究步伐的加快以及补偿式交流脉冲发电机(compulsator)的发展。同时促使重复爆炸的磁通压缩发生器和脉冲磁流体发电机的出现和发展。当然，电磁炸弹(含微波弹)的需求也是这两种电源规模发展的原因之一。脉冲功率技

26、术作为当代一门重要的高技术之一，它的发展与其他学科的发展有密切的关系。当前，为提高脉冲功率的性能和扩大其应用的领域，主要研究以下几个方向：（一）有关高储能密度的脉冲发生器的研制有些初始能源在单位体积中储存的能量固然很高，但是在脉冲功率系统中，转换为电脉冲功率的效率却较低。由于脉冲功率系统对于体积和重量的要求，若初始能源过于庞大，会使脉冲功率系统的造价增加。在某些情况下，脉冲功率系统的体积和重量的大小是决定性因素，为减小脉冲功率系统的体积和重量，就必须研发出储能密度更高的脉冲功率系统。例如近年来备受关注的用飞机探测水下（如深海）物体（如潜艇）的技术，由于蓝绿激光具有良好的穿透海水的能力，要采用蓝

27、绿激光作为探测的手段，就要在飞机上安装能产生蓝绿激光的激光发射器，而这种激光器的关键技术之一就是高电压、大功率的脉冲的产生，显然，产生电压高、功率大的脉冲发生系统如果过于笨重就会不便于机载。又比如舰艇载电磁炮，同样需要产生很大的脉冲功率，这种脉冲发生系统的体积过于庞大笨重，显然也不便于运载。因此，各种形式的储能密度高的利于小型化的脉冲功率发生器的研制是当今重要的研究课题之一。（二）有关高性能开关元件的研制开关元件在脉冲功率系统中占有特殊地位，这是由于开关元件的技术参数和特性对脉冲上升时间、幅值等产生最直接、最敏感的影响。一个脉冲功率系统即使各个组成部分都具有比较良好的性能，而唯独开关元件的性能

28、不好，最终还是不能得到符合要求的输出脉冲波形。另外，开关在高电压、强电流的条件下工作，工作条件恶劣，开关中的击穿现象和开关电极上的放电物理过程都十分复杂，开关电极材料在击穿时的烧损程度将直接影响到开关的性能和使用寿命。因此，具有耐受高电压强电流、击穿时延短且分散性小、电阻和电感小、电极烧损小以及能在重复脉冲下稳定工作的各类开关元件的研制，是当今脉冲功率技术中又一个十分受关注的研究课题。最近，国外一些从事脉冲功率技术研究的单位和高等学校，提出了关于开关的若干研究专题，主要有：（1）开关中放电模型的研究。其中包括具有高电场强度的绝缘气体以及混合气体的放电过程、放电参数、影响放电的因素、等离子体稳定

29、性、等离子体化学，以及外加磁场对等离子体不稳定的影响等。（2）放电产物的研究。包括在高压强流下，放电的产物对开关性能、开关恢复特性的影响，以及对开关中电弧发展的影响等。（3）开关中电极表面的放电物理过程的研究。（4）固体介质开关的研究。（5）液体、气体中放电流体动力学的研究。（6）超导材料与磁开关的研究。（7）各种形式的切断开关的研究。（三）有关脉冲功率作用下电介质放电特性的研究固体、液体、气体电介质，在直流、工频交流和冲击电压（指脉冲上升时间和脉宽都在微秒数量级的冲击电压）下的击穿特性，多年以来已经进行了相当充分的研究，然而在脉冲功率技术领域，即在很陡的脉冲电压下的电介质的击穿特性，尚缺少比

30、较系统的数据。这是脉冲功率技术当前面临的十分迫切的研究课题，因为对电介质放电特性的了解，关系到脉冲功率系统绝缘结构的合理选择，开关元件绝缘的合理采用，同时，电介质的选择也与脉冲的幅值、功率大小、脉冲宽度和频率有密切关系。所以，在陡脉冲条件下，电介质的特性也是很受关注的研究领域。（四）有关脉冲功率应用的研究脉冲功率技术在粒子加速器、激光、核物理、医疗等领域已经得到日益广泛的应用。近年来在半导体、集成电路、化工、废水和烟雾处理、食品杀菌等方面的应用研究，已经得到了广泛的重视，而且在某些应用领域的研究中，已经取得了很大的进展。例如，用脉冲功率技术产生高能带电粒子束，能使合成材料，如聚乙烯等的热负载和

