高功率磁脈沖壓縮系統(tǒng)及其在長脈沖驅(qū)動源中的應(yīng)用研究.pdf

1、國防和工業(yè)應(yīng)用需求促使高功率脈沖驅(qū)動源向器件固態(tài)化、組件模塊化以及裝置長壽命的方向不斷發(fā)展；因此，研究小組提出了一種基于磁開關(guān)技術(shù)的高功率固態(tài)長脈沖驅(qū)動源技術(shù)驗證方案，典型指標(biāo)為輸出功率5GW、脈沖寬度160ns、重復(fù)頻率20Hz，國內(nèi)對基于該技術(shù)路線的高功率脈沖驅(qū)動源研究尚未見報道。論文在深入分析該高功率脈沖驅(qū)動源工作特性的基礎(chǔ)上，提出了一種基于分立式繞組結(jié)構(gòu)的高功率磁開關(guān)，并研制了電參數(shù)可調(diào)型GW級磁脈沖壓縮器。該磁脈沖壓縮器作為一

2、種全固態(tài)模塊化單元，做到了峰值工作電壓、飽和時間以及壓縮比等核心參數(shù)可調(diào)，具有輸出功率高、重復(fù)頻率高、使用壽命長以及工作可靠性好等優(yōu)勢。論文將其作為核心器件應(yīng)用于研究小組提出的基于磁開關(guān)技術(shù)的固態(tài)長脈沖驅(qū)動源系統(tǒng)中，能夠穩(wěn)定輸出上升時間約1μs的GW級高功率電脈沖，已經(jīng)成功應(yīng)用于5GW/170ns固態(tài)長脈沖驅(qū)動源系統(tǒng)的調(diào)試與優(yōu)化。
　　論文的主要工作和創(chuàng)新點有：
　　1.針對高功率脈沖驅(qū)動源中磁性材料的應(yīng)用環(huán)境，深入分析了非

3、晶態(tài)磁性材料在高電壓、強磁場、快脈沖激勵下飽和過程的物理機制，研制了激勵電脈沖可調(diào)節(jié)的磁芯測試平臺，基于該平臺研究了鐵基非晶態(tài)和鐵基納米晶磁芯的磁滯特性，得到了影響磁開關(guān)工作性能的核心參數(shù)不僅包括磁性材料種類和磁場強度，還包括磁芯幾何結(jié)構(gòu)以及激勵磁場波形，該結(jié)論可以應(yīng)用指導(dǎo)高功率脈沖驅(qū)動源中的磁芯設(shè)計，為研制高功率固態(tài)長脈沖驅(qū)動源奠定了基礎(chǔ)。
　　2.針對傳統(tǒng)磁開關(guān)由于設(shè)計流程不自洽造成的設(shè)計精度較低，以及磁開關(guān)體積重量較大等缺點

4、，理論推導(dǎo)了磁脈沖壓縮器正向和反向預(yù)脈沖解析表達(dá)式，給出了降低預(yù)脈沖幅值的技術(shù)方案；優(yōu)化了磁脈沖壓縮器的設(shè)計流程、飽和時間以及磁芯幾何結(jié)構(gòu)；結(jié)果表明，優(yōu)化方案不僅有效提高了設(shè)計精度，還能夠在保證一定輸出電壓的情況下，減小裝置的體積、重量和研制成本，并有利于降低開關(guān)抖動，為磁開關(guān)技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展和工程化應(yīng)用提供了新的思路。
　　3.針對傳統(tǒng)磁開關(guān)工作點單一的缺點，首次提出了一種使用多段導(dǎo)體拼接制成的分立式繞組結(jié)構(gòu)，這種結(jié)構(gòu)將磁開關(guān)的

5、傳統(tǒng)繞組“化整為零”，通過改變分段導(dǎo)體的連接方式，可以對磁開關(guān)繞組匝數(shù)在一定范圍內(nèi)進(jìn)行連續(xù)調(diào)節(jié)，進(jìn)而實現(xiàn)峰值工作電壓、飽和時間以及壓縮比等核心參數(shù)的可調(diào)節(jié)運行，研制了電參數(shù)可調(diào)型高功率磁開關(guān)并開展了實驗研究、驗證了技術(shù)方案，為磁開關(guān)技術(shù)向參數(shù)可調(diào)型發(fā)展和應(yīng)用打下了堅實的基礎(chǔ)。
　　4.采用理論分析、數(shù)值仿真以及實驗驗證等方法，研制了電參數(shù)可調(diào)型兩級串聯(lián)型磁脈沖壓縮器，輸出電功率達(dá)到GW量級。通過調(diào)節(jié)第一級磁脈沖壓縮器中磁開關(guān)的繞組

6、匝數(shù)，開展了壓縮比分別為25和19時的脈沖調(diào)制實驗，均實現(xiàn)輸出電脈沖的峰值電壓大于55kV、輸出功率大于0.55GW、重復(fù)頻率20Hz，波形一致性較好；將其應(yīng)用于高功率脈沖驅(qū)動源中，驅(qū)動源整體在假負(fù)載上得到了電功率約2GW、脈沖寬度大于170ns、重復(fù)頻率20Hz的準(zhǔn)方波脈沖輸出?；谏鲜鲅芯抗ぷ鲗ρb置進(jìn)行升級，磁脈沖壓縮器的輸出電壓達(dá)到約105kV、電功率大于1GW；此時，高功率脈沖驅(qū)動源在無導(dǎo)引磁場的情況下，成功驅(qū)動天鵝絨陰極實現(xiàn)了