多路高功率磁开关同步合成关键技术研究

Synchronization and solid-state are important developmental directions of pulsed power technology. As one of the solid-state power switches, magnetic switch has advantages of high reliability and long life time. The principle of magnetic switch is flux conversation which makes it suitable for synchronization of multi-switches with electromagnetism coupling. Therefore, investigation on synchronization of multiple high-power magnetic switches is valuable for solid-state and synchronization of several high power generators. In our project, a novel electromagnetism coupling method is proposed; the physics mechanism and technologies of synchronization of multiple high-power magnetic switches are investigated based on analysis of single magnetic switch. The key parameters, including turn number of coupling winding, impedance and length of the coupling cable, and stray parameters, is researched by Co-simulation and experiments. The design principle of the coupling is proposed. A high power generator based on synchronization of multiple magnetic switches is experimentally studied with synchronization jitter lower than 10ns, peak power higher than 100MW, pulse width of 1μs, and repetitive rate of 20Hz. The project laid the foundation for synchronization of multiple solid-state high power generators, which is valuable for military and industrial applications.

同步合成与固态化是脉冲功率技术的重要发展方向。磁开关是一种固态脉冲开关，具备稳定可靠和长寿一致等优点，其伏秒积分工作机制为采用电磁耦合手段提高多路合成精度提供了可能；因此，开展多路高功率磁开关同步合成关键技术研究，对推动脉冲功率技术多台装置同步合成与固态化进程具有重要意义。本文提出一种用于多路磁开关同步合成的电磁耦合方法，在深入分析高功率磁开关单元工作特性基础上，研究多路磁开关同步合成中电磁耦合的物理机制与技术问题，通过电路-电磁场模拟和实验研究获得耦合绕组参数、耦合线缆阻抗及电长度、耦合回路杂散参数等因素对同步合成的影响规律，形成电磁耦合设计原则；研制一台基于多路磁开关同步合成技术的高功率脉冲驱动源，同步精度小于10ns，实现峰值功率大于100MW、脉冲宽度1μs、重复频率20Hz，为开展更高指标的固态化脉冲功率合成技术研究奠定基础。本项目在国防军事和国民工业领域具有重要应用价值。

同步合成与固态化是脉冲功率技术的重要发展方向。磁开关是一种固态脉冲开关，具备高功率容量、稳定可靠和长寿一致等优点，其伏秒积分工作机制为采用电磁耦合手段提高多路合成精度提供了可能；因此，开展多路高功率磁开关同步合成关键技术研究，对推动脉冲功率技术多台装置同步合成与固态化进程具有重要意义。本文提出一种用于多路磁开关同步合成的电磁耦合方法，在深入分析高功率磁开关单元工作特性基础上，研究多路磁开关同步合成中电磁耦合的物理机制与技术问题。针对磁开关的动态工作特性，建立了磁场扩散方程和电路方程耦合的磁开关数值仿真模型，采用使用隐式差分算法和引入Jiles-Atherton磁滞回线模型，提升单路磁开关场路协同数值模型的计算效率和计算精度；进一步，应用模型分析磁芯瞬态饱和过程，计算磁芯涡流损耗和磁滞损耗，并计算磁芯带材层间电场强度。针对多路磁开关同步合成情况，通过电路模拟检验耦合绕组与磁开关主绕组理想耦合情况下电磁耦合技术提升两路磁开关同步输出性能的效果；鉴于实际中耦合绕组与磁开关主绕组之间非理想耦合情况，基于回转器-电容等效磁路理论建立了一个可饱和变压器模型，真实反映耦合绕组与主绕组非理想耦合的情况以及磁芯不均匀饱和的现象，模拟结果表明耦合系数越高、电缆长度越短，电磁耦合技术对同步运行性能的提升效果越好；进一步，分析得到两路磁开关同步合成的一般机制，并拓展分析三路磁开关同步运行机制。最后，开展了多路磁开关同步合成的实验研究，在检验理论分析与数值模拟结果的基础上，研制了一台基于两路磁开关同步合成技术的高功率脉冲驱动源，两路输出脉冲同步精度约7ns，合成峰值功率约为104MW，10%-90%前沿脉冲宽度约1μs，重复频率20Hz。本项目研究结果为开展更高指标的固态化脉冲功率合成技术研究奠定基础。