31、机械负载能力提高许多倍；有些用高能带电粒子束处理后的半导体材料和器件的动作特性和可靠性都明显增强了。总之，脉冲功率学科还是一门年轻的学科。对于未来脉冲功率技术的发展方向可以这样评估：（1）继续向单次超高功率水平发展。自脉冲功率科学与技术诞生以来研制重点一直是产生更高功率的脉冲，目前已突破1014W的里程碑，正向更高的功率水平发展。（2）向高平均功率的重复脉冲方向发展。自20世纪90年代以来，重复脉冲功率技术就被更多的人重视，并取得了更快的发展，重复功率脉冲技术的关键在于储能速度和能大功率重复转换的开关的研制。现在采用半导体断路开关的109W级的重复脉冲功率装置已经研发成功。（3）向更高的能量水

32、平发展。以往为满足一些领域的要求，一直追求高功率。但功率高不等于能量高，高能量的输出还需要有足够的脉宽，例如，某一个脉冲功率装置以10ns的单脉冲输出1014W的功率，其能量仅为1MJ。这样的能量对于某些应用来说微不足道，例如，从20世纪80年代兴起的电磁发射技术（电磁炮），它一般要求每个脉冲能量达到10100MJ，脉宽达到几毫秒，其功率在1010W量级，况且它常以每秒几十发射弹的频率工作；有时发射103kg级质量的射弹，每个脉冲要近102MJ量级能量。（4）向多种类能量转换方向发展。最早，脉冲功率技术所用的脉冲电磁能量是来自电站提供的电能，后来又用惯性储存的机械能，即用各种脉冲发电机单独直接

33、供电；现在和未来，开始把化学能和核能用于脉冲发电，正如磁通压缩发生器和脉冲磁流体发电机那样提供脉冲发生器 储能方式能量的储存系统是脉冲功率装置的重要组成部分。直接从电网获取一定波形的大功率脉冲是不可能的。一般都是经较长时间将能量储存在能量储存系统中，再将能量快速地以脉冲的方式释放出来，得到脉冲强电流和大功率。常用的储能方式有电容储能、电感储能和机械储能，另外还有传输线储能、化学储能等。各种储能方式都各有所长，相互补充。电容储能方式应用最广泛，技术最成熟，可用于毫秒、微秒、纳秒量级的脉冲功率装置中，但其缺点是储能密度较小，在107J以上的装置中使用不够经济且体积较大。电感储能方式的主要优点是储能

34、密度较大。从表2-1中可以看出，一个直径约为125cm、高60cm的电感线圈，当电流5kA时，电感储能方式的储能密度大约为电容储能的25倍。因此在建造兆焦级以上的装置时用电感储能系统比电容储能系统在经济上更有优越性。但电感储能技术尚不成熟，其关键问题是换流技术，核心是开断开关的研究。电感储能目前一般用于毫秒级强流脉冲放电装置中。机械储能是把能量储存在运动的物体中，使运动的物体突然急剧减速，把能量释放出来。常见的有电动发电机组机械储能系统，适用于107至109J级的放电装置。高级炸药所储存的化学能约为5106J/kg，爆炸可在微秒量级的时间内释放能量。磁流体发电机也可作为强脉冲功率源。表2-1

35、电容储能与电感储能密度比较3脉冲电容器电感线圈电容C=2.8电感L=80mH电压U=50kV电流I=5kA储能W=3.5kJ储能W=1MJ体积V=6.3104体积V=74104储能密度W=5.510-2J/cm3储能密度W=1.35J/cm3 电容储能电容储能也称作电场储能，储能元件为脉冲电容器，能量储存在电场中。如图2-1为电容储能放电原理图。直流电源E0经电阻R0对电容器C进行充电，使C两端电压达到U，Rp为电容器的绝缘电阻，电容器的自放电常数c=RpC。当使用低感高压脉冲电容器使c是几十分钟或几分钟的量级，这样可以用很小的充电电流。因此，对于这样的电容器充电时间可以为几秒钟或几十秒，即长

