基于新型可飽和脈沖變壓器和螺旋Blumlein線的高功率脈沖調(diào)制器研究.pdf

1、高功率脈沖調(diào)制器及相關(guān)技術(shù)在國防、工業(yè)、農(nóng)業(yè)、環(huán)保、醫(yī)學(xué)和生物電子學(xué)等諸多領(lǐng)域具有重要應(yīng)用價(jià)值。傳統(tǒng)高功率脈沖調(diào)制器采用氣體開關(guān)，其壽命短、重復(fù)運(yùn)行頻率難以提高；且作為關(guān)鍵部件的脈沖變壓器和脈沖功率開關(guān)屬于獨(dú)立器件，難以集成緊湊化?？娠柡兔}沖變壓器(saturable pulse transformer，SPT)可實(shí)現(xiàn)普通脈沖變壓器和高功率磁開關(guān)的集成緊湊化，并取代調(diào)制器中的氣體開關(guān)。本文結(jié)合高功率脈沖調(diào)制器的應(yīng)用需求以及高重復(fù)頻率、集

2、成緊湊化和長使用壽命等發(fā)展方向，研制了一臺基于新型 SPT和螺旋 Blumlein脈沖形成線(helical Blumlein pulse forming line，HBPFL)的重復(fù)頻率高功率脈沖調(diào)制器，并對其相關(guān)的關(guān)鍵技術(shù)和物理問題進(jìn)行了深入研究。本研究主要內(nèi)容包括：
　?、怕菪}沖形成線色散理論及色散特性研究。建立了一套螺旋脈沖形成線/傳輸線的tape-helix色散理論模型，研究了各種復(fù)雜條件下螺旋脈沖形成線/傳輸線的色散

3、特性及相關(guān)物理規(guī)律：①色散主要影響高頻傳輸線和ns級短脈沖形成線的特性，在百ns級脈沖形成線工作的低頻段，電磁波基波成分決定形成線整體的色散特性；建立的tape-helix色散理論考慮了HBPFL內(nèi)、外線之間的電磁耦合效應(yīng)，能將形成線重要特性參數(shù)理論計(jì)算相對誤差降低到5％以內(nèi)。②提出了一種雙層helical tape電流分布模型，據(jù)此建立的HBPFL色散理論方法能準(zhǔn)確分析各種介質(zhì)徑向不連續(xù)性以及有限厚度tape等復(fù)雜螺旋結(jié)構(gòu)對HBPFL

4、特性的影響，提供了一種關(guān)于多層密繞耦合螺旋線圈的理論分析方法。③采用將多股“窄tape”模型變換成單股“寬tape”模型的色散理論方法，分析了多股螺旋帶/線均勻并聯(lián)式HBPFL色散特性，該HBPFL具有更加均勻的螺旋帶電流密度分布和表面電場分布，其色散和絕緣特性更加優(yōu)良。④針對填充介質(zhì)軸向不連續(xù)的有限長HBPFL，提出并建立了一套電磁行波色散傳輸理論模型，研究了色散及介質(zhì)軸向不連續(xù)性對電磁行波在傳輸線端口透射和反射特性的影響。
　

5、　⑵新型SPT的重要科學(xué)問題、物理機(jī)制及關(guān)鍵技術(shù)研究：①分析了SPT磁芯帶材層間的感應(yīng)電壓分布規(guī)律，對SPT用鐵基納米晶薄帶及其1.5μm厚絕緣涂層在重復(fù)頻率ns脈沖作用下的絕緣特性和相關(guān)物理機(jī)制進(jìn)行了探索，建立了一種等離子體放電通道膨脹應(yīng)力撕裂效應(yīng)積累及帶電粒子轟擊涂層的熱燒蝕效應(yīng)積累模型，解釋了重復(fù)頻率ns電脈沖下空氣間隙大面積放電等離子體對帶材涂層的破壞增強(qiáng)效應(yīng)及變壓器油中涂層絕緣的物理機(jī)制，解決 SPT磁芯設(shè)計(jì)的關(guān)鍵問題。②提出

6、并研制了多路繞組分組并聯(lián)式、同軸互耦式和全同軸自耦式三種新型結(jié)構(gòu)的SPT，將普通SPT次級繞組飽和電感降低了一個(gè)數(shù)量級，初步實(shí)現(xiàn)了幾十 kV以上高電壓脈沖條件下 SPT高升壓倍數(shù)和低飽和電感這一對矛盾的調(diào)和，使調(diào)制器開關(guān)具備高重復(fù)頻率特性和長壽命運(yùn)行的巨大潛力；新型SPT可取代氣體開關(guān)直接作為脈沖電容器或形成線的升壓變壓器兼放電主開關(guān)，實(shí)現(xiàn)了百kV級分立脈沖變壓器和磁開關(guān)的集成緊湊化。③提出并建立了一套矩形截面有限長稀疏螺旋線圈的漏磁分

7、布、散磁場分布與耦合近似理論模型，研究了SPT的全套變壓器和磁開關(guān)特性參數(shù)。④提出并驗(yàn)證了采用飽和SPT初次級繞組間的反向散磁互感壓制效應(yīng)來維持磁芯飽和狀態(tài)、并將 SPT繞組飽和電感降低到其固有飽和結(jié)構(gòu)電感以下水平的關(guān)鍵物理機(jī)制。(5)建立了一套關(guān)于SPT級聯(lián)調(diào)制單元的電路理論分析方法，對兩級 SPT級聯(lián)調(diào)制系統(tǒng)中眾多耦合的復(fù)雜工作過程及關(guān)鍵機(jī)制進(jìn)行了研究，得到了級聯(lián)調(diào)制系統(tǒng)關(guān)鍵特性參數(shù)及工作時(shí)序。
　?、切滦蚐PT在集成緊湊化M

8、arx發(fā)生器、多路脈沖ns同步中的應(yīng)用探索：①提出并研制了一臺采用SPT取代氣體開關(guān)的百kV級新型Marx發(fā)生器，實(shí)現(xiàn)了普通脈沖變壓器、磁開關(guān)和普通Marx發(fā)生器三者的高度集成緊湊化，極大地降低了Marx發(fā)生器的輸入充電電壓(<1 kV)，僅3級Marx發(fā)生器即可獲得100倍以上的升壓倍數(shù)，為實(shí)現(xiàn)高重復(fù)頻率運(yùn)行、長壽命的Marx發(fā)生器探索了一條新路線。②提出并驗(yàn)證了采用新型SPT控制多路高電壓脈沖ns級同步形成和同步輸出的技術(shù)路線，同步

9、時(shí)間精度可達(dá)ns級。
　?、然谛滦蚐PT和HBPFL的高功率脈沖調(diào)制器研究。提出并驗(yàn)證了基于兩級SPT級聯(lián)調(diào)制單元驅(qū)動HBPFL的高功率脈沖調(diào)制器技術(shù)路線，采用新型SPT作為調(diào)制器的升壓變壓器兼主開關(guān)，研制了一臺200 kV級的高功率脈沖調(diào)制器，具備集成緊湊化、高重復(fù)頻率的優(yōu)勢和長使用壽命的潛力。SPT級聯(lián)調(diào)制單元中的磁芯全部采用自動復(fù)位技術(shù)。在單次充電、單極性脈沖輸出模式下，調(diào)制器在160?匹配負(fù)載上輸出幅度為180 kV、半