（精选）2015现代电工技术-专题2-脉冲功率技术(包括测量).ppt

1、,专题 脉冲功率技术（概论）, 脉冲功率技术的研究方向, 脉冲功率技术相关概念, 脉冲功率技术应用, 脉冲功率系统的结构及关键技术, 脉冲功率技术的发展历程,专题 脉冲功率技术（概论）,脉冲功率技术，属于一门新兴技术，真正发展是在近40年。从上世纪70年代后期，随着核物理技术、电子束、加速器、激光、放电理论和等离子体技术等的研究和日益广泛的应用，脉冲功率技术才得到重视和迅速的发展。,脉冲功率技术，是以电气科学技术为基础，把电工新技术和高电压、大电流技术融为一体 的新型学科。,脉冲功率技术相关概念,1、脉冲功率（pulsed power）,2、脉冲功率技术,脉冲功率是以脉冲形式出现的功率（单位时

2、间能量）. 这里是指将电能慢慢地高密度储存起来，然后脉冲地短时间快速释放出来而产生的高功率电脉冲。,脉冲功率技术是研究产生各种强电（准确波形的纳秒高压）脉冲功率输出的发生器系统及其相关技术。,脉冲功率 技 术,低电压小功率脉冲技术低功率脉冲技术,高电压大功率脉冲技术高功率脉冲技术,脉冲功率技术相关概念,3、脉冲功率的主要技术指标,电子能量、束流大小、脉冲宽度、束流功率、总能量等。,脉冲功率典型的参数范围为： 电子能量：0.3-15MeV 束流大小：1kA-25MA 脉冲宽度：20-100ns 束流功率：0.1-100TW 总 能 量：1kJ-15MJ,除能量和功率外，脉冲波形本身参数还有： 上

3、升时间、下降时间、脉冲宽度和平顶的波纹度等.,脉冲功率技术相关概念,1015 W/s,21012 W/s,1020 W/s,脉冲功率技术相关概念,4、脉冲功率的特点与技术优势,慢充电储能，快放电； 脉冲的幅值高； 输出脉冲功率大； 脉冲上升时间短，脉宽小； 脉冲压缩是一个瞬态快速过程，而不是稳态过程。脉冲功率电路大都需归结为分布参数电路过程来分析; 回路元件多，总体结构复杂，装置的设计和布局、绝缘与开关特性，都特殊考虑和设计; 负载多样性，在许多情况下，需要输出重复脉冲.,特 点,脉冲功率技术相关概念,4、脉冲功率的特点与技术优势,开关的非线性、负载的非线性、利用非线性效应应 用于脉冲功率技术

4、 脉冲作用时间小于物体固有的时间常数（冷处理、 快电场作用、快电磁效应） 开关具有负电阻特性，功率越高，损耗越小 同样峰值功率输出，脉冲功率体积小（绝缘耐压高、 热效应小）,优 势,非线性： 瞬 时： 高 效： 绝 热：, 大脉冲功率技术水平体现了一个国家的综合国力,脉冲功率技术的发展历程, 1924年，德国人马克斯（E.Marx）发明的冲击电压发生 器，也叫马克斯发生器，是脉冲功率技术的基础；,马克斯发生器,脉冲功率技术的发展历程,当今不同结构形式的马克斯发生器,脉冲功率技术的发展历程, 1938 年，美国人Kingdon 和Tanis第一次提出用高压脉 冲电源放电产生微秒级脉宽的闪光X 射

5、线； 1939 年，苏联人制成真空脉冲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实验。他们用高压 脉冲电容器并联充电串联放电方式来获得较高电压脉冲。 第二次世界大战期间，企图用于军事的电磁炮和其他研 究再度兴起，它们也促进了脉冲功率科学技术的形成和 发展。,脉冲功率技术的发展历程, 20 世纪60 年代是脉冲功率科学技术迅猛发展并形成单 独学科的黄金时代。 这期间，由于对核爆炸有关效应的模拟和粒子束惯 性约束核聚变的研究，需要大功率的强流粒子束加速器， 1962年英国原子武器研究中心的马丁把40年代发明的布鲁 姆莱茵（Blumlein）传输线技术和更早的冲击电压（Marx）