36、时间充电，对充电电源的功率要求就可以降低。当开关S闭合时，放电回路接通，储能电容C就将能量在毫秒或微秒时间内对负载ZL进行放电，这样在负载上就可以得到瞬时的脉冲高功率。图2-1 电容储能及放电原理图在电容器中，若电容为C，和分别为真空的和相对的介电常数，Ac是电极表面及，S为电极板间距离，Uc为充电电压，则电容器储能可表示为：电容量：所以，绝缘材料的储能密度为：可见，对于已确定的电容器体积和介电常数，想要提高储能密度eV的值，惟一的方法是提高电场强度E。从参量反面考虑，希望同时采用最佳的、Ac/S和E。因此有两种优化方案：一种是利用分子物理学设计出具有较高和E的介质薄膜，这样有可能把以前的纸质

37、电容器储能密度水平提高一个数量级；另一种是优化电容表达式中的Ac/S。这两种方案使电容器的研制分成两个方向，使用第一种优化方案研制出的电容器叫做高压脉冲电容器，研制工作主要是研究如何提高电介质的相对介电常数和击穿场强Eb；使用第二种优化方案研制出的电容器叫做双电层型电容器。脉冲电容器作为储能元件和一般的电容器有所不同，除对电容器的一般要求外，主要要求是低电感、长寿命、高储能密度、可短路放电和重复频率等。脉冲电容器常用的固体绝缘材料有：电容器纸、聚砜薄膜、聚丙烯薄膜等。常用浸渍剂有：矿物油、烷基苯、二辛基邻苯、蓖麻油等。选用蓖麻油等大的材料可以大大提高电容器的储能密度。经典Marx发生器在高电压

38、工程中又称为冲击电压发生器。其工作原理是：由于单个电容器的充电电压不是很高，首先对多个储能电容进行并联充电，然后进行串联放电，通过电压倍加获取更高的脉冲电压幅值。如图2-2所示。图2-2 经典Marx发生器工作原理图在图2-2中，变压器T和整流器D组成的高压直流电源经保护电阻R0给各级主电容C0进行并联充电，充电至电压U0，即1、3、52n-1各点对地电位为U0，而下排2、4、62n各点电位仍为零。事先调节各球隙电极的距离使其自击穿电压稍大于U0，以保障在充电过程中它们不会发生自击穿。当外来触发信号触发间隙G1使其主间隙击穿时，点1的电位瞬间地从U0降至零。由于电容器两端的电压不能跃变，点2的

39、电位由原来的零瞬时地下降至-U0。由于点1、3和点2、4间各存在充电电阻R，杂散电容C30来不及通过点1瞬时放电，所以点3仍保持原电位U0。若暂不考虑分布电容的影响，间隙G2承受的电压将由原来的U0突然升至2U0，则G2被过电压击穿。G2击穿后，点3电位从U0降至-U0，点4电位瞬时地降至-2U0，而点5电位仍为U0，此时因G3承受3U0的过电压而被击穿。以此类推，各间隙开关G被快速击穿。 电感储能电感储能也被称作磁场储能，即能量储存在线圈的磁场中。电感储能技术在现代科学领域中，诸如离子体物理、受控核聚变、电磁发射、重复功率的大功率激光器、高功率雷达、强流带电粒子束的产生以及强脉冲电磁辐射等领

40、域都有极重要的作用。相比于电容储能，电感储能的最大优势在于其储能密度比电容储能大数十倍甚至百倍，不像电容储能受到电场强度的限制，只受电磁力的限制；另一个与电容储能方式不同之处在于，电感储能需要使用断路开关（opening switch），而电容储能却用短路开关进行充放电转换。电感储能装置包括充电电源G、储能电感Ls、转换装置（主要是断路开关Sop），闭合开关Sc以及负载ZL。如图2-3所示是两种原理基本相同的电路。充电状态时，断路开关Sop处于闭合状态、Sc处于开断状态，此时充电电流源G以电流I对储能电感Ls进行充电，当达到所要求的储能值时，将Sop断开并同时闭合Sc，从而把电感储存的磁能传递

