【摘要】：高功率脈沖驅(qū)動源在國防和工業(yè)領(lǐng)域具有重要的應(yīng)用價值。小型緊湊化、固態(tài)化以及高重復(fù)頻率運行是其重要的發(fā)展方向。論文提出了基于可飽和脈沖變壓器(Saturable Pulse Transformer,SPT)與斷路開關(guān)的脈沖調(diào)制器緊湊固態(tài)化技術(shù)路線,對基于此技術(shù)路線的μs級前沿脈沖、ns級前沿脈沖以及方波脈沖的產(chǎn)生方式進(jìn)行了研究。主要包含以下四個方面的研究內(nèi)容。1.提出了基于SPT的多路同步控制技術(shù)對基于SPT的多路同步控制技術(shù)的工作方式及其物理機(jī)制進(jìn)行了分析,揭示了該技術(shù)方案的物理本質(zhì),即同步過程是基于磁性材料內(nèi)部的固有機(jī)理和特性來實現(xiàn)的。在不考慮損耗的理想情況下,SPT的各次級回路的物理過程可同步進(jìn)行,輸出的多路高壓脈沖能夠獲得極高的同步精度。通過CST軟件模擬分析,以及三路同步輸出的實驗驗證,表明各共磁芯次級回路的輸出脈沖能夠達(dá)到ns量級的同步精度。2.基于SPT多路同步控制的新型LC-Marx發(fā)生器研究論文提出了基于SPT多路同步控制技術(shù)的新型μs級LC-Marx發(fā)生器。在該發(fā)生器中,SPT先后承擔(dān)了充電變壓器、同步反轉(zhuǎn)控制器、反轉(zhuǎn)開關(guān)以及反轉(zhuǎn)電感的四重功能。對發(fā)生器的各個工作階段進(jìn)行了理論分析與電路模擬,著重分析了電壓疊加倍數(shù)的影響因素,結(jié)果表明,接地電感與反轉(zhuǎn)電感的比值對其具有決定性的作用,電壓疊加倍數(shù)隨之增大而增大,而后逐漸趨于理想值。論文對新型LC-Marx發(fā)生器開展了實驗研究。先后采用二級與四級疊加結(jié)構(gòu),驗證了電壓疊加倍數(shù)理論分析的正確性與多路同步控制的可行性。搭建了百千伏級LC-Marx發(fā)生器裝置,實驗輸出電壓幅值達(dá)到了110kV,脈沖前沿約為1.1μs,全系統(tǒng)升壓倍數(shù)達(dá)到了121倍。對SPT磁芯進(jìn)行了自動復(fù)位穩(wěn)定性實驗,在9次磁芯自動復(fù)位運行中,發(fā)生器平均輸出電壓為80.5kV,輸出電壓幅值抖動為3.87kV,分散度約為4.8%。3.基于新型LC-Marx發(fā)生器與半導(dǎo)體斷路開關(guān)(Semiconductor Opening Switch,SOS)的ns級前沿脈沖產(chǎn)生技術(shù)研究基于所提出的新型LC-Marx發(fā)生器,論文采用SOS對其輸出脈沖進(jìn)行進(jìn)一步壓縮,以獲得ns級的快前沿脈沖輸出。為了滿足SOS的正反向泵浦要求,對新型LC-Marx發(fā)生器電路結(jié)構(gòu)進(jìn)行了改造,將泵浦回路與發(fā)生器的主工作電路融為一體。對ns級前沿脈沖調(diào)制器進(jìn)行了詳細(xì)的實驗驗證,并研究了SOS的主要性能。結(jié)果表明,調(diào)制器能夠產(chǎn)生百千伏級高電壓脈沖,脈沖前沿在20ns左右。研究了不同磁開關(guān)匝數(shù)、初始預(yù)設(shè)電壓以及不同負(fù)載大小對調(diào)制器技術(shù)性能的影響,結(jié)果表明,在較小匝數(shù)下,雖然LC-Marx發(fā)生器輸出電壓減小,但是負(fù)載上得到的快前沿脈沖幅值反而增大,這是由于泵浦電流隨著磁開關(guān)匝數(shù)減小而增大的緣故;LC-Marx發(fā)生器充電電壓與輸出電壓隨著初始預(yù)設(shè)電壓的增大而線性增大,反向泵浦電流在預(yù)設(shè)電壓增大的初始階段也呈現(xiàn)出增大的趨勢,但是繼續(xù)增大預(yù)設(shè)電壓,反向泵浦電流增大不明顯,全系統(tǒng)輸出電壓也呈現(xiàn)出與此相同的規(guī)律,輸出脈沖上升沿隨著工作電壓增大而減小;隨著負(fù)載電阻的增大,輸出電壓幅值隨之增大,且增大趨勢逐漸放緩,輸出脈沖上升時間減小;系統(tǒng)中所有磁芯自動復(fù)位良好,具備重復(fù)頻率運行能力。提出了具有工作線圈與控制線圈結(jié)構(gòu)的斷路磁開關(guān),當(dāng)工作線圈電流與控制線圈電流滿足一定條件時,開關(guān)迅速斷開,對此進(jìn)行了初步實驗驗證。4.基于電感儲能型脈沖形成線與斷路開關(guān)的方波脈沖調(diào)制器研究論文討論了電感儲能脈沖形成線與斷路開關(guān)相結(jié)合獲得低阻抗快前沿方波脈沖的工作過程,并理論分析了電感儲能型脈沖形成線在特殊邊界條件下的脈沖形成機(jī)制以及電壓增益;求解了在脈沖形成線充電不均勻情況下,負(fù)載上所得到方波脈沖的表達(dá)式,結(jié)果表明這種充電不均勻性會導(dǎo)致負(fù)載方波脈沖平頂產(chǎn)生波動。最后論文提出了兩種產(chǎn)生方波脈沖的電路結(jié)構(gòu)并進(jìn)行了分析。
【圖文】：