6、发生器结合起来，从而把脉冲宽度从微秒级压缩到几十纳 秒，为脉冲功率学科的形成奠定了基础。,1948年,A.D.Blumlein以专利形式提出双层同轴线（由三个同轴圆筒组成）原理,使匹配负载获得线性的充电电压值,即著名的布鲁姆莱茵传输线技术。,脉冲功率技术的发展历程, 1986年建成的PBFA-II 装置，其峰值电压为12MV、电流 8.4MA、脉宽40ns，其二极管束能为4.3MJ，脉冲功率 1014W，它是世界上第一个功率闯过100TW 大关的脉冲功率 装置。, 1976年起由美国电气与电子工程师学会（IEEE）每两年组 织召开一次国际脉冲功率会议（IEEE Pulsed Power Con

7、ference）。脉冲功率在现代科学和技术中的十几个领 域有着应用潜力，并成为新概念（电磁）武器基础。,脉冲功率技术的发展历程,布鲁姆莱因（Blumlein）传输线的应用：开创了脉冲功 率技术的新纪元； 以“水”代“油”：即和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； 激光开关的应用：由于激光触发开关和磁绝缘传输线的 应用，实现了多台装置并联运行； 感应加速腔技术：克服了高压绝缘的限制； 重复频率运行装置的发展。,五个里程碑,脉冲功率技术的发展历程,从20 世纪60年代我国也建成了各种大型脉冲功率装置，并形成了一支强大的脉冲功率科学队伍，还设立了脉冲功

8、率技术学科。 我国脉冲功率技术的发展主要与我国可控核聚变研究、电子束与粒子束加速器、新兴强激光等重大科学技术项目和国防的需要紧密结合而发展起来的。,中国的脉冲功率技术发展：, “闪光一号”6MeV高阻抗强流相对论电子束加速器、10MeV 感应直线加速器：中国工程物理研究院； “闪光二号”0.9MV、0.9MA低阻抗相对论加速器：西北核 技术研究所； 1994年超导托卡马克实验装置：中科院合肥等离子体所； 2002年“神光二号”巨型激光器：中科院和上海光机所合建。,脉冲功率技术的发展历程,“超导托卡马克（Tokmak）实验装置”,超导托卡马克实验装置是进行受控热核聚变的重要装置。就是所谓“人造太

9、阳”。,【受控热核聚变】受控热核聚变的条件是必须加热燃料到几千万或几亿度的高温，把燃料约束到一个局部的小空间中。未来的稳态运行的热核聚堆用于商业运行后，所产生的能量够人类用数亿年乃至数十亿年。从长远来看，核能将是继石油、煤和天然气之后的主要能源，人类将从“石油文明”走向“核能文明”。,受控热核聚变？,脉冲功率技术的发展历程,“超导托卡马克（Tokmak）实验装置”,超导托卡马克实验装置是进行受控热核聚变的重要装置。就是所谓“人造太阳”。,中科院等离子体所在引进、消化、吸收的基础上，开展自主创新，1994年建成我国第一个超导托卡马克HT-7，从而使我国磁约束核聚变研究进入世界前沿，是世界可控核聚

10、变研究的重要里程碑。,【托卡马克】是一种利用磁约束来实现受控核聚变的环性容器。它的名字 Tokamak 来源于环形toroidal)、真空室(kamera)、磁(magnit)、线圈(kotushka)。最初是由位于苏联莫斯科的库尔恰托夫研究所的阿齐莫维齐等人在20世纪50年代发明的。 托卡马克的中央是一个环形的真空室，外面缠绕着儿所线圈。在通电的时候托卡马克的内部会产生巨大的螺旋型磁场，将其中的等离子体加热到很高的温度，以达到核聚变的目的。,脉冲功率技术的发展历程,托卡马克装置: 20世纪70年代后期到80年代中期，世界各国陆续建成了四个大型的托卡马克，他们分别是： 美国的 TFTR (To

11、kamak Fusion Test Reactor) 日本的 JT-60 欧洲的 JET (Joint European Torus) 苏联的 T-15 受控热核聚变研究的一次重大突破是将超导技术成功地 应用于产生托卡马克强磁场的线圈上，建成超导托卡马克，使得磁约束位形的连续稳态运行成为现实。超导托卡马克是公认的探索、解决未来稳态聚变反应堆工程及物理问题的最有效的途径。1988年，法国建成世界上第三个超导托卡马克Tore-supra。,脉冲功率技术的发展历程,“神光二号巨型激光器”,2002年，中科院、中国工程物理研究院研制，建在中科院上海光机所的“神光二号”巨型激光器，成百台光学设备集成在一