41、给负载。就其实质而言，在Ls内建立的电流以脉冲形式传输负载，使负载获得比用充电电源直接供电时更高的功率。所谓断路开关断路，就是快速增加开关的阻抗，迫使电流向负载转换。闭合开关工作既可以通过过电压使其击穿，也可以用外触发受控闭合。图2-3 电感储能基本电路许多能源可以作为电感储能型脉冲发生器的初级充电能源。根据要求的不同并考虑其经济性后，可以选用电容器组、Marx发生器、交流发电机-整流器联合装置、直流发电机组、单极发电机、蓄电池组以及磁通压缩发生器或磁流体发电机中的任何一种。上一节介绍的电容放电电路，是经保护电阻对电容器组C充电，此时因电容泄漏电阻Rp较大，电容器自放电时间常数也较大，常达数十

42、分钟，所以可用很小的电流对之充电，充电电源的功率可以很低；当电容向负载放电时，放电电流比充电电流要大许多，因此可把这类电容性放电装置看成是电流放大器。而对电感储能电路充电时，若电感器本身电阻为Rs，则电感自放电的时间常数，通常只有数秒左右，这就要求对电感储能电路应当快充电，因此必须使用较高功率的充电电源；而且当断路开关瞬间断路时，除能把电流换路到负载上去之外，还能在负载两端产生很高的感应电压（LsdI/dt），因此可以把电感放电装置看成是电压倍增器。断路开关除了能将电流换路外，还能压缩能量，使负载得到脉冲功率。尽管现在断路开关概念不少于20多种，但其断路工作机理实质只有两种，一种是在电流过零时

43、断开电路，另一种是开关自增大阻抗直接断路。其中第二类断路开关又分为有功断路开关和无功断路开关两种。断路开关将明显地影响负载的电物理特性，在分析电感储能电路时必须考虑所用断路开关的机理和性质。电感储能高功率脉冲电源的负载，根据不同的应用要求和目的，可以是电阻性的、电感性的或电容性的，或者它们中的某二种联合或三者同时存在。由于种种原因，电容性负载用得较少，而用得最多的是电感性负载和电阻性负载。而它们又分为线性和非线性负载。负载的性质往往反过来影响断路开关的工作性能。从储能密度角度来看，电容储能的密度可以表示为：，其中为电容介质的相对介电常数，E为电容极板间的电场强度，显然受到介质的电场强度的限制，

44、而且介质承受电压时间较长时，介质容易被击穿，所以，电容储能型脉冲发生器的充放电时间也会影响到储能的大小。电感储能的储能密度可以表示为：，仅与磁感应强度B有关，且最高电场仅会出现在向负载转换的最后一段时间内，比电容储能情况要短很多，储能密度只受到与B有关的电磁力，而电场强度对其限制不大。通过合理的计算，也能发现电感储能（）是电容储能（）储能密度的102103倍，即电感储能密度在1040MJ/m3或3050kJ/kg之间。最早应用电感储能作为高功率脉冲电源始于40多年前的脉冲变压器。专门研究电感储能的最早工作是H.C.Early等人开创的，当时他们用常温电感器制造了换能兆焦耳的电源。20世纪50年

45、代后期，人们开始在超速音速风洞、固体激光脉冲氙灯、托卡马克磁场等慢放电装置系统中使用电感储能电源。60年代初，超导体的研究和应用使电感储能技术发展得较快，1963年Early载文说：“储存磁能最适合几毫秒脉冲的应用；如果快速断路开关技术有所突破，电感储能可以经济地产生微秒级高功率脉冲。”但当时因受到相关的断路开关技术和电感负载效率低（最大25%）的限制，曾使人们对电感储能失望和淡漠。1975年S.A.Nasar和H.H.Woodson研究了脉冲功率的储能方式，得出电感储能在脉冲功率技术中有重大应用潜力的结论。后来由于断路开关技术的发展，使得人们再度对电感储能技术发生兴趣。仅在19761983年

