基于新型LC-Marx发生器与断路开关的固态高电压脉冲调制器研究

摘要

高功率脉冲驱动源在国防和工业领域具有重要的应用价值。小型紧凑化、固态化以及高重复频率运行是其重要的发展方向。论文提出了基于可饱和脉冲变压器（Saturable Pulse Transformer, SPT）与断路开关的脉冲调制器紧凑固态化技术路线，对基于此技术路线的μs级前沿脉冲、ns级前沿脉冲以及方波脉冲的产生方式进行了研究。主要包含以下四个方面的研究内容。
　　1．提出了基于SPT的多路同步控制技术
　　对基于 SPT的多路同步控制技术的工作方式及其物理机制进行了分析，揭示了该技术方案的物理本质，即同步过程是基于磁性材料内部的固有机理和特性来实现的。在不考虑损耗的理想情况下，SPT的各次级回路的物理过程可同步进行，输出的多路高压脉冲能够获得极高的同步精度。通过CST软件模拟分析，以及三路同步输出的实验验证，表明各共磁芯次级回路的输出脉冲能够达到ns量级的同步精度。
　　2．基于SPT多路同步控制的新型LC-Marx发生器研究
　　论文提出了基于SPT多路同步控制技术的新型μs级LC-Marx发生器。在该发生器中，SPT先后承担了充电变压器、同步反转控制器、反转开关以及反转电感的四重功能。对发生器的各个工作阶段进行了理论分析与电路模拟，着重分析了电压叠加倍数的影响因素，结果表明，接地电感与反转电感的比值对其具有决定性的作用，电压叠加倍数随之增大而增大，而后逐渐趋于理想值。论文对新型LC-Marx发生器开展了实验研究。先后采用二级与四级叠加结构，验证了电压叠加倍数理论分析的正确性与多路同步控制的可行性。搭建了百千伏级LC-Marx发生器装置，实验输出电压幅值达到了110kV，脉冲前沿约为1.1μs，全系统升压倍数达到了121倍。对SPT磁芯进行了自动复位稳定性实验，在9次磁芯自动复位运行中，发生器平均输出电压为80.5kV，输出电压幅值抖动为3.87kV，分散度约为4.8％。
　　3．基于新型LC-Marx发生器与半导体断路开关(Semiconductor Opening Switch, SOS)的ns级前沿脉冲产生技术研究
　　基于所提出的新型LC-Marx发生器，论文采用SOS对其输出脉冲进行进一步压缩，以获得ns级的快前沿脉冲输出。为了满足SOS的正反向泵浦要求，对新型LC-Marx发生器电路结构进行了改造，将泵浦回路与发生器的主工作电路融为一体。对ns级前沿脉冲调制器进行了详细的实验验证，并研究了SOS的主要性能。结果表明，调制器能够产生百千伏级高电压脉冲，脉冲前沿在20ns左右。研究了不同磁开关匝数、初始预设电压以及不同负载大小对调制器技术性能的影响，结果表明，在较小匝数下，虽然LC-Marx发生器输出电压减小，但是负载上得到的快前沿脉冲幅值反而增大，这是由于泵浦电流随着磁开关匝数减小而增大的缘故；LC-Marx发生器充电电压与输出电压随着初始预设电压的增大而线性增大，反向泵浦电流在预设电压增大的初始阶段也呈现出增大的趋势，但是继续增大预设电压，反向泵浦电流增大不明显，全系统输出电压也呈现出与此相同的规律，输出脉冲上升沿随着工作电压增大而减小；随着负载电阻的增大，输出电压幅值随之增大，且增大趋势逐渐放缓，输出脉冲上升时间减小；系统中所有磁芯自动复位良好，具备重复频率运行能力。提出了具有工作线圈与控制线圈结构的断路磁开关，当工作线圈电流与控制线圈电流满足一定条件时，开关迅速断开，对此进行了初步实验验证。
　　4．基于电感储能型脉冲形成线与断路开关的方波脉冲调制器研究
　　论文讨论了电感储能脉冲形成线与断路开关相结合获得低阻抗快前沿方波脉冲的工作过程，并理论分析了电感储能型脉冲形成线在特殊边界条件下的脉冲形成机制以及电压增益；求解了在脉冲形成线充电不均匀情况下，负载上所得到方波脉冲的表达式，结果表明这种充电不均匀性会导致负载方波脉冲平顶产生波动。最后论文提出了两种产生方波脉冲的电路结构并进行了分析。

目录

声明

第一章 绪论

1.1 选题依据与研究意义

1.2 课题研究现状

1.3 论文的主要研究内容

第二章 基于SPT的多路同步控制技术

2.1 SPT多路同步控制物理本质

2.2 SPT多路同步精度理论分析与模拟研究

2.3 SPT多路同步精度实验验证

2.4 本章小结

第三章 基于SPT多路同步控制技术的新型LC-Marx发生器

3.1 Marx发生器与LC-Marx发生器电路结构

3.2 基于磁开关与SPT的Marx发生器及LC-Marx发生器电路结构

3.3 基于SPT的新型紧凑固态化LC-Marx发生器理论分析

3.4 本章小结

第四章 基于SPT的新型LC-Marx发生器实验研究

4.1 基于SPT的新型LC-Marx发生器初步实验验证

4.2 基于SPT的百千伏级新型LC-Marx发生器结构设计与实验验证

4.3 基于SPT的紧凑型近方波LC-Marx发生器初步设想

4.4 本章小结

第五章 基于新型LC-Marx发生器与SOS的ns级前沿脉冲调制器

5.1 半导体断路开关简介

5.2 基于新型LC-Marx发生器与SOS的快前沿脉冲调制器

5.3 快前沿脉冲调制器结构设计与实验研究

5.4 断路磁开关

5.5 本章小结

第六章 基于断路开关与电感储能脉冲形成线的脉冲调制器

6.1 电感储能型脉冲形成线电路结构

6.2 电感储能脉冲形成线关键机制理论分析

6.3 基于断路开关与电感储能脉冲形成线的方波脉冲调制器设想

6.4 本章小结

第七章 总结与展望

7.1 主要工作及结论

7.2 主要创新点

7.3 今后工作展望

致谢

参考文献

作者在学期间取得的学术成果