基于脈沖變壓器的長脈沖PFN-Marx技術研究.pdf

1、高功率脈沖功率技術除了向高功率、高重復頻率和小型化方向發(fā)展以外，獲得長脈沖固態(tài)化的高功率脈沖驅動源也是重要發(fā)展方向。本文采用PFN-Marx技術方案來實現(xiàn)長脈沖高電壓的脈沖輸出。本文首先分析了PFN放電理論，之后分別從組成PFN-Marx發(fā)生器的多個部分，如充電系統(tǒng)、多級PFN、氣體開關和負載等多方面展開分析和設計。在此基礎上加工制作了一套正負充電PFN-Marx發(fā)生器，實驗結果證實了該技術方案用以產生長脈沖方波是可行的。論文的主要工作

2、和結果體現(xiàn)在以下方面：
　　1、PFN放電理論分析
　　首先利用電路理論詳細分析了梯形PFN，得到了梯形PFN阻抗、輸出脈寬、輸出電壓及其固有頻率隨PFN中電容值、電感值和節(jié)數(shù)的變化關系，同時分析了影響PFN輸出脈沖上升時間和下降時間的因素。此外，利用PSpice仿真軟件分析了PFN中電壓和電流隨時間的變化關系，得到了PFN上放電的直觀模型，研究了電路參數(shù)對輸出波形的影響。
　　2、高壓脈沖變壓器研究
　　(1)

3、利用鐵基非晶材料作為變壓器磁芯，采用晶閘管作為初級開關研制出兩套脈沖變壓器，其中原邊電容940μF，次級電容33 nF，初次級繞組匝數(shù)比為2:270。在空氣中，最終實驗測得兩套變壓器峰值充電時間一致性較好，變比可以達到160倍以上，負載電容上最高電壓可以達到100 kV。
　　(2)對實驗過程中的磁芯飽和現(xiàn)象進行了分析。晶閘管在初級回路電流過零附近處關斷，由于磁芯伏秒數(shù)有限，次級回路產生振蕩，次級電容上的電壓波形在磁芯飽和的影響下

4、正負交替變化，波形包絡為明顯的RC衰減波形。同時還分析得到，在同一次放電情況下，次級電壓振蕩波形與時間軸所圍成的面積(即磁芯伏秒數(shù))隨著放電過程的發(fā)展略有降低；在不同的充電電壓下，伏秒數(shù)隨著充電電壓的增大而略有增加。
　　(3)對次級回路的飽和振蕩過程建立了一個簡化的電路模型，該模型可以從原理上初步說明次級回路飽和振蕩產生的原因和發(fā)展過程，仿真分析與實驗結果相一致。
　　3、氣體開關設計
　　首先論述了開關選取的原則和

5、設計方案，對設計好的開關結構進行了靜電場仿真，分析得到陰陽極之間的電場在陰極頂端半徑邊緣最大，間隙中最容易在此擊穿，從而導致開關的導通。設計并加工了開關單元，在加工得到的開關上開展了擊穿實驗，并對其性能進行了測試，在氣壓增大時，開關擊穿電壓增大，同時抖動降低。
　　4、正負充電PFN-Marx發(fā)生器研究
　　(1)討論了單級陶瓷電容平板PFN的放電特性。實驗結果證實增加PFN的節(jié)數(shù)可以顯著增大脈寬，同時在節(jié)數(shù)不太多的情況下，

6、增大節(jié)數(shù)對上升時間幾乎沒有影響，但是下降時間會顯著增加。此外，增大單節(jié)電感值同樣可以增加脈寬，減小連線電感值可以明顯減小上升時間。
　　(2)利用軟件模擬對設計的PFN-Marx電路進行了討論。詳細分析了正負脈沖變壓器充電電壓均勻性、隔離電感對開關過電壓的影響和影響輸出脈沖上升時間的因素等問題。分析得到，充電電感的連接方式對每級PFN上的充電電壓的影響可以忽略；在隔離電感并聯(lián)方式下開關上的過電壓大于其在隔離電感串聯(lián)方式下的過電壓；