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纳秒级脉冲电源的研究与设计随着脉冲功率技术在军事、医疗、环保等领域的快速发展,对于大功率脉冲电源的上升沿宽度要求日益提高,高功率快脉冲也逐渐成为脉冲功率技术的研究热点和发展趋势。
而如何以较低的成本在提高脉冲电源电压等级的同时陡化脉冲宽度也是研究的难点之一。
以高压快脉冲为技术核心,以小型化、高重频和高效率为发展方向,本论文提出了一种低成本对称式的脉冲发生拓扑,同时以磁压缩技术陡化脉冲宽度,并深入研究了磁开关的控制技术,以实现高稳定性的纳秒级脉冲电源的研制,论文主要内容分为以下三个部分:1、提出了一种具有对称串联结构的高压脉冲电源拓扑,大幅降低成本;基于这种新型的高压脉冲电源拓扑,分析并初步验证了各种工作环境下的可行性。
搭建了该高压脉冲电源的仿真模型,仿真验证了在正常运行和发生闪络等不同状态下电路的工作原理。
在实验室完成了该高压脉冲电源的研制,实验验证了在正常运行和发生闪络等不同状态下对于电路的分析,并在实际应用中证明了该拓扑相对于现有研究的优越性。
2、介绍了脉冲磁压缩技术的工作原理,分析了各个磁芯参数对磁开关性能的影响,基于此,确定了磁芯材料的选择,并搭建了磁芯检测平台测量磁芯的磁滞曲线,对比了不同磁芯材料的区别。
基于脉冲电源体积小型化原则,分析了影响磁开关体积的因素,并利用数学模型确定了磁开关参数的最优解。
系统地分析了磁复位原理以及磁复位电路与脉冲电源的匹配问题。
最后搭建了30kV/3kW的纳秒级脉冲电源样机,验证了磁复位原理的可行性,以及在高压大功率应用场合可能遇到的问题及其解决方案。
3、针对电流型磁复位方式存在的不足,指出了对于磁开关控制的必要性,并系统地分析了磁开关控制原理,提出了相应的控制方案。
最后基于PLECS软件搭建了35kV的纳秒级脉冲电源的仿真模型,通过仿真验证了控制方案的可行性和稳定性,并从实际应用角度分析了磁开关的最佳工作区间。
基于Marx+脉冲变压器的高频高压微纳秒脉冲发生器【摘要】本文介绍了基于Marx+脉冲变压器的高频高压微纳秒脉冲发生器的研究。
在分析了该领域的研究背景和问题意义。
在正文中，详细阐述了Marx发生器原理、脉冲变压器设计、高频高压微纳秒脉冲发生器性能测试、实验结果分析以及应用前景展望。
结尾部分对Marx+脉冲变压器的高频高压微纳秒脉冲发生器的可行性进行了讨论，并提出了未来研究方向。
总结了本文的研究成果。
通过本文的研究，展示了基于Marx+脉冲变压器的高频高压微纳秒脉冲发生器的潜在应用前景，为相关领域的研究提供了新的思路和方法。
【关键词】Marx发生器、脉冲变压器、高频高压微纳秒脉冲发生器、性能测试、实验结果分析、应用前景、可行性、未来研究方向、总结、脉冲技术、高压技术、微纳秒脉冲、电子器件。
1. 引言1.1 研究背景高频高压微纳秒脉冲发生器在科学研究和工程应用中起着重要作用，它可以生成高频高压的脉冲信号，适用于等离子体物理、激光技术、医学诊断等领域。
传统的脉冲发生器存在体积大、功耗高、工作频率低等问题，难以满足现代高频高压脉冲应用的需求。
结合Marx发生器和脉冲变压器的设计思路，将能够实现高频高压微纳秒脉冲发生器的小型化、高效化和高可靠性。
本文将重点研究Marx+脉冲变压器的高频高压微纳秒脉冲发生器的设计原理和性能测试，探讨其在等离子体物理、激光技术等领域的应用前景，为未来相关研究提供参考。
1.2 问题意义高频高压微纳秒脉冲发生器在科研和工程应用中具有重要意义。
随着科技的不断发展，对更高频率、更高压力和更短脉冲宽度的要求越来越高。
目前市面上的脉冲发生器往往存在频率较低、压力较小、波形不稳定等问题，无法满足实际需求。
研发基于Marx+脉冲变压器的高频高压微纳秒脉冲发生器具有重要的现实意义。
在科研领域，高频高压微纳秒脉冲发生器可以被广泛应用于等离子体物理研究、电子束加速器、强激光器驱动等领域。
通过精确地控制脉冲频率、脉冲宽度和脉冲幅度，研究人员可以开展更深入的实验研究，从而推动相关科学领域的发展。
