緊湊型重復(fù)頻率脈沖功率源的探索研究.pdf

1、重復(fù)頻率脈沖功率源是脈沖功率技術(shù)的重要研究方向之一，具有重要的軍用價(jià)值和較好的民用前景。緊湊型重復(fù)頻率脈沖源以高功率微波需求為牽引，是高功率微波的核心技術(shù)之一，基于直接驅(qū)動(dòng)技術(shù)的脈沖功率源是緊湊型重復(fù)頻率脈沖源發(fā)展的重要技術(shù)途徑之一，目前得到了廣泛的關(guān)注。本文在對(duì)基于PFN-LTD(PulseFormingNetwork-LinearTransformerDriver)技術(shù)的脈沖功率源進(jìn)行詳細(xì)的理論分析、電路模擬和基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)研究的基礎(chǔ)上，

2、設(shè)計(jì)并研制了一臺(tái)10個(gè)單元模塊感應(yīng)疊加而成的緊湊型脈沖功率源，并開展了實(shí)驗(yàn)研究。本文的設(shè)計(jì)思想和研究成果對(duì)基于PFN-LTD拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的脈沖功率源的研制具有重要的指導(dǎo)意義，為基于直接驅(qū)動(dòng)技術(shù)的脈沖功率源在高功率微波等領(lǐng)域的應(yīng)用奠定了基礎(chǔ)。本論文所作的主要工作包括：
　　 介紹了基于直接驅(qū)動(dòng)技術(shù)脈沖功率源的技術(shù)背景和發(fā)展歷程，重點(diǎn)闡述了基于PFN-Transformer、PFN-Marx等拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的直接驅(qū)動(dòng)技術(shù)脈沖功率源的關(guān)鍵問(wèn)題、

3、優(yōu)缺點(diǎn)以及發(fā)展趨勢(shì)，同時(shí)對(duì)可實(shí)現(xiàn)重復(fù)頻率運(yùn)行脈沖功率源的技術(shù)途徑進(jìn)行了分析研究，重點(diǎn)對(duì)基于水介質(zhì)螺旋型脈沖形成線拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的脈沖功率源進(jìn)行了理論設(shè)計(jì)及仿真模擬。在此基礎(chǔ)上結(jié)合高功率微波的需求和LTD采用直接驅(qū)動(dòng)技術(shù)的特點(diǎn)，提出了緊湊型重復(fù)頻率脈沖功率源的新型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)：PFN-LTD緊湊型重復(fù)頻率脈沖功率源。基于該拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)了一臺(tái)脈沖功率源，其設(shè)計(jì)技術(shù)參數(shù)為輸出脈沖電壓400～500kV、輸出脈沖功率8～10GW、輸出脈沖寬度200ns、

4、輸出脈沖頻率50Hz，這種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的脈沖功率源在國(guó)內(nèi)外尚未見到報(bào)道。論文圍繞基于PFN-LTD技術(shù)的緊湊型重復(fù)頻率脈沖功率源進(jìn)行較為深入系統(tǒng)的探索研究。
　　 為實(shí)現(xiàn)上述設(shè)計(jì)，論文提出并研究了一種基于低感陶瓷電容器的新型脈沖成形技術(shù)。首先在探討基于PFN-LTD技術(shù)的脈沖功率源對(duì)脈沖成形系統(tǒng)需求的基礎(chǔ)上，系統(tǒng)深入得分析了固體介質(zhì)和液體介質(zhì)的脈沖形成線以及基于薄膜電容器的脈沖形成網(wǎng)絡(luò)在輸出低阻抗百納秒高壓脈沖時(shí)存在的局限性，由此提

5、出了利用高介電常數(shù)的低內(nèi)感陶瓷電容器以及金屬板形成的均勻分布電感，研制可用于慢充電的低阻抗脈沖成形系統(tǒng)，理論分析及仿真模擬表明基于該成形技術(shù)的脈沖形成網(wǎng)絡(luò)可獲得歐姆量級(jí)、百納秒的中短脈沖，且輸出波形質(zhì)量好。在此基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)加工了匹配阻抗2.5歐姆、輸出脈沖寬度200ns的Blumlein型脈沖形成網(wǎng)絡(luò)以及匹配阻抗1歐姆、輸出脈沖寬度200ns的單線型脈沖形成網(wǎng)絡(luò)并開展了實(shí)驗(yàn)研究。實(shí)驗(yàn)研究結(jié)果表明其輸出波形質(zhì)量良好波形前沿可達(dá)40ns，為發(fā)