12、个足球场大小的空间内，当8束强激光通过空间立体排布的放大链聚集到一个小小的燃料靶球时，在十亿分之一秒的超短瞬间内可发射出相当于全球电网电力总和数倍的强大功率，从而释放出极端压力和高温，引发聚变反应。这标志我国高功率激光科研和激光核聚变研究已进入世界先进行列。,脉冲功率技术的发展历程,“神光二号巨型激光器”,“神光二号”的主放大器,“神光二号”的真空耙室,脉冲功率技术的发展历程,“神光二号巨型激光器”,脉冲功率技术的发展历程,“神光二号巨型激光器”,“神光”的未来前景诱人。据专家介绍，核聚变是未来清洁能源的希望所在，估计到本世纪中叶，科学家可利用激光聚变技术，把海水中丰富的同位素氘、氚转化为巨大

13、的、取之不尽的能源。“神光二号”的建成，为我国科学家从海水中获得能源迈出了可喜的一步。 “神光二号”的问世，标志我国高功率激光科研和激光核聚变研究已进入世界先进行列。目前，如此精密的巨型激光器只有美国、日本等少数国家能建造。“神光二号”的总体技术性能已进入世界前5位。,脉冲功率技术的发展历程,表_几种典型脉冲功率装置的性能比较,徐远灿.冷阴极闸流管同步应用研究D.西南交通大学,2010,5.,脉冲功率系统的结构及关键技术,脉冲功率的实质是将脉冲能量在时间尺度上进行压缩，以获得在极短时间内（20-100ns）的高峰值功率输出。 由初始储能技术（电容器储能、电感器储能、超导储能、机械储能、化学储能

14、、核能等）产生所需的初级脉冲波形（毫秒到微秒量级），然后再利用脉冲成形和开关技术，在在时间尺度上通过对能量的脉冲进行压缩、整形，实现输出脉冲峰值功率的放大，并输出到负载，为高科技装置和新概念武器提供强电脉冲功率源。,脉冲功率系统的结构及关键技术,结 构,脉冲功率系统的结构及关键技术,结 构,脉冲功率系统的结构及关键技术,关键技术,（4）高压脉冲绝缘技术,（2）高功率开关技术,（1）脉冲功率储能技术,（3）脉冲成形技术,（5）高电压大电流脉冲测量技术,见专题,见专题,脉冲功率系统的结构及关键技术,（1）脉冲功率储能技术,脉冲功率中能量储存的要求：,高能量密度 高耐压强度 高放电电流 长存储时间（

15、低能量泄漏） 高充电与放电效率 高功率倍增（放电输出功率/充电输入功率） 低成本,脉冲功率系统的结构及关键技术,根据系统的实际需要和环境限制进行折衷，脉冲功率技术的常用储能方法有 电容储能； 电感储能； 机械储能； 化学能储能.,（1）脉冲功率储能技术,常用储能方式：,脉冲功率系统的结构及关键技术, 四种常用储能方式的比较：,脉冲功率系统的结构及关键技术, 电容储能和电感储能的比较：, 电容和电感储能密度的比较：,脉冲功率系统的结构及关键技术, 功率脉冲电路中 电容的重要参数：,可靠性与寿命； 电容误差； 电容温度系数； 电容电压系数； 电容的电感； 电容的损耗； 电容的尺寸； 储能密度。,实

16、 际 电 路,对电容某些参数提出要求,选择合适的绝缘材料,电容储能,脉冲功率系统的结构及关键技术,储能电容器,绝缘材料:混合型，聚酯薄膜+浸油纸,PFN电容器,绝缘材料：混合型，聚丙烯+浸油纸 绝缘性好，损耗低，高压情况下可以自愈（Self-healing）,电容储能,脉冲功率系统的结构及关键技术,电容储能,典型电容储能型脉冲功率电路与输出电压波形,理想情况下，负载上脉冲的上升时间为零,脉冲功率系统的结构及关键技术,电容储能,谐振频率：,时阻抗虚部为0.,脉冲功率系统的结构及关键技术,电容储能,R1、L1、RL、LL：引线、负载和电容器自身的电阻和电感 C2：负载电容，可忽略,脉冲功率系统的结

