紧凑型重复频率快上升沿Marx发生器的研究

论文摘要

本文简单介绍了脉冲功率技术的概念及其发展历程,引出了紧凑型Marx发生器在其中的特殊地位。综述了国内外在紧凑型Marx发生器上的研究成果。本文的重点是从理论、设计和实验方面进行紧凑型Marx发生器的技术研究。理论研究方面,主要介绍了紧凑型电感隔离快上升沿Marx发生器的基本原理,包括如何实现快上升沿,隔离电感的选取以及锐化电容的选取。另外对于重复频率脉冲功率系统的关键技术也有简单介绍。设计方面,采用紧凑型设计,其目的就是为了减小树立电感,初步设想主要包括以下几个方面的措施;1)每一级六个储能电容器并联,并与发生器外筒形成同轴结构,可以在一定程度上减小储能元件带来的电感。2)正负充电,开关数量可以减小一半,可以减小开关带来的电感。3)开关设计方面主要采用的是环形开关,包括中心引出触发极环形场畸变开关以及环形自击穿间隙,一方面上一级开关击穿产生的紫外线可以使后级间隙气体工作介质部分电离,加速开关间隙击穿。另一方面环形开关在过电压系数较高时可能实现多通道放电。同时设计了与主电极一体的对地增容结构,增大对地电容以利于开关击穿。4)整个发生器采用同轴结构,开关位于中央与其电极与电容器基本平行,连接结构很短,可以减小电容器连接方面的电感。另外设计中没有采用电阻作为充电及隔离器件,而是采用电感,这主要是为重复频率运行考虑。设计过程中根据初步设想粗略计算各个部分电参数,再根据电参数调整设计结构,主要包括开关间距的选取,增容结构以及连接电容器的电极板的形状等。设计完成后使用Ansys对气体开关进行了静电场模拟,模拟显示触发开关及自击穿开关结构合理。在最终计算出的各部分电参数基础上,使用Pispice对Marx发生器进行了等效电路模拟。计算结果显示Marx树立电感约150nH。实验方面,在设计的紧凑型Marx发生器基础上,进行了Marx发生器的单次运行实验,主要检验Marx发生器的设计参数、锐化电路的效果。短路实验计算结果表明Marx本身的电感约162nH,比理论设计值略大。无锐化条件下充电19.2KV时26Ω水电阻假负载上得到了145kV,上升时间39ns的负脉冲信号。从锐化实验来看,对于低阻抗负载由于所要求锐化电容较大,必须采用高介电常数的材料形成结构电容,而采用水介质电容器的锐化结构由于需要考虑水的密封等问题,其绝缘结构设计难以解决,对于高阻抗负载,也需要设计合适的绝缘结构,锐化条件下175Ω负载,充电7.5kV时,负载得到了上升时间2ns、幅值70kV的负脉冲信号,而上升前沿与充电电压是没有关系的,充电电压提高时,上升前沿不会变坏。实验结果可以看出,10级Marx发生器树立电感162nH,达到设计指标,实现了快上升沿的要求。有锐化条件下175Ω负载得到了上升时间2ns、幅值70kV的负脉冲信号。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第一章 绪论
• 1.1 问题的提出
• 1.1.1 脉冲功率技术概述
• 1.1.2 脉冲功率技术的发展阶段
• 1.1.3 脉冲功率技术的应用
• 1.1.4 紧凑型Marx发生器概念的提出
• 1.2 本文选题的意义
• 第二章 国内外研究现状
• 2.1 国外研究现状
• 2.1.1 低阻抗紧凑型快Marx发生器
• 2.1.2 高阻抗紧凑型Marx发生器
• 2.1.2.1 劳伦斯-利弗莫尔国家实验室
• 2.1.2.2 Maxwell公司
• 2.1.2.3 美国德州技术大学
• 2.2 国内的研究概况
• 2.3 小结
• 第三章 基本原理
• 3.1 快上升沿MARX发生器的基本原理
• 3.1.1 快上升沿的获得
• 3.1.1.1 纳秒Marx发生器
• 3.1.1.2 锐化电容电路
• 3.1.2 电感隔离型Marx发生器
• 3.1.2.1 隔离电感的选择
• 3.1.2.2 充电过程分析
• 3.2 重复频率系统关键技术
• 3.2.1 开关技术
• 3.2.2 大容量下的快速充电技术
• 3.2.2.1 LC变换器
• 3.2.2.2 IGBT逆变技术
• 3.3 小结
• 第四章 结构设计
• 4.1 MARX发生器结构设计
• 4.1.1 Marx发生器结构概览
• 4.1.2 Marx发生器各部分结构
• 4.1.2.1 环形自击穿开关和场畸变触发开关参数估算及模拟
• 4.1.2.2 电容器
• 4.1.2.3 隔离和充电电感
• 4.1.2.4 锐化电路
• 4.2 MARX发生器电路模拟
• 4.2.1 Marx发生器简化电路模拟
• 4.2.2 Marx发生器全电路模拟
• 4.3 小结
• 第五章 充电、触发及测量系统
• 5.1 充电及触发系统
• 5.2 测量装置
• 5.2.1 电压测试
• 5.2.1.1 电阻分压器原理
• 5.2.1.2 分压器标定
• 5.2.2 电流测试
• 5.3 小结
• 第六章 实验结果
• 6.1 MARX本体结构
• 6.2 MARX发生器放电实验
• 6.2.1 短路放电实验及分析
• 6.2.2 水电阻假负载综合实验
• 6.2.2.1 无锐化不同电压实验结果
• 6.2.2.2 无锐化不同负载实验结果
• 6.2.2.3 无锐化条件下实验结果分析
• 6.3 小结
• 第七章 结论
• 致谢
• 参考文献