高功率脉冲功率技术除了向高功率、高重复频率和小型化方向发展以外,获得长脉冲固态化的高功率脉冲驱动源也是重要发展方向。本文采用PFN-Marx技术方案来实现长脉冲高电压的脉冲输出。本文首先分析了PFN放电理论,之后分别从组成PFN-Marx发生器的多个部分,如充电系统、多级PFN、气体开关和负载等多方面展开分析和设计。在此基础上加工制作了一套正负充电PFN-Marx发生器,实验结果证实了该技术方案用以产生长脉冲方波是可行的。论文的主要工作和结果体现在以下方面:1、PFN放电理论分析首先利用电路理论详细分析了梯形PFN,得到了梯形PFN阻抗、输出脉宽、输出电压及其固有频率随PFN中电容值、电感值和节数的变化关系,同时分析了影响PFN输出脉冲上升时间和下降时间的因素。此外,利用PSpice仿真软件分析了PFN中电压和电流随时间的变化关系,得到了PFN上放电的直观模型,研究了电路参数对输出波形的影响。2、高压脉冲变压器研究(1)利用铁基非晶材料作为变压器磁芯,采用晶闸管作为初级开关研制出两套脉冲变压器,其中原边电容940μF,次级电容33 nF,初次级绕组匝数比为2:270。在空气中,最终实验测得两套变压器峰值充电时间一致性较好,变比可以达到160倍以上,负载电容上最高电压可以达到100 kV。(2)对实验过程中的磁芯饱和现象进行了分析。晶闸管在初级回路电流过零附近处关断,由于磁芯伏秒数有限,次级回路产生振荡,次级电容上的电压波形在磁芯饱和的影响下正负交替变化,波形包络为明显的RC衰减波形。同时还分析得到,在同一次放电情况下,次级电压振荡波形与时间轴所围成的面积(即磁芯伏秒数)随着放电过程的发展略有降低;在不同的充电电压下,伏秒数随着充电电压的增大而略有增加。(3)对次级回路的饱和振荡过程建立了一个简化的电路模型,该模型可以从原理上初步说明次级回路饱和振荡产生的原因和发展过程,仿真分析与实验结果相一致。3、气体开关设计首先论述了开关选取的原则和设计方案,对设计好的开关结构进行了静电场仿真,分析得到阴阳极之间的电场在阴极顶端半径边缘最大,间隙中最容易在此击穿,从而导致开关的导通。设计并加工了开关单元,在加工得到的开关上开展了击穿实验,并对其性能进行了测试,在气压增大时,开关击穿电压增大,同时抖动降低。4、正负充电PFN-Marx发生器研究(1)讨论了单级陶瓷电容平板PFN的放电特性。实验结果证实增加PFN的节数可以显著增大脉宽,同时在节数不太多的情况下,增大节数对上升时间几乎没有影响,但是下降时间会显著增加。此外,增大单节电感值同样可以增加脉宽,减小连线电感值可以明显减小上升时间。(2)利用软件模拟对设计的PFN-Marx电路进行了讨论。详细分析了正负脉冲变压器充电电压均匀性、隔离电感对开关过电压的影响和影响输出脉冲上升时间的因素等问题。分析得到,充电电感的连接方式对每级PFN上的充电电压的影响可以忽略;在隔离电感并联方式下开关上的过电压大于其在隔离电感串联方式下的过电压;随着连线电感和负载回路中电感的增大,上升时间随之增大。(3)根据仿真研究和设计,制作完成了一套基于脉冲变压器的6级正负充电PFN-Marx发生器。在48?的负载上获得了脉冲宽度为173 ns,上升时间小于15 ns,电压幅值为100 kV的波形输出,从实验上证实了该技术路线用以产生长脉冲方波的可行性。