17、构及关键技术,RLC 基本关系,电阻：,电容：,电感：,其中:,线圈的电流不能突变！ 电容的电压不能突变！ 直流稳态时，电感相当于短路，电容相当于开路。,脉冲功率系统的结构及关键技术,RLC 瞬态过程,脉冲功率系统的结构及关键技术,RLC 瞬态过程,减小 L 可以缩短电流脉冲上升时间，提高峰值电流！,快上升沿脉冲的产生（欠阻尼）,脉冲功率系统的结构及关键技术,脉冲功率系统的结构及关键技术,电感储能,典型电感储能型脉冲功率电路 与输出电压波形,通过调节插入金属调谐杆的深度，来改变电感, 对于电感储能型脉冲功率系统，理论上可 以通过采用高阻负载来获得大功率、窄时延的脉冲输出，但是断路开关S对输出脉

18、冲的影响非常大。纳秒级的断路开关和储能密度大、内阻低的储能电感的研制是电感型脉冲功率技术的关键问题。,脉冲功率系统的结构及关键技术,软磁铁芯线圈（Soft magnetic core materials）,磁通密度：,E：rms 电压（V） f：频率（Hz） A：磁芯横截面积（cm2）,应用情况：大电感，电感器体积小,使用铁芯或铁氧体芯，通过增大值，来减小匝数，同时增大电感值。,需注意的问题：,若工作频率高，磁芯材料将增大损耗，降低 Q 值。 所有磁性材料的导磁率随频率而改变，在高频时减小到非常小的值。 磁芯导磁率受温度影响。 磁芯导磁率受电压影响，强励磁将导致磁芯饱和，降低电感值。,脉冲功率

19、系统的结构及关键技术,磁芯线圈的等效电路.,磁芯线圈中的损耗： 涡流损耗（Eddy current loss）： 磁滞损耗（Hysteresis loss）：,频率变化，磁芯线圈中的损耗也将变化，将导致 Q 值变化。 线圈中的铜损：对磁芯加热，导致磁性材料导磁率的变化，从而改变电感值.,磁芯材料类型： 1）基于铁、镍的铁磁材料，用于低频； 2）基于金属陶瓷氧化物的亚铁磁材料，用于几千Hz到 100MHz 以上.,软磁铁芯线圈（Soft magnetic core materials）,脉冲功率系统的结构及关键技术,优点:体积小,储能密度高； 缺点：必须使用开断开关.该种开关必须能够非常迅速地开

20、断大电流. 若重频工作，则难度更大.,实际情况,开关具有有限的开断时间. 可等效为负载上并联了一个随时间变化的电阻.,电感储能,脉冲功率系统的结构及关键技术,电感储能电路分析,线圈电流达到 I0 后，开关 S2 闭合，同时开关 S1 断开.电路等效为：,充电电源：低阻抗 S1：关断开关 S2：闭合开关,脉冲功率系统的结构及关键技术,若 I0 =1000A, R1 =0.1, R2 =10 , C =10nF, L =1H，则,脉冲功率系统的结构及关键技术,（5）高电压大电流脉冲测量技术,测量对象的特点,变化快 du/dt、di/dt，上升下降时间通常在纳秒、微秒量级。这样测量系统应该满足上升下

21、降时间与之相当，同时由于电流电压变化快，电路中的杂散电容、电感成分对测量系统的影响变得非常突出，并且这些分布参数随着频率的变化而变化，从而影响测量系统的稳定性。另外，导体集肤效应的影响，在快速脉冲测量中也变得非常突出而不可忽视。测量系统中的连接线、传输线及测量元件都可能产生集肤效应影响的问题。,脉冲功率系统的结构及关键技术,（5）高电压大电流脉冲测量技术,幅值大通常可达兆伏、兆安量级。现代数字化高速示波器的峰-峰值一般小于100V，这样就需要将被测量对象幅值衰减为1/104以上. 这样的衰减倍数一级分压器难以做到，二级分压器的响应可能也不理想，设计难度大。,脉冲功率系统的结构及关键技术,（5）

22、高电压大电流脉冲测量技术,干扰强由于脉冲前沿快，相应的短波长成分能量大，空间电磁干扰强，在开关通断过程中产生的电磁波和从高压测量回路中辐射的电磁波很容易在低压测量回路中产生干扰。这种干扰的幅值尽管不高，但它并未经过测量系统衰减，因此可以大大降低被记录信号的信噪比，有时干扰甚至远大于真是信号. 这上述特点,使得脉冲高电压大电流的准确测量存在较大难度.,脉冲功率系统的结构及关键技术,（5）高电压大电流脉冲测量技术,大电流脉冲的测量,a. 分流器法,适用范围：几千安至几十千安,寄生电感通过脉冲大电流的分流器不能视为纯电阻.因此,设计和制作分流器时尽可能地减小残余电感; 强电磁场快速变化的大电流电路系