46、的四届国际脉冲功率会议上，有关电感储能的论文就增加了三倍之多，这足以看出电感储能技术的发展势头。电感储能技术之所以对人们有强烈的吸引力并在20年中有了重大进展，是因为它的储能密度高和传输的功率大，从而使得电感储能装置体积小、成本低。电感储能技术目前有四个发展方向：1.超导电感储能器的建造。一旦实现超导（R0），将有效地降低对充电电源的功率要求，从而能将功率放大系数增大105倍，超导状态能长期无损地储存能量，并且能量释放的时间可从微秒扩大到若干小时，使得电感储能不仅能在微秒、毫秒放电领域与电容器竞争，在秒级放电领域与旋转机械储能装置和电池组相竞争，而且使它能在诸如电磁发射等许多领域大显身手。原理

47、性研究业已证明，超导电感储能和常规的具有电阻的电感储能一样能实现微秒和毫秒级放电，完全可用于脉冲功率中；事实上，已用于托卡马克的磁场系统。目前已有建造3.61013J的超导电感储能装置的计划。作为脉冲功率的超导电感储能器的应用，取决于超导材料在充电和能量向负载转换期间磁场变化速度的临界性。目前高温超导体研究的突破性进展，已为电感储能在脉冲功率技术中的应用展现了美好前景。2.向快放电方向发展。对于脉冲功率技术，快速放电就是使能量的时间压缩倍数提高和功率的增大。因此，电感储能向微秒放电发展极为重要。在这方面，前苏联的电物理装备研究所曾成功地将线圈分成多组，串联充电，然后并联放电，建成了60MJ的环

48、形储能线圈，实现了6MA、50kV和150200s的放电，此举已接近大容量电容器组的快放电水平。3.向新型断路开关和换流技术发展。这是既重要又困难的工作。电感储能对断路开关的要求甚高。从早先简陋的电爆炸导体断路开关发展到现在的等离子体融蚀开关，目前已有20余种型式的断路开关。但电阻性断路开关用于单级电感储能电路时其转换效率较低。另一方面也发展了其他换流技术。为了提高放电效率，发展了电容换流技术。采用电容换流技术，几乎能使转换效率达到100%，但所需的电容器组储能容量通常却要有电感储能的一半；所以，又出现了用直流发电机和单极发电机作为换流电容的技术。4.向高功率脉冲放电以及高阻抗负载发展。这是近

49、来一些高新技术领域的要求所致。由于电感储能具有很大的储能能力、高的储能密度、大功率水平和单位能量成本随尺寸增加而减少等特性；因此采用电感储存能量进行高功率连续脉冲放电极为有利。但因要求连续脉冲重复放电的技术起步较晚和难度较大，目前尚有不少困难。采用爆炸导体断路开关阵列级联的方法，每次能获得35个脉冲，重复率可达50kHz；使用其他合适的断路开关，可获得更高的重复脉冲，其关键在于开关连续断路工作的性能。未来发展方向是高阻抗负载、100Hz至几十kHz的重复率和大平均电功率。 其他储能技术上面两小节介绍的电容储能技术和电感储能技术都是通过从电能到电能的转换得到脉冲的，储能元件储存的能量都是电能。产

50、生脉冲的储能方式除了以电磁能的形式储存外，还可以用其他元件提供脉冲功率，主要有惯性储能脉冲发电机和化学能脉冲电源等。惯性储能技术，其实就是借助驱动飞轮储存起来的机械能进行脉冲发电的功率技术。机械能分静态和动态两种。如举起重物所储存的势能是静态机械能，但它对惯性储能脉冲功率应用的意义不大。动态机械能又分直线的和旋转的。抛射物体（如炮弹）属直线动能性质，虽然可达10GJ/m3的储能密度，但因发射器尺寸和被抛射体行走距离等因素的限制，对脉冲功率的实用性也不大。储存在旋转机械或飞轮中的动能是旋转机械能，不仅储能密度高，而且提取也较为方便。本章的任务就是研究把旋转机械能转变为强脉冲电磁能的方法。实际上，