6、展基于PFN-LTD技術(shù)的緊湊型脈沖功率源奠定了基礎(chǔ)。此外，還利用有限元仿真軟件對(duì)Blumlein型脈沖形成網(wǎng)絡(luò)的開關(guān)端、負(fù)載端的電感進(jìn)行模擬分析及實(shí)驗(yàn)研究，在對(duì)結(jié)果進(jìn)行分析的基礎(chǔ)上提出了開關(guān)腔設(shè)計(jì)的進(jìn)一步改進(jìn)方案。
　　 分析了高壓脈沖通過(guò)LTD后輸出脈沖前沿的影響因素，探討了LTD磁芯的性能對(duì)輸出波形質(zhì)量的影響。針對(duì)鐵基納米晶磁芯具有高飽和磁感應(yīng)強(qiáng)度，因此在同等伏秒數(shù)要求下有利于系統(tǒng)的小型化；同時(shí)鐵基納米晶磁芯具有高導(dǎo)磁率和

7、低損耗可以有效提高脈沖功率源能量效率等特點(diǎn)。首次對(duì)國(guó)內(nèi)生產(chǎn)的鐵基納米晶磁芯在200ns～300ns范圍內(nèi)的磁化曲線、脈沖導(dǎo)磁率、磁芯有效截面積和平均磁回路長(zhǎng)度等參數(shù)對(duì)能量傳遞效率的影響，磁芯在熱處理過(guò)程中與氧氣接觸在帶材表面形成的氧化膜的耐壓能力等一系列脈沖磁性能參數(shù)開展了研究并得到了大量有意義的數(shù)據(jù)，實(shí)驗(yàn)研究結(jié)果為國(guó)產(chǎn)的鐵基納米晶磁芯在LTD、感應(yīng)疊加器、磁開關(guān)、脈沖變壓器等脈沖功率領(lǐng)域的應(yīng)用打下了基礎(chǔ)。
　　 開展了PFN-

8、LTD脈沖功率源的開關(guān)選型研究，重點(diǎn)研究TPI10k/50用于PFN-LTD的可行性。論文首先闡述了基于PFN-LTD技術(shù)的脈沖功率源對(duì)開關(guān)的需求，在此基礎(chǔ)上以正態(tài)分布作為開關(guān)延時(shí)的數(shù)學(xué)模型，討論了多路開關(guān)同步工作時(shí)，開關(guān)抖動(dòng)、單路輸出波形前沿對(duì)直線變壓器驅(qū)動(dòng)源多路波形疊加的影響。在對(duì)國(guó)內(nèi)外可重復(fù)運(yùn)行的大功率開關(guān)進(jìn)行系統(tǒng)調(diào)研、分析地基礎(chǔ)上，初步選定了RUV-31真空觸發(fā)開關(guān)、TPI1-10k/50冷陰極閘流管以及GXG系列觸發(fā)管作為備用

9、開關(guān)。設(shè)計(jì)并研制了一套專門用于研究開關(guān)性能參數(shù)的試驗(yàn)平臺(tái)以及三套滿足開關(guān)觸發(fā)要求的觸發(fā)系統(tǒng)，實(shí)驗(yàn)研究結(jié)果表明TPI1-10k/50冷陰極閘流管具有低抖動(dòng)、低電感、快電流上升速率等特點(diǎn)，可以很好滿足系統(tǒng)的需求，最后對(duì)選定的冷陰極型TPI1-10k/50閘流管在工作電壓40kV、工作電流16kA、脈沖寬度200ns、重復(fù)頻率20Hz～50Hz條件下的抖動(dòng)、延遲特性進(jìn)行了詳細(xì)的研究，包括儲(chǔ)氫加熱電壓、直流預(yù)電離電流、輔助脈沖電流以及陽(yáng)極電壓對(duì)

10、其抖動(dòng)、延遲的影響。實(shí)驗(yàn)研究結(jié)果為實(shí)現(xiàn)商業(yè)化的中等高壓開關(guān)在基于PFN-LTD技術(shù)脈沖功率源的應(yīng)用提供了依據(jù)，并提高了系統(tǒng)的穩(wěn)定性及可靠性。
　　 分析研究了負(fù)載阻抗變化對(duì)雙線型脈沖形成網(wǎng)絡(luò)直接給負(fù)載放電以及通過(guò)直線變壓器(LTD)給負(fù)載放電時(shí)電壓傳遞效率，能量傳遞效率以及峰值功率傳遞效率的影響，同時(shí)對(duì)兩個(gè)單元模塊輸出的高壓脈沖經(jīng)過(guò)陰極桿感應(yīng)疊加后輸出波形質(zhì)量開展了實(shí)驗(yàn)研究。在上述研究的基礎(chǔ)上課題組研制出了一臺(tái)由10個(gè)PFN-L