23、统会在分流器周围产生快速变化的强大电磁场，测量回路受到稍许干扰，都可能产生严重的偏差； 发热效应、集肤效应、电动力效应的影响也不能忽视。,影响因素：,脉冲功率系统的结构及关键技术,（5）高电压大电流脉冲测量技术,a. 分流器法,结构形式及特点：,基于以上原因，除了用同轴屏蔽电缆来连接分流器和示波器外，在设计分流器结构时，尤其是电压引线和电缆的连接时，要防止周围的干扰。另外，为了防止引线电感和寄生电容造成高频振荡和测量偏差，分流器低压点常常需要直接接地。,常见的低感分流器结构形式为 双线型（双线型分流器又分为带状对折和辫状对折两种） 同轴管型 盘 型,脉冲功率系统的结构及关键技术,双线型分流器,

24、带状对折分流器,辫状对折分流器,这两种分流器的电压引出线都与分流器本体垂直,并且通过同轴电缆输出测量设备，以达到减小干扰的目的，但是这两种分流器的寄生电感相对较大，在运用中受到一定的限制.,电流从同轴的内圆柱形电阻薄片流入，通过高电导率圆柱形外壳流回。两个圆柱间填有绝缘介质，可以做到极薄，测量输出通过 b和 b引出。由于外壳的屏蔽，使得电流产生的磁场被限制在同轴型结构的两个圆筒的极薄的间隙间，而在内圆筒内部和外圆筒外部不存在任何磁场，这样使得在分流器上产生的寄生电感特别的小，同时引出线上干扰也特别小。由于同轴型结构的这些优点，使得其成为脉冲大电流测量中运用最广泛地分流器结构.,同轴分流器,为了

25、减小寄生电感，用于测量脉冲电流的分流器结构常采用同轴型分流器结构.,脉冲功率系统的结构及关键技术,脉冲功率系统的结构及关键技术,盘式分流器的残余电感极小，所以响应时间可以做到小于1纳秒。,盘式分流器,1-电缆, 2-同轴锥形套, 3-绝缘压块, 4-薄电阻盘,脉冲功率系统的结构及关键技术,大电流脉冲的测量,b. 罗氏线圈法,特点：结构简单； 不存在电力和热力的稳定问题； 与被测电流直接隔离，便于安装。,柔性Rogowski线圈,刚性Rogowski线圈,测量范围：几百千安,缺点：本身准确度不高。 故其适合测量数值大、变化快的脉冲大电流。,脉冲功率系统的结构及关键技术,结构:罗氏线圈的骨架有矩形

26、和圆形两种,Rogowski 线圈结构图,b. 罗氏线圈法,均匀绕在非磁性骨架上,脉冲功率系统的结构及关键技术,回绕式罗氏线圈,绕制方法:,b. 罗氏线圈法,脉冲功率系统的结构及关键技术,罗氏线圈的屏蔽,常常采用对线圈屏蔽的方法来减少外界快变电磁场对测量的影响。采用高导磁材料（如铁壳）对罗氏线圈进行屏蔽时，为了防止铁壳内产生环流，需要对铁壳做如图所示的开槽。另外为了防止铁壳形成磁旁路，故需要开槽切断铁壳环路。,b. 罗氏线圈法,屏蔽方法:,脉冲功率系统的结构及关键技术,原理：Rogowski 线圈电流传感器是根据电磁感应定律和安培环路定律,用罗氏线圈将一次侧高电压、大电流变送到线圈二次侧小信号

27、,系统根据罗氏线圈的输出信号, 实现对一次侧电流的测量以及短路情况的判断.,b. 罗氏线圈法,设 Rogowski 线圈的平均半径为 R，载流母线从线圈中心穿过，将母线看作无限长载流导体，根据安培环路定理可知，被测电流在 Rogowski 线圈距中心 r 处的磁场强度为：,则此处的磁感应强度为：,0为真空磁导率,脉冲功率系统的结构及关键技术,式中 i(t)：穿过线圈的瞬时电流，单位 A ； r：空心线圈骨架的半径，单位 m； 0：真空磁导率，410-7H/m； N：绕组匝数； h：骨架高度，单位 m； Ra：骨架外径，单位 m；Rb：骨架内径，单位 m,上式表明线圈绕环上电磁感应强度与电流呈线

