文章来源:科技信息中心编辑室 时间:2017-09-12
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2010年以来,中物院应用电子学研究所针对高功率微波技术的应用需求,深入分析脉冲功率源小型化技术发展趋势,提出三种各具特色的紧凑型功率源技术路线,在突破了一系列关键技术的基础上,先后研制成功基于LTD技术的紧凑型脉冲功率源、基于双电容脉冲成形技术的紧凑型脉冲功率源和基于固态线脉冲成形技术的紧凑型脉冲功率源,大幅提高了高功率微波驱动源功率体积(重量)比,并已在高功率微波技术研究中得到成功应用,标志着驱动源小型化技术取得重要进展。
1 基于LTD技术的紧凑型高功率微波驱动源技术
直线变压器驱动源(LTD)的基本原理来源于直线感应加速器(LIA),是一种集合了脉冲压缩、多开关同步触发、电压感应叠加等多项脉冲功率关键技术的高功率脉冲发生器。LTD装置通过单级模块内部多路脉冲并联放电产生大电流,并利用多级脉冲变压器副边电压线性叠加获得更高脉冲电压和功率增益。中国工程物理研究院应用电子学研究所2010年左右开始探索将LTD技术用于重复频率高功率微波驱动源。根据高功率微波应用对脉冲功率源输出波形的要求,提出采用脉冲形成网络(PFN)技术实现方波脉冲成形、多路激光触发开关实现多个LTD模块高效叠加输出的功率源研制技术路线。在重点突破了一体化脉冲功率模块设计技术和重复频率激光触发开关技术等关键单元技术的基础上,于2013年研制了一台6模块LTD型低抖动重复频率长脉冲功率源,输出电子束功率大于8 GW,脉冲宽度约180 ns,重复频率25 Hz,时间抖动小于2 ns。直到2014年,在国际脉冲调制及高电压会议上才有了美国空军实验室开展基于PFN技术和LTD技术的方波输出脉冲功率源研究的报道。
开展了一体化脉冲功率模块优化设计技术研究。功率源采用了分立式初级电源组件的设计思想,即根据脉冲成形单模块的能量、阻抗、电压等参数为其独立匹配设计初级电源,并将初级电源组件内置于原来的脉冲成形单元中,实现初级充电、脉冲产生、电压叠加等功能集成。一体化脉冲功率模块结构组成如图1所示,脉冲功率组件(含Blumlein PFN单元、激光触发火花开关、直线变压器磁芯和线圈等部件)与初级能源组件(含恒流电源、储能电容与开关组、充电变压器等部件)紧密集成在一起,实现了功率源紧凑化设计目标。
研制了多路激光触发气体开关系统,将1台激光器输出激光均分成6路,分别注入6路气体开关放电间隙,驱动6路开关低抖动同步运行;设计了串联型气流循环系统,在6路开关放电间隙中通入等速气流,实现6路开关重复频率工作。为了保证单台激光器产生的有限能量激光可靠触发多路气体开关,需要突破小能量激光触发技术,为此,对激光开关触发特性开展了实验研究。激光触发开关的触发特性主要取决于激光能量、欠压比(定义为开关工作电压Uw和自击穿电压Ub之比)及气压等因素,图2给出了不同激光注入能量E下单个开关时延td、抖动tj随开关工作比Uw/Ub的变化关系。研究表明,开关的触发时延及其抖动随开关工作电压上升呈指数衰减趋势,在相同的工作电压下,注入激光能量越高,开关时延和抖动越小,但欠压比提高到70%以上,开关时延和抖动随注入能量变化不敏感。单模块实验验证了提高开关欠压比来降低激光注入能量的可行性,在小于5 mJ的低注入能量下,开关实现了小于1 ns的抖动。实现长脉冲功率源多个电压模块精确同步的前提条件是确保开关阵列触发特性的一致性,在系统设计和实验操作中将每个激光开关的注入激光能量、欠压比及气压等工作参数调整一致。图3给出了重复频率25 Hz时6模块长脉冲功率源触发时延及抖动随欠压比的关系,随着开关欠压比从65.8%增加到90%,触发时延由215.1 ns减小到143.4 ns,抖动由6 ns减小到1.5 ns。由于工作电压提高,开关时延和抖动变小,脉冲功率模块输出脉冲的时间抖动减小,最终表现为功率源负载获得的电压脉冲前沿减小,顶部平整度更好。当欠压比大于90%时,由于开关自击穿概率增加,功率源重复频率工作稳定性降低。
实验负载为平面二极管,负载阻抗约60 Ω。图4给出了1 s(25个脉冲)时激光触发信号、二极管电压、电流以及对应功率曲线的叠加波形。由图可见,波形高度重叠,二极管电压波形前沿较小,表明各路开关工作抖动小,触发时延一致性好。实验测得,重频25 Hz时二极管输出功率大于8 GW、脉冲半宽约180 ns,功率源系统抖动小于2 ns。
