基于脈沖變壓器的長脈沖PFN-Marx技術(shù)研究.pdf

1、高功率脈沖功率技術(shù)除了向高功率、高重復頻率和小型化方向發(fā)展以外，獲得長脈沖固態(tài)化的高功率脈沖驅(qū)動源也是重要發(fā)展方向。本文采用PFN-Marx技術(shù)方案來實現(xiàn)長脈沖高電壓的脈沖輸出。本文首先分析了PFN放電理論，之后分別從組成PFN-Marx發(fā)生器的多個部分，如充電系統(tǒng)、多級PFN、氣體開關(guān)和負載等多方面展開分析和設(shè)計。在此基礎(chǔ)上加工制作了一套正負充電PFN-Marx發(fā)生器，實驗結(jié)果證實了該技術(shù)方案用以產(chǎn)生長脈沖方波是可行的。論文的主要工作

2、和結(jié)果體現(xiàn)在以下方面：
　　1、PFN放電理論分析
　　首先利用電路理論詳細分析了梯形PFN，得到了梯形PFN阻抗、輸出脈寬、輸出電壓及其固有頻率隨PFN中電容值、電感值和節(jié)數(shù)的變化關(guān)系，同時分析了影響PFN輸出脈沖上升時間和下降時間的因素。此外，利用PSpice仿真軟件分析了PFN中電壓和電流隨時間的變化關(guān)系，得到了PFN上放電的直觀模型，研究了電路參數(shù)對輸出波形的影響。
　　2、高壓脈沖變壓器研究
　　(1)

3、利用鐵基非晶材料作為變壓器磁芯，采用晶閘管作為初級開關(guān)研制出兩套脈沖變壓器，其中原邊電容940μF，次級電容33 nF，初次級繞組匝數(shù)比為2:270。在空氣中，最終實驗測得兩套變壓器峰值充電時間一致性較好，變比可以達到160倍以上，負載電容上最高電壓可以達到100 kV。
　　(2)對實驗過程中的磁芯飽和現(xiàn)象進行了分析。晶閘管在初級回路電流過零附近處關(guān)斷，由于磁芯伏秒數(shù)有限，次級回路產(chǎn)生振蕩，次級電容上的電壓波形在磁芯飽和的影響下

4、正負交替變化，波形包絡(luò)為明顯的RC衰減波形。同時還分析得到，在同一次放電情況下，次級電壓振蕩波形與時間軸所圍成的面積(即磁芯伏秒數(shù))隨著放電過程的發(fā)展略有降低；在不同的充電電壓下，伏秒數(shù)隨著充電電壓的增大而略有增加。
　　(3)對次級回路的飽和振蕩過程建立了一個簡化的電路模型，該模型可以從原理上初步說明次級回路飽和振蕩產(chǎn)生的原因和發(fā)展過程，仿真分析與實驗結(jié)果相一致。
　　3、氣體開關(guān)設(shè)計
　　首先論述了開關(guān)選取的原則和

5、設(shè)計方案，對設(shè)計好的開關(guān)結(jié)構(gòu)進行了靜電場仿真，分析得到陰陽極之間的電場在陰極頂端半徑邊緣最大，間隙中最容易在此擊穿，從而導致開關(guān)的導通。設(shè)計并加工了開關(guān)單元，在加工得到的開關(guān)上開展了擊穿實驗，并對其性能進行了測試，在氣壓增大時，開關(guān)擊穿電壓增大，同時抖動降低。
　　4、正負充電PFN-Marx發(fā)生器研究
　　(1)討論了單級陶瓷電容平板PFN的放電特性。實驗結(jié)果證實增加PFN的節(jié)數(shù)可以顯著增大脈寬，同時在節(jié)數(shù)不太多的情況下，

6、增大節(jié)數(shù)對上升時間幾乎沒有影響，但是下降時間會顯著增加。此外，增大單節(jié)電感值同樣可以增加脈寬，減小連線電感值可以明顯減小上升時間。
　　(2)利用軟件模擬對設(shè)計的PFN-Marx電路進行了討論。詳細分析了正負脈沖變壓器充電電壓均勻性、隔離電感對開關(guān)過電壓的影響和影響輸出脈沖上升時間的因素等問題。分析得到，充電電感的連接方式對每級PFN上的充電電壓的影響可以忽略；在隔離電感并聯(lián)方式下開關(guān)上的過電壓大于其在隔離電感串聯(lián)方式下的過電壓；