全固态高压纳秒级群脉冲发生器关键技术研究

脉冲功率电源技术发展至今，已经形成了多种相对独立的脉冲产生方式和技术，它们各自有自己的特点，或者峰值功率高，但重复频率较低；或者重复频率高而峰值功率较低，很难兼顾到高重频和高功率的要求。基于固态开关的磁脉冲压缩器最大程度发挥了固态开关和磁开关的优势，是目前产生中高压（10~100kV）、窄脉冲（~100ns）以及高重复频率（约10kHz）脉冲发生源的理想方案。而将多台磁脉冲压缩电源串并联运行，必可获得更高的重复频率、更高的平均功率和更长的稳定运行时间。有鉴于此，为突破单台脉冲源的重复频率，平均功率以及长时运行限制，本项目旨在探索MHz级的全固态高频高压纳秒脉冲发生关键技术，重点研究多组磁脉冲压缩系统的并联技术，提升初级固态开关的耐压通流能力，解决困扰磁脉冲压缩系统向更高重复频率发展的磁芯散热、多组磁脉冲压缩系统并联运行时各组之间的时延抖动以及环流等技术问题。

本项目旨在探索全固态高频高压纳秒脉冲发生关键技术，重点研究固态开关多器件串并联技术，可饱和变压器和磁开关磁芯的测试技术，磁脉冲压缩系统的数值模拟，优化设计原则，和多组磁脉冲压缩系统的并联技术。取得成果如下：. 1）采用辅助均压电路，实现了两个IGBT 的串联运行。在两个驱动信号不同步 的情况下，开通关断瞬间，两个IGBT 的开通关断时刻基本达到一致，关断电压波形基本重合，消除器件杂散参数对多器件同步性的影响。. 2）采用电路拓扑并联技术，间接实现了两个 IGBT 的并联运行。从测试得到的电压电流波形可知，两个IGBT 的开通同步性非常好，且相对独立工作，相互之间没有影响，证明了电路拓扑并联技术的优越性。. 3）针对磁性材料在磁脉冲压缩系统中特定的应用，使用脉冲法对磁芯动态磁特性进行直接测量，测量中的励磁方式和实际工作中完全一致，通过计算得到磁芯在微秒脉冲激励下实际能够达到的伏秒数以及磁芯的损耗。. 4）通过分析简化的磁压缩末级回路，分析了预脉冲产生的过程，得出了预脉冲的电压表达式，获得了影响磁开关开通效果的因素有磁芯得相对磁导率已经负载电阻的阻值。. 5）通过数值模拟和实验研究获得磁脉冲压缩系统的优化设计策略，它是将损耗评价分配到各压缩级之中，这时系统的总体效率得到最大化。并优化设计制作了五套磁脉冲压缩系统电源，电源爆发式运行频率可达20kHz，脉宽70ns，可在500 Ω阻性负载上获得4~40 kV连续可调的输出电压。. 6）设计制作了全固态高压纳秒群脉冲发生器，解决了电磁兼容问题；单路磁压缩系统爆发式运行时最高频率为20 kHz，脉宽50 ns， 5 路并联运行最高频率为100kHz，群脉冲最短间隔为5μs。. 综上所述，基于固态开关的磁脉冲压缩器最大程度发挥了固态开关和磁开关的优势，是目前产生中高压、窄脉冲以及高重复频率脉冲发生源的理想方案。将多台磁脉冲压缩电源并联运行，能够获得更高的重复频率、更高的平均功率和更长的稳定运行时间，项目基本达到预期目标。