51、这些方法都属于机电能量转换范畴，因此必须借助于耦合场的作用来实现。一方面耦合场从输入系统吸取机械能对它本身的储能进行补充；另一方面它释放能量给输出系统。一般说来，可以使用较小功率的拖动机构，以相对长的时间把一定大质量的转子或飞轮慢慢地加速，使其转动起来，利用转动惯性储存足够的动能；然后以此动能驱动合适的发电设备，利用其转动惯性把机械能转变成强电磁能脉冲能量。作高功率脉冲电源用的旋转机械目前主要有两类四种：一类是直流发电机，它包括换向直流脉冲发电机和单极发电机；另一类是交流发电机，它包括同步发电机和补偿脉冲交流发电机（compulsator）。尽管在脉冲工作条件下分直流和交流似乎没有实际意义，但

52、从区分结构和性能的观点看仍然有必要。这些旋转机械的发电原理仍然都是基于法拉第电磁感应定律。此外，新近提出的无铁芯异步发电机2，其优点和应用对人们也很有吸引力。旋转磁通压缩器和其他各种机电脉冲放大机也值得重视。旋转机械储能装置的储能规模很大，现代涡轮发电机可储存109J的动能，不久可能建造成1010J的涡轮发电机，惯性储能的极限目标是1010J。此外，旋转机械具有储能密度高、结构紧凑、体积小、成本低和易做成移动式等优点。因此，旋转机械惯性储能的高功率脉冲电源现在被广泛地用于下列场合：近代同步加速器，托卡马克热核聚变装置，等离子体箍缩，大型风洞系统，大截面金属对头焊接，加热钢坯，泵浦大功率激光，作

53、重复发射的粒子束武器的电源和电磁发射器（特别是线圈发射器）的电源，烧结金属粉末，电磁喷涂，模拟地震脉冲和调谐声音，脉冲金属成形，超高电流和磁通密度效应研究等等。化学能具有极高的储能密度，例如炸药的储能密度4MJ/kg，它们已经广泛的运用到了脉冲功率技术当中。目前，主要有三种基于化学储能的高功率脉冲电源，它们是化学脉冲电源、各种化学能源的磁通压缩发生器和脉冲磁流体发电机。化学脉冲电源主要有蓄电池组构成，其储能水平约为510810108J，其提供的脉冲电压幅值约为5kV，电流约为105A量级，脉宽约为10-1103秒量级，储能密度最高可达到104J/g或5103J/cm对于用化学反应产生的机械能量

54、直线地压缩磁通的装置，可分为两大类。一类叫做“能量密度产生器”，人们仅对这种装置的磁通密度感兴趣，这种装置主要是针对超高强度脉冲磁场领域的应用；另一类装置叫做“脉冲电流发生器或能量产生器”，就是所谓的磁通压缩发生器（MFCG），在这里负载往往与发生器分离开，人们仅对它放大的电流脉冲感兴趣。除了旋转MFCG外，多数MFCG都是由化学能源驱动的。用来驱动MFCG的化学能来源于化合物，既有天然也有人工合成的。化合物储存的能量的多少同样是以储能密度来衡量的，但所能提供给MFCG的能量大小也取决于能量转换效率的大小。例如，汽油的储能密度约为35000J/cm3，而TNT炸药仅是它的15%，但由于汽油转换

55、成动能的效率较低，所以目前MFCG使用的主要是炸药。如表2-2可见，MFCG所用的炸药储能密度最高，高效能的化学能源不仅有更高的储能密度，也提供更强的电流和脉冲持续时间。表2-2 各种初级能源和储能系统2能源能量密度/（MJ/m3）脉冲长度/s转换效率/（%）化学炸药80000.12电容器组0.010.10.0180旋转电机10050010030电感储能10可充电电池50010000.5磁流体动力（MHD）发电机简称磁流体发电机，一般用于电力工业，而脉冲MHD发电机用来做高功率脉冲电源，其原理与普通的MHD发电机的原理基本相同。MHD发电机最早在1910年就出现了，近20年来MHD发电机有了重

