直线变压器驱动源磁绝缘感应电压叠加器的设计与模拟

论文摘要

从20世纪70年代以来,直线变压器驱动源（Linear Transformer Driver,简称LTD）作为一种脉冲功率驱动技术获得了巨大发展,特别是2000年以后,随着对其快脉冲输出潜力的发掘,LTD引起了研究人员极大的兴趣。LTD技术具有模块化、结构紧凑、使用灵活、能量传输效率高等特点。LTD模块通过多组电容器并联放电实现大电流快脉冲输出,多个LTD模块借助于磁绝缘感应电压叠加器（Magnetically-insulated Inductive Voltage Adder,简称MIVA）可以实现电压的叠加,从而在不经过脉冲压缩的情况下实现功率倍增。本文简述了脉冲功率技术的研究背景和驱动源技术的概况,介绍了LTD技术产生的技术背景和发展历程,详细阐述了磁绝缘感应电压叠加器的基本原理,介绍了典型的感应电压叠加装置及其电压叠加器的特点,重点阐述了多级LTD感应叠加的电路模型,并在已有四开关组模块的基础上设计了对1Ω负载输出电流100kA,脉冲上升时间小于60ns的LTD模块,在此基础上,给出了峰值功率100GW共10级的LTD装置的物理设计。分别通过电路模拟PIC模拟,研究了IVA内导体结构、极性、发射阈值等对输出脉冲的影响。结果表明;按照现有设计,10级LTD串联可使10Ω负载获得超过100GW的功率输出,脉冲上升时间小于60ns;在LTD模块数目较少时,脉冲在IVA中传输时间远小于脉冲上升时间,只要能保证磁绝缘,IVA内导体结构对电压波形影响不大;LTD输出的脉冲从负极性改变为正极性时,电压幅值变化不大,但IVA中电子流位形将完全不同,电压波形的真空前导幅值和持续时间增大;IVA阴极的电子爆炸发射的阈值越高,电压波形的真空前导幅值和持续时间越大,脉冲前沿越不平滑。文章较完整的阐述了多级LTD装置的设计步骤和模拟方法,研究了电压叠加器构型与输出脉冲的关系,可以为工程设计提供依据,并为今后进一步开展LTD技术的实用研究提供参考。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第一章 绪言
• 1.1 脉冲功率技术的研究背景
• 1.2 LTD研究的基本概况
• 1.3 论文工作概述
• 1.3.1 选题的意义
• 1.3.2 论文的目的和主要内容
• 1.3.3 论文工作的特点
• 第二章 磁绝缘感应电压叠加器综述
• 2.1 基本概念
• 2.1.1 磁绝缘
• 2.1.2 感应电压叠加
• 2.1.3 磁绝缘感应电压叠加
• 2.2 磁绝缘传输线
• 2.2.1 磁绝缘基本理论概述
• 2.2.2 磁绝缘形成的过程和典型波形
• 2.3 应用
• 2.3.1 磁绝缘技术应用举例
• 2.3.1.1 磁绝缘二极管
• 2.3.1.2 等离子体融蚀开关
• 2.3.1.3 磁绝缘线振荡器
• 2.3.2 IVA技术应用举例
• 2.3.2.1 Hermes-III装置
• 2.3.2.2 Cygnus装置
• 2.3.2.3 Mercury装置
• 2.3.2.4 RITS装置
• 2.3.2.5 LTDR
• 第三章 感应电压叠加的基本原理
• 3.1 感应腔的基本结构
• 3.2 集中参数模型
• 3.3 分布参数模型
• 3.3.1 源匹配型
• 3.3.2 负载匹配型
• 3.4 MIVA的阻抗设计
• 3.5 本章小结
• 第四章 100 GW LTD的设计与模拟
• 4.1 LTD的快脉冲输出原理
• 4.2 LTD模块的简化电路与全电路
• 4.3 100 kA LTD模块的设计
• 4.3.1 电路参数的确定
• 4.3.2 100 kA LTD模块的结构
• 4.4 100GW LTD设计
• 4.5 100GW LTD的电路模拟
• 4.5.1 分布参数模型
• 4.5.2 集中参数模型
• 4.5.3 两种模型的比较
• 4.5.4 IVA内导体结构对输出波形的影响
• 4.6 100GW LTD的粒子模拟
• 4.6.1 模型描述
• 4.6.2 对三种构型MIVA的模拟
• 4.6.2.1 负极性输出
• 4.6.2.2 正极性输出
• 4.6.2.3 电子发射阈值对波形的影响
• 4.7 本章小结
• 第五章 展望与总结
• 5.1 LTD技术前景展望
• 5.2 论文工作总结
• 5.3 对后续工作的设想
• 致谢
• 参考文献
• 附录1 磁绝缘传输线的工作点
• 附录2 MIVA真空阻抗计算程序
• 附录3 在读期间参加的主要学术活动和公开发表的论文