第16卷 第11期强激光与粒子束V ol.16,N o.11 2004年11月HIG H POWER LASER AND PARTIC LE BE AMS N ov.,2004 文章编号: 100124322(2004)1121434203快前沿纳秒高压脉冲源的开发及实验研究Ξ谭坚文1, 石立华1, 李炎新1, 张力群1, 谢彦召2(1.解放军理工大学工程兵工程学院,江苏南京210007; 2.西北核技术研究所,陕西西安710024) 摘 要: 针对国际电工委员会1996年制定的IEC610002229和美国国防部1999年修定的MI L 2ST D 2461E 标准提出的高空核爆电磁脉冲波形,研制了一台新型纳秒高压脉冲源。
其产生的双指数波脉冲前沿小于3ns ,脉宽58ns ,幅度可达4kV ,此外还可产生前沿小于2ns 、幅度最高为4kV 的脉冲方波;两种脉冲均可实现单次和间歇可调输出。
介绍了脉冲源的电路设计和调试结果,通过实验对比了MI L 2ST D 2461E 与MI L 2ST D 2461D 两种双指数波形条件下某测控系统模块的干扰耦合效应。
关键词: 核爆电磁脉冲; 高压脉冲发生器; 辐射干扰; 电磁兼容 中图分类号: TH752.5 文献标识码: A 高空核爆电磁脉冲(HE MP )的典型波形分为早期、中期和晚期三种不同表述形式。
就早期波形来说,其波形参数的定义,在1996年国际电工委员会(IEC )制定的IEC610002229[1]和1999年美国国防部(DOD )修订的MI L 2ST D 2461E [2]中均采用图1所示的波形,上升时间t r (10%～90%)为2.5ns ,下降时间t f (90%～10%)为55ns ;峰值电场强度为50kV/m 。
该波形参数与较早颁布的MI L 2ST D 2461D [3]有较大差别。
文献[4]对已颁布的各种高空核爆电磁脉冲波形标准进行了对比,而文献[5]则通过理论计算,讨论了MI L 2ST D 2461D 规定的和IEC 1996年推荐的HE MP 对长电缆的不同耦合效应。
Fig.1 Early 2time HE MP defined byIEC610002229and MI L 2ST D 2461E图1 新标准定义的HE MP 早期波形 以往大量的HE MP 效应试验是针对MI L 2ST D 2461D 标准波形进行的,为适应新的电磁脉冲环境模拟试验的需要,有必要研制符合MI L 2ST D 2461E 标准的高压脉冲源发生器。
本文介绍的纳秒高压脉冲源波形上升时间和下降时间符合新的HE MP 波形参数要求,脉冲最高幅值在4kV 下连续可调,脉冲重复频率从1H z 至数H z 利用这一设备提供的测试波形,在TE M 室中实验对比了该脉冲源与基于旧标准的脉冲源产生的辐射环境对电子线路的干扰效应。
1 高压脉冲源的组成 脉冲源包括直流高压、脉冲形成和触发电路三部分。
图2为其结构示意图。
直流高压部分采用240V/10kV 变压器升压,经限流电阻和半波整流后,送至高压储能单元,它具有结构简单、可靠性高的特点。
高压储能单元主要由3个30kV 的电容组成,能在脉冲重复频率较高的情况下及时给放电电容C 1或方波成形线充电。
Fig.2 Diagram of the high v oltage pulse generator 图2 脉冲源结构示意图Fig.3 Schematic of the discharging circuit图3 放电回路原理图Ξ收稿日期:2004203225; 修订日期:2004207212基金项目:国家自然科学基金资助课题(编号:60172002;50237040)作者简介:谭坚文(1980—),男,硕士研究生,现从事电磁脉冲防护方面的研究工作;E 2mail :artan @ 。
双指数波采用电容放电回路产生。
该电路可用图3形式的RLC 二阶等效电路进行分析,其中L 为放电回路的分布电感,它是影响脉冲上升时间的决定因素之一。
脉冲上升时间t r 与放电回路元件的参数有近似关系[6]t r =2.2L/R 。
电路模拟表明,当放电电阻R 取50Ω,放电电容C 取500pF ,回路电感为55nH 时,该电路输出波形如图4所示,波形指标接近于图1中的参数。
实验表明,合理设计电路连线和选择无感电容器可保证相应部分的分布电感远小于规定的要求,剩下的对前沿起决定性影响的器件就是脉冲放电开关了。
这里采用体积小、重量轻的真空触发管,其标称导通时间满足设计要求,但实际导通速度与施加电压和触发脉冲均有一定关系。
电路设计时应保证触发脉冲上升时间小于1μs ,宽度大于1μs ,开路峰值电压大于最小触发电压,触发源阻抗应小于15k Ω[7]。