56、大的发展。磁流体发电的最根本原理是导电的流体高速切割磁场。根据工作性质，可分MHD发电机为直流工作和脉冲工作两种；根据工作流体，分为液态金属和等离子体的MHD发电机；根据不同电离方式，分为平衡电离和非平衡电离的等离子体发电机；根据所用能源可分为化学燃料以及核燃料MHD发电机，也有少数的太阳能MHD发电机；依据通道形式，有曲线型和直线型MHD发电机；根据工作流体的循环形式，有简单或联合的开式循环和简单或联合的闭式循环两种；依据激励方式，有自激和它激MHD发电机。用作高功率脉冲电源的脉冲MHD发电机，多采用开式循环工作的方式，偶尔也采用闭式循环方式。所谓开式，就是高温高速的导电流体通过发电通道后进

57、入普通的热电站蒸汽设备，除了将其中添加的导电“种子”回收外，其余均作为废气排放到大气中；一般多用化学燃料。所谓闭环，工作流体自成闭合回路，加热、做功循环不已，常与核反应堆联合运行，使用核燃料。脉冲MHD发电机有许多独特的优点：（1）具有较高的效率。使用化学燃料时，发电机本身的效率可达到20%30%，系统总效率在10%以上；使用核燃料时，具有更高的效率。（2）无转动部件。MHD发电机是一种静止的发电机械，从电工学角度看，它不是电机，而是一种电器，所以有时也称之为MHD发电器。（3）直接启动快。工作流体充满发电通道的时间即是发电机启动的时间，工作流体的速度常达到1000m/s以上，所以短于毫秒量级

58、的时间即可以启动，而且工作流体通过发电通道的时间即为脉冲宽度。（4）不需要中间储能元件，可以由发电机直接向负载传递能量。（5）不用大功率开关。对高功率脉冲电源这是一个特别重要的优点。（6）由于使用了化学能或核能，以及不存在中间储能器和转换开关，所以脉冲MHD发电机的体积小对较小，工作可靠，成本低。（7）和其他高功率脉冲电源相比，它能提供秒级甚至毫秒或微秒级的大能量脉冲。脉冲功率系统的开关在脉冲功率系统中，开关具有十分重要的意义，开关性能的好坏，会影响到输出电压的波形。开关的主要作用是电路转换，即脉冲功率系统充电状态与放电状态的转换。脉冲功率技术所用的储能技术中，通常以电容储能和电感储能居多。因

59、为它们产生的脉冲功率是从电功率到电功率，比较方便。对低感高压脉冲电容器可长时间充电几十分钟，时间常数较大，所用的充电电流比放电时负载获得的电流小得多；所以把电容性放电电路可以看成是“电流放大器”。而对于电感充电，时间常数为几秒量级，要求用较短时间大电流充电，然后通过断路产生的幅度为的高电压加在负载上；因此，可以把电感放电电路看成是“电压倍增器”。对于电容储能网络多使用短路转换开关；对于电感储能网络，主要采用断路转换开关。 短路转换开关短路转换开关简称短路开关，又称为闭合开关，其作用就是把原来断开的电路接通。在脉冲功率系统中所使用的短路开关都是高电压、大电流的大功率开关，并非一般电力或电工系统中

60、所使用的开关。在开关两极间所加的脉冲电压通常可达到几十千伏甚至几兆伏到十几兆伏，通过开关的电流可达到几千安培甚至几兆安培，开关的容量（功率）达到109W以上。短路开关具有两个主电极，有时还需要配备各种形式的触发电极。短路开关具有以下几种功能：（1）短路转换功能。首先，短路开关两个主电极的间隙以及电极间的电介质使整个电路或部分电路处于断路状态；当主电极间的电压达到击穿场强而自击穿或用触发电极电压改变场强而触发击穿时，开关就会击穿放电而闭合，使电路短路导通，即使电路从原来的断路状态转换为短路状态。（2）隔离功能。显然，如果开关事先接通处于短路状态（或者无开关），外加电压脉冲将不受阻隔，使电流顺利通