高功率磁脈沖壓縮系統(tǒng)及其在長脈沖驅(qū)動源中的應用研究.pdf

1、國防和工業(yè)應用需求促使高功率脈沖驅(qū)動源向器件固態(tài)化、組件模塊化以及裝置長壽命的方向不斷發(fā)展；因此，研究小組提出了一種基于磁開關技術的高功率固態(tài)長脈沖驅(qū)動源技術驗證方案，典型指標為輸出功率5GW、脈沖寬度160ns、重復頻率20Hz，國內(nèi)對基于該技術路線的高功率脈沖驅(qū)動源研究尚未見報道。論文在深入分析該高功率脈沖驅(qū)動源工作特性的基礎上，提出了一種基于分立式繞組結構的高功率磁開關，并研制了電參數(shù)可調(diào)型GW級磁脈沖壓縮器。該磁脈沖壓縮器作為一

2、種全固態(tài)模塊化單元，做到了峰值工作電壓、飽和時間以及壓縮比等核心參數(shù)可調(diào)，具有輸出功率高、重復頻率高、使用壽命長以及工作可靠性好等優(yōu)勢。論文將其作為核心器件應用于研究小組提出的基于磁開關技術的固態(tài)長脈沖驅(qū)動源系統(tǒng)中，能夠穩(wěn)定輸出上升時間約1μs的GW級高功率電脈沖，已經(jīng)成功應用于5GW/170ns固態(tài)長脈沖驅(qū)動源系統(tǒng)的調(diào)試與優(yōu)化。
　　論文的主要工作和創(chuàng)新點有：
　　1.針對高功率脈沖驅(qū)動源中磁性材料的應用環(huán)境，深入分析了非

3、晶態(tài)磁性材料在高電壓、強磁場、快脈沖激勵下飽和過程的物理機制，研制了激勵電脈沖可調(diào)節(jié)的磁芯測試平臺，基于該平臺研究了鐵基非晶態(tài)和鐵基納米晶磁芯的磁滯特性，得到了影響磁開關工作性能的核心參數(shù)不僅包括磁性材料種類和磁場強度，還包括磁芯幾何結構以及激勵磁場波形，該結論可以應用指導高功率脈沖驅(qū)動源中的磁芯設計，為研制高功率固態(tài)長脈沖驅(qū)動源奠定了基礎。
　　2.針對傳統(tǒng)磁開關由于設計流程不自洽造成的設計精度較低，以及磁開關體積重量較大等缺點

4、，理論推導了磁脈沖壓縮器正向和反向預脈沖解析表達式，給出了降低預脈沖幅值的技術方案；優(yōu)化了磁脈沖壓縮器的設計流程、飽和時間以及磁芯幾何結構；結果表明，優(yōu)化方案不僅有效提高了設計精度，還能夠在保證一定輸出電壓的情況下，減小裝置的體積、重量和研制成本，并有利于降低開關抖動，為磁開關技術的進一步發(fā)展和工程化應用提供了新的思路。
　　3.針對傳統(tǒng)磁開關工作點單一的缺點，首次提出了一種使用多段導體拼接制成的分立式繞組結構，這種結構將磁開關的

5、傳統(tǒng)繞組“化整為零”，通過改變分段導體的連接方式，可以對磁開關繞組匝數(shù)在一定范圍內(nèi)進行連續(xù)調(diào)節(jié)，進而實現(xiàn)峰值工作電壓、飽和時間以及壓縮比等核心參數(shù)的可調(diào)節(jié)運行，研制了電參數(shù)可調(diào)型高功率磁開關并開展了實驗研究、驗證了技術方案，為磁開關技術向參數(shù)可調(diào)型發(fā)展和應用打下了堅實的基礎。
　　4.采用理論分析、數(shù)值仿真以及實驗驗證等方法，研制了電參數(shù)可調(diào)型兩級串聯(lián)型磁脈沖壓縮器，輸出電功率達到GW量級。通過調(diào)節(jié)第一級磁脈沖壓縮器中磁開關的繞組

6、匝數(shù)，開展了壓縮比分別為25和19時的脈沖調(diào)制實驗，均實現(xiàn)輸出電脈沖的峰值電壓大于55kV、輸出功率大于0.55GW、重復頻率20Hz，波形一致性較好；將其應用于高功率脈沖驅(qū)動源中，驅(qū)動源整體在假負載上得到了電功率約2GW、脈沖寬度大于170ns、重復頻率20Hz的準方波脈沖輸出?；谏鲜鲅芯抗ぷ鲗ρb置進行升級，磁脈沖壓縮器的輸出電壓達到約105kV、電功率大于1GW；此時，高功率脈沖驅(qū)動源在無導引磁場的情況下，成功驅(qū)動天鵝絨陰極實現(xiàn)了