28、性关系.,脉冲功率系统的结构及关键技术,令：,由法拉第电磁感应定律可得:,当线圈结构一定时, M 为常量. 上式两边积分得：,脉冲功率系统的结构及关键技术,Rogowski 线圈的两种可能工作状态:,空心线圈与采样电阻构成的测量电路如图所示，其中 L 是空心线圈的自感，Ra是采样电阻.,所谓自积分状态和微分状态是指,因被测电流i性质(di/dt)不同和取样电阻Ra的大小不同，输出电压uo与被测电流i之间所呈现的不同关系,如微分状态指,在满足某些条件（如，di/dt很小）下，输出电压与被测电流存在微分关系。,根据被测电流 i 的性质不同，空心线圈将工作在两种不同的状态：自积分状态和微分状态.,脉

29、冲功率系统的结构及关键技术,Rogowski 线圈的自积分工作状态:,电路满足以下方程,输出电压u0与被测电流 i成正比.前提是采样电阻Ra要取较小的值，或被测电流的变化率dt/di要比较大。这就是自积分工作状态，这种形式常用来测量脉冲高频电流。,脉冲功率系统的结构及关键技术,输出电压 uo与被测电流存在微分关系.前提是采样电阻 Ra要取较大值,或被测电流变化率di/dt比较小.这就是微分工作状态, 要想还原被测电流,还必须外加一个积分环节.,Rogowski 线圈的微分工作状态:,电路满足以下方程,第三次课至此,脉冲功率系统的结构及关键技术,自积分状态下的频率特性,罗氏线圈工作的频率特性:,

30、L、r、C0分别是空心线圈的自感、内阻和杂散电容,Ra为取样电阻.,系统的电压电流方程如下：,空心线圈工作在自积分状态下，取样电阻Ra的值较小，罗氏线圈测量回路的等效电路如图,传递函数,脉冲功率系统的结构及关键技术,对上式进行拉氏变换，可得整个测量电路的传递函数为：,自积分状态下的频率特性,罗氏线圈工作处于 自积分模式下条件,脉冲功率系统的结构及关键技术,工作频带为,罗氏线圈工作在自积分状态下，测量回路 下限频率决定于测量电路的时间常数L/(Ra +r)， 上限频率则主要决定于采样电阻和分布电容.,自积分状态下的频率特性,Rogowski 线圈在自积分状态下的幅频特性,脉冲功率系统的结构及关键

31、技术,自积分状态下的频率特性,系统的灵敏度：,由系统传递函数式得，系统的灵敏度为：,脉冲功率系统的结构及关键技术,自积分状态下的频率特性,C0通常很小，忽略其得：,时, 回路本身构成一个RL积分电路.,于是有,当测量回路满足,此时的电路方程近似可以写成,求解uo的另一种方法,脉冲功率系统的结构及关键技术,微分状态下的频率特性, 使用 RC 积分器时的频率特性,罗氏线圈工作在微分状态下，取样电阻的值较大，使测量回路接近于一纯电阻网络，这时为了能够还原被测电流，必须另外加一积分环节，当使用普通 RC 积分器时，等效电路如下图所示，L、r、C0分别是空心线圈的自感、内阻和杂散电容。,R 10Ra,使

32、用RC积分器时的等效电路,脉冲功率系统的结构及关键技术,整个电路的传递函数为,下限频率：,上限频率：,罗氏线圈工作在微分状态下,测量回路下限频率决定于积分电 路的时间常数RC,上限频率决定于测量回路的固有谐振频率., 使用 RC 积分器时的频率特性,脉冲功率系统的结构及关键技术,Rogowski 线圈采用 RC 积分器下的幅频特性,工作频带为, 使用 RC 积分器时的频率特性,脉冲功率系统的结构及关键技术,系统的灵敏度：,由系统传递函数式得，系统的灵敏度为：, 使用 RC积分器时的频率特性,当要求灵敏度较大时,RC 应取较小的值,因下限频率与RC成反比，这样会使下限频率变大,这样灵敏度与频带要

33、求难以兼顾.为了解决这个问题,可以采用带反馈电阻的运放积分器.,RC积分的不足：,脉冲功率系统的结构及关键技术, 使用带反馈电阻的运放积分器时的频率特性,使用带反馈电阻的运放积分器时的等效电路,输入电阻大,对前面电路影响小.,脉冲功率系统的结构及关键技术,Rogowski 线圈采用运放积分器下的幅频特性, 使用带反馈电阻的运放积分器时的频率特性,脉冲功率系统的结构及关键技术,系统的灵敏度：,由系统传递函数式得，系统的灵敏度为：, 使用带反馈电阻的运放积分器时的频率特性,通过增大R2 可以降低下限频率，减小R1 增大灵敏度。灵敏度与 R1成反比，而与 R2的大小无关。这样就解决了普通 RC 积分

