神光Ⅲ能源模块主开关触发系统结构的研究

论文摘要

高功率开关是脉冲电源的关键部件。两电极气体间隙开关具有通流能力大、转移电荷能力强的优点,在高功率脉冲电源系统中得到了广泛的应用。Marx发生器能产生上升时间短,幅值高的冲击电压,适合于两电极开关的精确放电控制。本文通过理论研究和仿真计算,为神光III能源模块中的气体火花开关设计一套触发电压高、上升时间小、低抖动、安全稳定的紧凑型Marx发生器触发系统,并通过实验和测量验证了触发系统的性能。通过对快上升时间Marx发生器的的相关理论研究,本文从气体开关触发系统的输出脉冲电压波形的要求(脉冲上升时间小于30ns,峰值约为120kV)出发,设计了Marx发生器的内部结构和一套外部充电触发模块。内部结构的设计主要包括原件的选取,电路参数的计算以及场畸变开关的静电场仿真几个部分。外部充电触发模块的设计包括电路设计和元件及结构布置。对内部主要参数进行计算,用Atp软件建立仿真模型,仿真出Marx发生器的空载输出波形,和外接水电阻分压器后的输出波形,反映了输出脉冲的上升时间,幅值,脉宽等信息。仿真结果表明,空载时候输出电压的峰值为154kV,上升时间为12ns,均满足设计要求。在实验方面通过测量和计算,可以看到Marx发生器的输入电压达到了设计要求,每一级电容器组的充电电压可以达到20kV;用硫酸铜分压器测量输出电压的幅值为140.6kV,上升时间为13ns,与仿真结果相吻合,符合神光III能源模块主开关对触发器的输出波形的要求。通过实验比较选取干燥空气作为Marx发生器的内部绝缘气体,并设定内外压差为110kPa;进行Marx发生器放电稳定性实验,并针对工程应用中的绝缘隐患,对开关结构进行改进,进一步提高了可靠性。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 1 绪论
• 1.1 课题研究背景
• 1.2 神光III 能源模块简介
• 1.3 MARX 发生器的发展和研究情况
• 1.4 本文的主要研究内容
• 2 MARX 发生器相关原理
• 2.1 MARX 发生器的基本原理
• 2.2 开关技术分析
• 2.3 高压纳秒脉冲MARX 发生器
• 2.4 本章小结
• 3 结构设计和仿真计算
• 3.1 气体开关触发系统的整体框架
• 3.2 MARX 发生器的结构设计
• 3.3 计算和分析
• 3.4 充电与触发装置
• 3.5 本章小结
• 4 实验研究和结构改进
• 4.1 输入电压测量
• 4.2 输出电压测量
• 4.3 MARX 发生器稳定性试验
• 4.4 本章小结
• 5 总结
• 5.1 论文总结
• 5.2 不足及改进设想
• 5.3 后续工作设想
• 致谢
• 参考文献