紧凑固态化PFN-Marx工作特性研究

摘要

PFN-Marx发生器兼具升压与脉冲形成的优点，是高功率微波技术领域研究的热点之一。随着高储能密度高压陶瓷电容技术的发展，利用陶瓷电容作为储能介质的PFN-Marx发生器为脉冲功率平台的紧凑小型化、模块化提供了一种重要的技术手段。本文在阐述单级PFN充放电理论和对其仿真分析的基础上，完成了脉冲变压器对Marx充电过程分析，PFN-Marx放电过程分析以及仿真研究了系统杂散参数和级间电磁耦合对PFN-Marx输出特性的影响。利用搭建的PFN-Marx平台开展了单级、10级输出实验，对比研究了各种寄生参数对PFN-Marx输出波形以及测量波形的影响，实验研究了隔离电感连接方式和紫外光耦合对系统建立时间的影响。论文主要工作与结果体现在以下几个方面：
　　1、阐述推导了基于LC梯形网络的单级PFN充放电特性并进行了仿真计算。PFN网络延时作用使其具有类似PFL的传输特性。推导得到等电感、等电容PFN特征阻抗为(L/C)1/2。其在匹配负载上输出幅值为V/2，脉宽2n(LC)1/2的方波脉冲。网络内LC单元依次充电与放电。分析仿真表明每个单元的电容、电感越小，信号上升沿越陡；节点数增多使得脉宽变长、下降沿变缓。
　　2、对基于变压器充电的三种隔离电感接法进行了研究，重点分析了“串联”接法时脉冲变压器对Marx充电过程。基于KVL和微分方程降阶法、欧拉法计算了Marx各级电流与电压。增大原边电容Cp和电感Lp、减小隔离电感Li和级电容Ci、减少级数n都能改善各级充电一致性；对于“并联”连接方法，由于充电回路参数一致，其充电一致性与各参数无关；对于“串联-并联”方式，则需要合理优化各参数才能达到较好充电一致性。计算表明，在隔离电感大于8C0RL2/n2时，Marx输出波形与电阻隔离型发生器的基本相同。在放电过程中，“并联”和“串联-并联”方式均可利用自身电感增强开关过电压，而对于“串联”方式，需依靠分布电容来提供瞬态过电压。
　　3、研究了PFN-Marx发生器结构寄生参数等对发生器输出特性的影响。研究表明发生器输出端引线与开关电感减缓脉冲前沿，杂散电阻降低脉冲幅度；负载自身耦合电容减小了脉冲宽度。级间寄生电容组成的耦合传输线会在负载上叠加衰减的高频振荡，并缩短脉冲宽度。开展的耦合传输线波过程以及电路仿真分析均表明其特征阻抗越大，对输出波形影响越小。
　　4、设计了PFN-Marx实验平台方案并搭建了实验装置，重点开展了PFN-Marx在结构较为紧凑，储能固态化条件下的相关实验。通过对比分析研究了实验中PFN-Marx输出波形上叠加振荡的原因：负载对地电容与系统接地电感形成低频LC振荡叠加到输出上，而分压器对地电容也使得测量波形出现反压和高频振荡。通过改进的10级PFN-Marx叠加实验表明，在结构紧凑的条件下，发生器可以输出质量较好的脉冲波形。另外，对比实验表明接地（隔离）电感“并联”方式比“串联”方式更容易获得快的Marx建立时间，有效的紫外光耦合可以明显缩短Marx建立时间。实验还表明，随着气体压强升高与开关击穿电压增大，开关抖动延时减小。

目录

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第一章 绪论

1.1 研究背景

1.2 研究现状

1.3 研究意义及内容

第二章 脉冲形成网络原理及分析

2.1 梯形网络充电过程

2.2 梯形网络放电过程

2.3 小结

第三章 基于脉冲变压器的PFN-Marx充放电过程分析

3.1 电感隔离型PFN-Marx

3.2 脉冲变压器对Marx充电过程分析

3.3 放电过程分析

3.4 小结

第四章 杂散参数对PFN-Marx输出影响因素研究

4.1 杂散参数对输出影响

4.2 级间电磁耦合

4.3 小结

第五章 10级发生器结构设计及实验研究

5.1 实验平台设计方案

5.2 系统模块设计

5.3 实验情况

5.4 小结

第六章 总结与展望

6.1 主要工作与结果

6.2 主要创新点

6.3 工作展望

致谢

参考文献

作者在学期间取得的学术成果