34、器的灵敏度和下限频率对 RC 的取值要求相反的矛盾.,脉冲功率系统的结构及关键技术,利用罗氏线圈测量脉冲大电流时，首先尽可能地使罗氏线圈工作在自积分状态，只有当这种状态得不到满足时，才考虑另外一种方式。 一般而言，前一种方式前一种方式适用于测量快速变化、持续时间短的脉冲大电流，而后一种方式适用于测量变化缓慢、持续时间较长的脉冲大电流。,注意,提出了一种新型自积分和外积分相复合的罗氏线圈传感器。在保证测量灵敏度和下限频率的前提下的上限频率拓展到fc。线圈输出由终端电阻Rt阻尼,感生电压E经线圈自身L/Rt高频自积分环节、无源R0C0中频积分网络、有源R1C1低频积分器处理后,再经过RhCh高通滤

35、波环节滤除运放引入的低频噪声后,获得输出信号Uo,Rh通常可由示波器等波形显示或存储设备的输入阻抗代替。高通滤波器的引入使运放的低频衰减网络可用一个大电阻Rl代替,便于参数设计,否则就要用阻容网络来实现低频衰减,参数设计相对复杂。,脉冲功率系统的结构及关键技术,RSD固态脉冲电源中的罗氏线圈电流检测技术J. 强激光与粒子束,2009,21(11 ):1755-1760.,脉冲功率系统的结构及关键技术,由上式可见：线圈的感应输出只与被测电流中的谐波分量有关，而与直流分量无关；也就是说，对于直流输电系统中的比例较小的谐波分量，可以通过 罗氏线圈感应出和原方电流成微分关系的电压信号,这个信号不受直流

36、分量的影响，这是罗氏线圈测量直流谐波电流的突出优点，它能解决传统互感器工作点与直流分量的大小有关的难题。,罗氏线圈的感应电势为：,在直流输电 系统中：,脉冲功率技术应用,脉冲功率技术是由于国防科研需要而开始发展起来的一门新兴科学技术，作为当代高新技术研究的重要技术基础之一，脉冲功率技术的发展和应用于其他学科的发展有着密切的联系，随着研究的不断深入，储能技术、功率开关技术、脉冲大电流的测量技术等方面必将取得更大的发展，而且这些成果将不断地转化到生产应用领域。总之，脉冲功率技术在科学研究、国防工业以及工业、民用等领域中有着越来越广泛的重要应用。,脉冲功率技术被美国国防部、能源部列为21项关键技术

37、主攻领域： （1）高功率重复脉冲微波武器 （2）电磁发射 （3）高功率激光武器 （4）电子束、粒子束武器 （5）核爆模拟（Zpinch，激光核聚变） （6）各方面工业应用 我国十分重视脉冲功率发展 国家自然科学基金 国防预研基金,脉冲功率技术应用,脉冲功率技术应用, 国防军事 科学研究 工业领域 民用领域,应用领域,脉冲功率技术应用, 激光器（激光同位素分离）,带磁脉冲压缩器的激光器放电回路,放射性同位素的应用是核能利用的一个重要方面，已广泛应用于工业、农业、医学、环保、军事、资源勘探、科研等诸多领域。,放射性同位素射线探测技术 开发各种同位素监控仪表，如料位计、密度计、测厚仪、核子秤、水分计

38、等。 放射性同位素示踪技术 用于医药、农药、兽药、肥料的吸收、分布、分解、代谢、效果、残留及植物固氮等机理研究。,利用激光单色性强的特点，使同位素光谱有选择性的激发，经物理或化学的方法分离同位素。,物理学报,2003,52（7）：1818-1821.,脉冲功率技术应用, 粒子加速器,10kA电子束的驱动系统,峰值输出功率为1010W,脉宽80ns,脉冲能量800J,脉冲上升时间15ns,单腔驱动时的电压450kV,脉冲不稳定性,在小于工kHz下运行时为1/2ns,最大爆发脉冲频率为15kHz,平均脉冲重复率为1kHz。他们认为,如果整个ATA装置都采用磁脉冲压缩系 统,将产生100Mev的电子