触发信号也采用电容放电的形式产生,经脉冲变压器升压后脉冲峰值和前沿实测值分别为4kV 和40ns 左右。
通过调节电位器可调节连续触发的频率,为防止电容能量释放过快而损坏,触发频率不能过高,一般以1H z 为好。
此外,实验证明,在放电回路中并联较小的补偿电容(电容值远小于放电电容)可以较好地起到陡化脉冲前沿的作用。
方波的产生采用单成形传输线电路,如图5所示。
假设充电电压值为U 0,若负载R 与传输线特性阻抗Z 0相等(阻抗匹配),则当开关K 闭合时,在负载上即可获得维持时间为2l/v (v 为电压波的传输速度,l 为传输线的长度)、幅值为U 0/2的方波电压。
通过外接成形线来加长传输线的长度即可延长方波的脉冲宽度。
Fig.4 S imulated waveform of capacitance discharging 图4 电容放电模拟波形Fig.5 Schematic of transm ission 2line discharging图5 产生方波的成形线放电原理图2 脉冲波形 图6为负载为50Ω时,采用T DS3032数字存储示波器测量的双指数波和方波输出波形。
由图可见,双指数波的脉冲前沿为3ns 、脉宽58ns ,与图1中的波形标准接近,而最高幅度可达4kV ;方波的脉冲前沿为2ns 、脉宽100ns。
Fig.6 M easured pulses on 50Ωload 图6 负载为50Ω时的脉冲实测波形3 实验对比分析 为考察MI L 2ST D 2461E 中HE MP 早期波形变窄、前沿变快对系统干扰效应的变化,设计了电磁脉冲辐射干扰对比试验。
试验系统框图见图7,其中信号源采用两种双指数波形,分别符合MI L 2ST D 2461D 和MI L 2ST D 2461E 的波形上升和下降时间要求,前者记为E MP1,后者记为E MP2。
TE M 室中测试空间设置了一个数字控制模块(DDC ),该模块与受控器件通过普通导线连接,这些导线暴露于TE M 室内的电磁脉冲环境中,从低到高调节脉冲源输出电压,观察了两种波形分别输入时DDC 正常工作开始受到干扰的TE M 室负载端波形。
以DDC 干扰几率超过50%为例,测到的在DDC 发生错误动作机率相同的情况下,所施加的两种脉冲波形如图8所示。
从图中可见,对于本文采用的系统和设置状态,若取相同的电压幅值,E MP2(即新标准脉冲波形)更容易使系统受5341第11期 谭坚文等:快前沿纳秒高压脉冲源的开发及试验研究到干扰而产生误动作。
Fig.7 Schematic of experiment system 图7 试验系统框图Fig.8 W aveforms of E MP with DDC interfered图8 DDC 开始受到干扰时的E MP 波形4 结 论 研制的纳秒高压脉冲源能够产生前沿小于3ns 的高压脉冲,波形形状符合MI L 2ST D 2461E 的要求,幅度在4kV 下可调。
实验表明,MI L 2ST D 2461的D 版本和E 版本规定的两种不同电磁脉冲波形对设备的耦合效应是不一样的。
在本文试验中,前沿较快、脉冲较窄的波形对系统的干扰和耦合效应较强。
这一结果与受试系统具体情况相关,更为全面的对比结论尚需进行深入的分析和实验研究。
致谢: 感谢陈子铭教授在仪器研制过程中给予的具体指导和帮助。
参考文献:[1] IEC610002229,Description of HE MP environment 2radiation disturbance 2basic E MC publication[S].[2] MI L 2ST D 2461E ,Requirements for the control of electromagnetic interference characteristics of subsystems and equipment[S].[3] MI L 2ST D 2461D ,Requirements for the control of electromagnetic interference em issions and susceptibility[S].[4] 谢彦召,王赞基,王群书,等.高空核爆电磁脉冲波形标准及特征分析[J ].强激光与粒子束,2003,15(8):781—787.