基于脈沖變壓器的長(zhǎng)脈沖PFN-Marx技術(shù)研究.pdf

1、高功率脈沖功率技術(shù)除了向高功率、高重復(fù)頻率和小型化方向發(fā)展以外，獲得長(zhǎng)脈沖固態(tài)化的高功率脈沖驅(qū)動(dòng)源也是重要發(fā)展方向。本文采用PFN-Marx技術(shù)方案來(lái)實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)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(gè)部分，如充電系統(tǒng)、多級(jí)PFN、氣體開(kāi)關(guān)和負(fù)載等多方面展開(kāi)分析和設(shè)計(jì)。在此基礎(chǔ)上加工制作了一套正負(fù)充電PFN-Marx發(fā)生器，實(shí)驗(yàn)結(jié)果證實(shí)了該技術(shù)方案用以產(chǎn)生長(zhǎng)脈沖方波是可行的。論文的主要工作

2、和結(jié)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(xì)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(guān)系，同時(shí)分析了影響PFN輸出脈沖上升時(shí)間和下降時(shí)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(shí)間的變化關(guān)系，得到了PFN上放電的直觀模型，研究了電路參數(shù)對(duì)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(jí)開(kāi)關(guān)研制出兩套脈沖變壓器，其中原邊電容940μF，次級(jí)電容33 nF，初次級(jí)繞組匝數(shù)比為2:270。在空氣中，最終實(shí)驗(yàn)測(cè)得兩套變壓器峰值充電時(shí)間一致性較好，變比可以達(dá)到160倍以上，負(fù)載電容上最高電壓可以達(dá)到100 kV。
　　(2)對(duì)實(shí)驗(yàn)過(guò)程中的磁芯飽和現(xiàn)象進(jìn)行了分析。晶閘管在初級(jí)回路電流過(guò)零附近處關(guān)斷，由于磁芯伏秒數(shù)有限，次級(jí)回路產(chǎn)生振蕩，次級(jí)電容上的電壓波形在磁芯飽和的影響下

4、正負(fù)交替變化，波形包絡(luò)為明顯的RC衰減波形。同時(shí)還分析得到，在同一次放電情況下，次級(jí)電壓振蕩波形與時(shí)間軸所圍成的面積(即磁芯伏秒數(shù))隨著放電過(guò)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(duì)次級(jí)回路的飽和振蕩過(guò)程建立了一個(gè)簡(jiǎn)化的電路模型，該模型可以從原理上初步說(shuō)明次級(jí)回路飽和振蕩產(chǎn)生的原因和發(fā)展過(guò)程，仿真分析與實(shí)驗(yàn)結(jié)果相一致。
　　3、氣體開(kāi)關(guān)設(shè)計(jì)
　　首先論述了開(kāi)關(guān)選取的原則和

5、設(shè)計(jì)方案，對(duì)設(shè)計(jì)好的開(kāi)關(guān)結(jié)構(gòu)進(jìn)行了靜電場(chǎng)仿真，分析得到陰陽(yáng)極之間的電場(chǎng)在陰極頂端半徑邊緣最大，間隙中最容易在此擊穿，從而導(dǎo)致開(kāi)關(guān)的導(dǎo)通。設(shè)計(jì)并加工了開(kāi)關(guān)單元，在加工得到的開(kāi)關(guān)上開(kāi)展了擊穿實(shí)驗(yàn)，并對(duì)其性能進(jìn)行了測(cè)試，在氣壓增大時(shí)，開(kāi)關(guān)擊穿電壓增大，同時(shí)抖動(dòng)降低。
　　4、正負(fù)充電PFN-Marx發(fā)生器研究
　　(1)討論了單級(jí)陶瓷電容平板PFN的放電特性。實(shí)驗(yàn)結(jié)果證實(shí)增加PFN的節(jié)數(shù)可以顯著增大脈寬，同時(shí)在節(jié)數(shù)不太多的情況下，

6、增大節(jié)數(shù)對(duì)上升時(shí)間幾乎沒(méi)有影響，但是下降時(shí)間會(huì)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(shí)間。
　　(2)利用軟件模擬對(duì)設(shè)計(jì)的PFN-Marx電路進(jìn)行了討論。詳細(xì)分析了正負(fù)脈沖變壓器充電電壓均勻性、隔離電感對(duì)開(kāi)關(guān)過(guò)電壓的影響和影響輸出脈沖上升時(shí)間的因素等問(wèn)題。分析得到，充電電感的連接方式對(duì)每級(jí)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(kāi)關(guān)上的過(guò)電壓大于其在隔離電感串聯(lián)方式下的過(guò)電壓；