固态脉冲功率驱动源相关技术的研究

论文摘要

国防和民用工业应用的需求促使脉冲功率技术向高功率、高重复频率、固态化和紧凑化方向发展。基于磁开关和带状脉冲形成线的固态化加速器适应了这些发展趋势,是未来脉冲功率驱动源发展的重点方向之一。本文通过理论分析、数值仿真、工程设计和实验研究等方法,对固态脉冲功率驱动源相关技术进行了详细的分析和研究,为这一类型加速器的进一步研制奠定了基础。论文的主要结果包括以下几个方面:1、基于“跑道型”磁开关,通过理论分析和数值模拟等方法,研制了两级磁脉冲压缩网络。选取非晶态铁磁材料以及脉冲电容器,搭建了两级磁压缩电路并进行了实验研究。对次级磁开关的参数进行了实验优化,选择了单片磁芯与4匝绕组进行配合的结构。设计的两级磁压缩网络最终实现了简谐信号上升沿由8.4μs到1.7μs再到0.8μs的两级脉冲压缩,能量传递效率大于85 %。2、针对常用卷绕型带状脉冲形成线体积、重量和成本较大以及输出特性有待改善等问题,使用了两种新型的绕制方法。利用理论分析、电磁场模拟和实验研究等方法对比了不同绕制结构的带状线。结果表明,与常用绕制方法制作的带状线相比,设计的“双平板绕法”制作的带状线可以在相似的输出特性下,降低器件的绕制难度和成本;设计的“地线间隔绕法”制作带状线输出波形的平顶度得到了明显的改善。研制的三台特性阻抗1.1 ?,电长度100 ns,采用DMD膜作为绝缘介质的卷绕型带状线,均在负载上获得了电压12 kV,脉冲宽度(FWHM)约230 ns,上升沿约15 ns的准方波脉冲,输出功率约为130 MW。卷绕后的带状线尺寸均小于Φ300mm×220mm。3、相比传统的环形结构磁开关,使用了一种易于与带状脉冲形成线进行连接的“跑道型”磁开关。在低频和高频环境下,分别测试了这种结构磁芯的磁特性,并绘制了磁芯不同位置上的磁滞回线。4、对磁开关作为脉冲驱动源主开关进行了理论、仿真和实验研究。详细推导了快脉冲环境下,影响“跑道型”磁开关工作性能的动作时间、层间电压、绕组电感以及工作损耗等参量。提出了磁开关预脉冲问题的解决方案。在此基础上研制了一台参数为11片磁芯,单匝铜带绕组的磁开关。与“地线间隔绕法”制作的卷绕型带状脉冲形成线进行联试,在匹配负载上获得了电压9 kV,脉冲宽度(FWHM)230 ns,脉冲上升沿小于80 ns的脉冲输出。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 选题依据及课题研究的意义
• 1.2 固态化脉冲功率技术的发展现状
• 1.2.1 固态脉冲形成线
• 1.2.2 固态化开关
• 1.2.3 小结
• 1.3 本文的主要研究内容
• 1.4 论文的主要结果
• 第二章 卷绕型带状脉冲形成线的改进
• 2.1 卷绕型带状线的基本理论
• 2.2 卷绕型带状线绝缘介质的研究
• 2.2.1 固体绝缘电介质的击穿特性
• 2.2.2 固体绝缘介质的选取
• 2.3 卷绕型带状线的设计
• 2.3.1 卷绕型带状线基本参数
• 2.3.2 卷绕型带状线绕制方法的设计
• 2.3.3 小结
• 2.4 卷绕型带状线的电磁场模拟
• 2.4.1 常用绕法的电磁场模拟
• 2.4.2 双平板绕法的电磁场模拟
• 2.4.3 地线间隔绕法的电磁场模拟
• 2.5 卷绕型带状线的制作与封装
• 2.5.1 卷绕型带状线的制作
• 2.5.2 卷绕型带状线壳体的设计与制作
• 2.6 卷绕型带状线的实验研究
• 2.7 小结
• 第三章 两级磁脉冲压缩网络的研究
• 3.1 磁开关的基本理论
• 3.2 磁性材料的研究
• 3.2.1 磁芯材料的选择
• 3.2.2 磁性材料形状的选择
• 3.3 磁脉冲压缩网络的主要参数
• 3.3.1 磁开关的磁芯体积
• 3.3.2 磁开关的饱和电感
• 3.4 磁滞回线的测量
• 3.4.1 磁滞回线的测量原理
• 3.4.2 磁滞回线的低频测量
• 3.5 两级磁脉冲压缩网络的设计
• 3.6 两级磁脉冲压缩网络的模拟与实验
• 3.6.1 两级磁脉冲压缩网络的模拟
• 3.6.2 两级磁脉冲压缩网络的实验研究
• 3.7 小结
• 第四章 磁开关作为主开关的研究
• 4.1 磁开关作为主开关的基本理论
• 4.1.1 磁开关的动作时间
• 4.1.2 磁开关的层间电压
• 4.1.3 磁开关的绕组电感
• 4.1.4 磁开关的工作损耗
• 4.1.5 预脉冲问题
• 4.2 磁滞回线的测量
• 4.3 磁开关作为主开关的设计
• 4.4 磁开关作为主开关的制作和实验研究
• 4.4.1 磁开关作为主开关的制作
• 4.4.2 磁开关作为主开关的实验研究
• 4.5 小结
• 第五章 总结与展望
• 5.1 论文的主要工作
• 5.1.1 卷绕型带状脉冲形成线研究
• 5.1.2 磁脉冲压缩网络的研究
• 5.1.3 磁开关作为脉冲驱动源主开关的研究
• 5.2 论文的主要结果
• 5.3 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