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

1、高功率脈沖調制器及相關技術在國防、工業(yè)、農業(yè)、環(huán)保、醫(yī)學和生物電子學等諸多領域具有重要應用價值。傳統(tǒng)高功率脈沖調制器采用氣體開關，其壽命短、重復運行頻率難以提高；且作為關鍵部件的脈沖變壓器和脈沖功率開關屬于獨立器件，難以集成緊湊化?？娠柡兔}沖變壓器(saturable pulse transformer，SPT)可實現(xiàn)普通脈沖變壓器和高功率磁開關的集成緊湊化，并取代調制器中的氣體開關。本文結合高功率脈沖調制器的應用需求以及高重復頻率、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)的重復頻率高功率脈沖調制器，并對其相關的關鍵技術和物理問題進行了深入研究。本研究主要內容包括：
　?、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，研究了各種復雜條件下螺旋脈沖形成線/傳輸線的色散

3、特性及相關物理規(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、外線之間的電磁耦合效應，能將形成線重要特性參數(shù)理論計算相對誤差降低到5％以內。②提出了一種雙層helical tape電流分布模型，據此建立的HBPFL色散理論方法能準確分析各種介質徑向不連續(xù)性以及有限厚度tape等復雜螺旋結構對HBPFL

4、特性的影響，提供了一種關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的重要科學問題、物理機制及關鍵技術研究：①分析了SPT磁芯帶材層間的感應電壓分布規(guī)律，對SPT用鐵基納米晶薄帶及其1.5μm厚絕緣涂層在重復頻率ns脈沖作用下的絕緣特性和相關物理機制進行了探索，建立了一種等離子體放電通道膨脹應力撕裂效應積累及帶電粒子轟擊涂層的熱燒蝕效應積累模型，解釋了重復頻率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效應及變壓器油中涂層絕緣的物理機制，解決 SPT磁芯設計的關鍵問題。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構的SPT，將普通SPT次級繞組飽和電感降低了一個數(shù)量級，初步實現(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和，使調制器開關具備高重復頻率特性和長壽命運行的巨大潛力；新型SPT可取代氣體開關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，實現(xiàn)了百kV級分立脈沖變壓器和磁開關的集成緊湊化。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特性參數(shù)。④提出并驗證了采用飽和SPT初次級繞組間的反向散磁互感壓制效應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構電感以下水平的關鍵物理機制。(5)建立了一套關于SPT級聯(lián)調制單元的電路理論分析方法，對兩級 SPT級聯(lián)調制系統(tǒng)中眾多耦合的復雜工作過程及關鍵機制進行了研究，得到了級聯(lián)調制系統(tǒng)關鍵特性參數(shù)及工作時序。
　?、切滦蚐PT在集成緊湊化M

8、arx發(fā)生器、多路脈沖ns同步中的應用探索：①提出并研制了一臺采用SPT取代氣體開關的百kV級新型Marx發(fā)生器，實現(xiàn)了普通脈沖變壓器、磁開關和普通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)，為實現(xiàn)高重復頻率運行、長壽命的Marx發(fā)生器探索了一條新路線。②提出并驗證了采用新型SPT控制多路高電壓脈沖ns級同步形成和同步輸出的技術路線，同步

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