(X ie Y Z ,W ang ZJ ,W ang QS ,et al.High altitude nuclear electromagnetic pulse waveform standards :a review.High Power Laser and Particle Beams ,2003,15(8):781—787)[5] 孙蓓云,周辉,谢彦召.两种高空核电磁脉冲电缆耦合效应的比较[J ].强激光与粒子束,2002,14(6):901—904.(Sun B Y,Zhou H ,X ie Y Z.C om paris on of the cable coupling effects under tw o kinds of HE MP environment.High Power Laser and Particle Beams ,2002,14(6):901—904)[6] 周璧华,陈彬,石立华.电磁脉冲及其工程防护[M].北京:国防工业出版社,2003.(Zhou B H ,Chen B ,Shi L H.E MP and E MP protection.Beijing :National Defense Industry Press ,2003)[7] 廖复疆.真空电子技术:信息装备的心脏[M].北京:国防工业出版社,1999.(Liao F J.Vacuum electronic technology :heart of in formation equipments.Beijing :National Defense Industry Press ,1999)Development and experimental research on the fast rise time EMP generatorT AN Jian 2wen 1, SHI Li 2hua 1, LI Y an 2xin 1, ZH ANGLi 2qun 1, XIE Y an 2zhao 2(1.Engineering Institute o f Engineering Corps ,the P LA Univer sity o f Science and Technology ,Nanjing 210007,China ;2.Northwest Institute o f Nuclear Technology ,P.O.Box 69213,Xi ’an 710024,China ) Abstract : A novel high v oltage pulse generator is developed for the simulation of HE MP according to the standard of IEC610002229and MI L 2ST D 2461E.The generator can produce both single and repeated pulse.I ts double 2exponential output has a rise time less than 3ns ,with the pulse width around 58ns and am plitude up to 4kV.I t can als o generate square wave with rise time less than 2ns and am plitude up to 4kV.The circuit design and experimental test of the pulse generator are introduced in this paper.The test result is als o presented to show the difference of the inter ference effect produced by the new generator and the original HE MP defined in MI L 2ST D 2461D. K ey w ords : Nuclear electromagnetic pulse (NE MP ); High v oltage pulse generator ; Radiated inter ference ; E lectromagnetic com pati 2bility (E MC )6341强激光与粒子束 第16卷。