1.2 課題研究現(xiàn)狀基于所確定的研究目標(biāo)，論文主要涉及的關(guān)鍵技術(shù)包括固態(tài)脈沖發(fā)生器技術(shù)固態(tài)化多路同步技術(shù)，其中脈沖發(fā)生器的固態(tài)化又可分為脈沖形成線與開關(guān)的態(tài)化兩部分。下面對上述各類關(guān)鍵技術(shù)的國內(nèi)外研究現(xiàn)狀進(jìn)行總結(jié)評述。1.2.1 固態(tài)脈沖發(fā)生器國內(nèi)外研究現(xiàn)狀隨著脈沖功率技術(shù)的發(fā)展及其應(yīng)用領(lǐng)域在時間空間上的延伸，傳統(tǒng)的基于氣或者液體介質(zhì)進(jìn)行儲能和絕緣的脈沖發(fā)生器已經(jīng)越來越不能滿足需求，，人們開將注意力轉(zhuǎn)向研究各類固態(tài)器件。1.2.1.1 基于固態(tài)脈沖形成線的脈沖發(fā)生器采用高壓電纜作為脈沖形成線，通過 Marx 發(fā)生器的方式進(jìn)行多級疊加是固態(tài)方波脈沖產(chǎn)生技術(shù)的一種可行方案。美國學(xué)者設(shè)計了一種盤狀傳輸線型 Marx 發(fā)器[54]，單層盤狀傳輸線剖視圖如圖 1.1 所示。

國防科學(xué)技術(shù)大學(xué)研究生院博士學(xué)位論文在 40Ω的負(fù)載上得到幅值 500kV，平頂脈沖寬度為 200ns 的高壓方波脈沖近年來，脈沖形成網(wǎng)絡(luò)再次成為研究的熱點。采用陶瓷電容與帶狀平板相結(jié)合，實現(xiàn)脈沖形成網(wǎng)絡(luò)的固態(tài)化，并通過 Marx 發(fā)生器或?qū)盈B Blumlei式進(jìn)行疊加以獲得高電壓大電流方波脈沖輸出[55]-[59]。典型的 PFN-Marx 發(fā)路結(jié)構(gòu)如圖 1.2 所示[55]。
【學(xué)位授予單位】：國防科學(xué)技術(shù)大學(xué)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2015
【分類號】：TN787

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本文編號：2576556