高功率磁脈沖壓縮系統(tǒng)及其在長(zhǎng)脈沖驅(qū)動(dòng)源中的應(yīng)用研究.pdf

1、國(guó)防和工業(yè)應(yīng)用需求促使高功率脈沖驅(qū)動(dòng)源向器件固態(tài)化、組件模塊化以及裝置長(zhǎng)壽命的方向不斷發(fā)展；因此，研究小組提出了一種基于磁開(kāi)關(guān)技術(shù)的高功率固態(tài)長(zhǎng)脈沖驅(qū)動(dòng)源技術(shù)驗(yàn)證方案，典型指標(biāo)為輸出功率5GW、脈沖寬度160ns、重復(fù)頻率20Hz，國(guó)內(nèi)對(duì)基于該技術(shù)路線的高功率脈沖驅(qū)動(dòng)源研究尚未見(jiàn)報(bào)道。論文在深入分析該高功率脈沖驅(qū)動(dòng)源工作特性的基礎(chǔ)上，提出了一種基于分立式繞組結(jié)構(gòu)的高功率磁開(kāi)關(guān)，并研制了電參數(shù)可調(diào)型GW級(jí)磁脈沖壓縮器。該磁脈沖壓縮器作為一

2、種全固態(tài)模塊化單元，做到了峰值工作電壓、飽和時(shí)間以及壓縮比等核心參數(shù)可調(diào)，具有輸出功率高、重復(fù)頻率高、使用壽命長(zhǎng)以及工作可靠性好等優(yōu)勢(shì)。論文將其作為核心器件應(yīng)用于研究小組提出的基于磁開(kāi)關(guān)技術(shù)的固態(tài)長(zhǎng)脈沖驅(qū)動(dòng)源系統(tǒng)中，能夠穩(wěn)定輸出上升時(shí)間約1μs的GW級(jí)高功率電脈沖，已經(jīng)成功應(yīng)用于5GW/170ns固態(tài)長(zhǎng)脈沖驅(qū)動(dòng)源系統(tǒng)的調(diào)試與優(yōu)化。
　　論文的主要工作和創(chuàng)新點(diǎn)有：
　　1.針對(duì)高功率脈沖驅(qū)動(dòng)源中磁性材料的應(yīng)用環(huán)境，深入分析了非

3、晶態(tài)磁性材料在高電壓、強(qiáng)磁場(chǎng)、快脈沖激勵(lì)下飽和過(guò)程的物理機(jī)制，研制了激勵(lì)電脈沖可調(diào)節(jié)的磁芯測(cè)試平臺(tái)，基于該平臺(tái)研究了鐵基非晶態(tài)和鐵基納米晶磁芯的磁滯特性，得到了影響磁開(kāi)關(guān)工作性能的核心參數(shù)不僅包括磁性材料種類和磁場(chǎng)強(qiáng)度，還包括磁芯幾何結(jié)構(gòu)以及激勵(lì)磁場(chǎng)波形，該結(jié)論可以應(yīng)用指導(dǎo)高功率脈沖驅(qū)動(dòng)源中的磁芯設(shè)計(jì)，為研制高功率固態(tài)長(zhǎng)脈沖驅(qū)動(dòng)源奠定了基礎(chǔ)。
　　2.針對(duì)傳統(tǒng)磁開(kāi)關(guān)由于設(shè)計(jì)流程不自洽造成的設(shè)計(jì)精度較低，以及磁開(kāi)關(guān)體積重量較大等缺點(diǎn)

4、，理論推導(dǎo)了磁脈沖壓縮器正向和反向預(yù)脈沖解析表達(dá)式，給出了降低預(yù)脈沖幅值的技術(shù)方案；優(yōu)化了磁脈沖壓縮器的設(shè)計(jì)流程、飽和時(shí)間以及磁芯幾何結(jié)構(gòu)；結(jié)果表明，優(yōu)化方案不僅有效提高了設(shè)計(jì)精度，還能夠在保證一定輸出電壓的情況下，減小裝置的體積、重量和研制成本，并有利于降低開(kāi)關(guān)抖動(dòng)，為磁開(kāi)關(guān)技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展和工程化應(yīng)用提供了新的思路。
　　3.針對(duì)傳統(tǒng)磁開(kāi)關(guān)工作點(diǎn)單一的缺點(diǎn)，首次提出了一種使用多段導(dǎo)體拼接制成的分立式繞組結(jié)構(gòu)，這種結(jié)構(gòu)將磁開(kāi)關(guān)的

5、傳統(tǒng)繞組“化整為零”，通過(guò)改變分段導(dǎo)體的連接方式，可以對(duì)磁開(kāi)關(guān)繞組匝數(shù)在一定范圍內(nèi)進(jìn)行連續(xù)調(diào)節(jié)，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)峰值工作電壓、飽和時(shí)間以及壓縮比等核心參數(shù)的可調(diào)節(jié)運(yùn)行，研制了電參數(shù)可調(diào)型高功率磁開(kāi)關(guān)并開(kāi)展了實(shí)驗(yàn)研究、驗(yàn)證了技術(shù)方案，為磁開(kāi)關(guān)技術(shù)向參數(shù)可調(diào)型發(fā)展和應(yīng)用打下了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。
　　4.采用理論分析、數(shù)值仿真以及實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證等方法，研制了電參數(shù)可調(diào)型兩級(jí)串聯(lián)型磁脈沖壓縮器，輸出電功率達(dá)到GW量級(jí)。通過(guò)調(diào)節(jié)第一級(jí)磁脈沖壓縮器中磁開(kāi)關(guān)的繞組

6、匝數(shù)，開(kāi)展了壓縮比分別為25和19時(shí)的脈沖調(diào)制實(shí)驗(yàn)，均實(shí)現(xiàn)輸出電脈沖的峰值電壓大于55kV、輸出功率大于0.55GW、重復(fù)頻率20Hz，波形一致性較好；將其應(yīng)用于高功率脈沖驅(qū)動(dòng)源中，驅(qū)動(dòng)源整體在假負(fù)載上得到了電功率約2GW、脈沖寬度大于170ns、重復(fù)頻率20Hz的準(zhǔn)方波脈沖輸出?；谏鲜鲅芯抗ぷ鲗?duì)裝置進(jìn)行升級(jí)，磁脈沖壓縮器的輸出電壓達(dá)到約105kV、電功率大于1GW；此時(shí)，高功率脈沖驅(qū)動(dòng)源在無(wú)導(dǎo)引磁場(chǎng)的情況下，成功驅(qū)動(dòng)天鵝絨陰極實(shí)現(xiàn)了