39、束脉冲。,脉冲功率技术应用, 电磁炮、电磁导弹,“电磁炮”能够发射出极强功率的微波脉冲串，可以 摧毁各类电子系统，是信息战、电子战很有效的攻击武器。“电磁导弹”是一种超宽带及极短脉冲周期、慢衰减的电磁波。,电磁炮是利用电磁发射技术制成的一种先进的动能杀伤武器与传统的大炮将火药燃气压力作用于弹丸不同，电磁炮是利用电磁系统中电磁场的作用力，其作用的时间要长得多，可大大提高弹丸的速度和射程因而引起了世界各国军事家们的关注自80年代初期以来，电磁炮在未来武器的发展计划中，已成为越来越重要的部分,脉冲功率技术应用,电 磁 炮,脉冲功率技术应用,电 磁 炮,电磁炮,脉冲功率技术应用,电 磁 炮,电磁炮,脉

40、冲功率技术应用,电 磁 炮, 材料表面改性、环污治理、食物消毒.,光滑丝绸表面的活性处理，大大增强了丝绸表面对各种染料的附着度，染色的牢度大大增强；,用等离子体技术对多层高频氟塑料板，进行活化处理后，大大改善了表面活性，为随后的电镀、粘连、喷化创造了良好的表面条件； 应用磁开关技术的高压脉冲除尘设备，已列入国家重 点课题研究项目。,脉冲功率技术应用,10 kV等离子体表面改性高压脉冲电源,该电源的性能指标为:脉冲电压幅值0.110.0 kV,脉冲频率0.22.0 kHz,脉冲占空比5%30% ,脉冲电流幅值20 A,脉冲功率200 kW。,强激光与粒子束，2007，19（11 ）：1927-1

41、930.,脉冲功率技术应用,脱硫用重复频率脉冲电源,强激光与粒子束，2002，14（3）：434-436.,脉冲电源的输出电压大于 120kV,脉冲上升时间小于100ns,脉冲宽度约为 350ns左右,重复频率50200Hz。,脉冲功率技术应用,脉冲功率技术研究的主要内容是如何经济地和可靠地储存能量，并将大能量和大功率有效地传输到负载上。不断提高的能量、功率上升时间和平顶度、重复率、稳定性和寿命的要求，给脉冲功率技术提出了一系列的科学技术问题，诸如：能量的储存，能量和功率的传输，脉冲的形成和压缩，开关技术，绝缘特性，绝缘传输线，二极管和有关诊断技术等。由于军事、科学实验和工业上的需要，脉冲功率

42、技术已经发展到相当的水平。,当前脉冲功率技术的发展方向可以概括为： 高重复频率； 高可靠性、长寿命、高稳定性； 电源系统小型化、高效率； 多种应用.,脉冲功率系统的研究方向,（1）由单次脉冲向重复的高平均功率脉冲发展。过去脉冲功率技术主要为国防科研服务，并且大多是单次运行，而工业、民用的功率脉冲技术要求一定水平的平均功率，必须重复频率工作。,（2）储能技术研制高储能密度的电源。在很多场合下，脉冲功率系统的体积和重量的大小是决定性因素，如飞机探测水下物体技术、舰载电磁炮等，都要求产生很大的脉冲功率，而且系统有不能过于庞大和笨重。因此。高储能密度的脉冲功率发生器的研制是当前主要的研究课题之一。,脉

43、冲功率系统的研究方向,（3）开关技术开发新的大功率开关和高重复频率开关。开关元件的参数直接影响整个脉冲功率系统的性能，是脉冲功率技术中一个重要的关键技术，美国空军武器科学家认为，目前大功率开关技术包括以下几个方面：短脉冲技术、同步技术、高重复频率技术、长寿命技术，而难点在于大功率、长寿命和高重复频率的开关技术。因此，具有耐高压强电流、击穿时延短且分散性小、电感和电阻小、电极烧毁少以及能在重复的脉冲下稳定工作的各类型开关元件的研制，是当前国内外脉冲功率技术中又一个十分受重视的研究课题。,脉冲功率系统的研究方向,脉冲功率系统的研究方向,（4）积极开辟新的应用领域。脉冲功率技术已在核物理、激光、电磁发射等领域得到广发的应用。近年来，脉冲功率技术在半导体集成电路、化工、环境工程、医疗等领域的应用研究，已引起各界的广泛重视，而且在某些应用研究中，已取得可喜的进展。脉