2 基于双电容脉冲成形技术的紧凑型高功率微波驱动源技术
2013年,提出了双电容脉冲成形技术结合Marx电压叠加技术的技术路线发展紧凑型高功率微波驱动源。针对类方波输出要求,选择具有较宽脉冲平顶的脉冲形成网络(PFN)集中参数回路;针对紧凑化结构设计要求,选择直接高效的Marx倍压技术,采用高储能密度薄膜电容器,并将PFN级数降至2级。具有类方波输出的PFN-Marx型脉冲功率源系统关键技术包括模块化脉冲成形技术、低抖动重频开关技术和多级系统集成技术等。
模块化脉冲成形技术基于非均匀双电容PFN电路,其原理如图5所示。深入分析双电容PFN的脉冲成形和波形调控机理,结合PSpice电路仿真和针对性实验验证,总结了回路电参数对双电容PFN输出波形的影响关系,实现了双电容PFN的近方波输出。采用多层薄膜绝缘方式,持续优化工艺参数,将双电容PFN进行整体封装,研制了体积较小的脉冲成形模块,其实物如图6所示,设计尺寸
低抖动重频开关的设计原则为减小开关电感、提高导通一致性。基于理论计算和电磁仿真结果,将开关电极设计为环形轨道式,通过多通道导通技术和平面触发模式,并总结开关内气体成分、比例、电压/气压比等关键参数对开关导通特性的影响关系,提高了开关的导通速度和一致性。通过引入气流置换系统,加速开关内绝缘气体性能恢复,将开关的稳定工作频率提升至50 Hz。图8为进口流速0.3 m/s时开关腔内气流流速模拟结果,可见开关腔内气体分布较为均匀。开关电极间距为8 mm,30 Hz重频工作时,输出抖动低于10 ns。
在完成了脉冲成形模块、开关等的设计后,基于Marx技术原理,构建了多级PFN-Marx发生器系统。通过一体化隔离电感技术、两列排布式脉冲成形模块设计、单列压接式气体开关设计等措施,降低了系统放电回路电感,提高了脉冲功率源的内部空间利用率,实现了紧凑化设计。20级PFN-Marx发生器系统尺寸为1 000 mm×600 mm×1 050 mm,外观结构如图9所示。在平面二极管负载上测量了其输出电压和电流波形,结果如图10所示,系统以30 Hz重复频率连续运行10 s,输出波形稳定,输出功率大于10 GW。功率源全系统重量小于1 t。
3 基于固态线成形技术的紧凑型高功率微波驱动源技术研究
为了进一步提高紧凑型脉冲功率源的功率体积(重量)比,于2014年又提出一种新的紧凑型高功率微波驱动源技术路线——固态线成形结合Marx叠加的技术路线,即采用环形高介电常数陶瓷固态线形成方波,通过Marx电压叠加技术在负载上获得高压脉冲。该技术路线具有如下优点:①分布参数形成线易于获得好波形;②高介电常数陶瓷储能密度高,有利于小型化;③高介电常数易于实现功率源低阻抗设计,同时获得较长脉冲宽度;④功率源组件易于布局,结构紧凑;⑤对负载变化适应能力强。在固态线制作工艺、环形脉冲形成线仿真计算及实验研究、紧凑型开关及电感优化设计、多开关串叠放电特性、小型化触发源设计等关键技术研究取得突破的基础上,2015年开始研制高功率原理装置,设计输出功率10 GW,脉宽60 ns。
固态脉冲形成线研制取得进展。采用了高介电常数陶瓷材料,将介电常数从一般研究中的数百提高到数千,在获得高质量脉冲波形的同时储能密度大为提高,使固态线技术得以实用化。固态线单元及放电波形如图11所示。功率源采用32级环形陶瓷固态线单元,单元阻抗约为1.25 Ω。
功率源结构设计上采用了紧凑型低感结构优化设计,脉冲形成线、气体开关和充电电感均沿轴线层叠排布;固态线圆环与外筒构成同轴结构,降低了场畸变水平,提高了绝缘利用系数;采用SF6气体绝缘,以减轻重量。设计了结构紧凑的高压充电电感,置于形成线包围的空间内;气体开关在环间紧密排布,最大限度减小了引线电感,有利于获得快前沿输出波形。
研制的32级功率源装置全系统总重量小于200 kg。装置结构上可分为主体段(下段)和负载段(上段)两部分,主体段为脉冲高压产生部分,负载段装有水电阻作为功率吸收负载,同时设计了电容分压器测量负载电压波形。主体段和负载段分别充入SF6气体和变压器油作为绝缘介质。功率源主体段尺寸为f350 mm×1 150 mm。
由于功率源Marx级数较多,同时该结构级单元对地电容小使得间隙过电压太低,功率源难以串叠工作。为此,优化设计了紧凑型场畸变开关触发结构并在前几级设计了增容结构,有效提高了间隙过电压。通过采用以上改进措施,32级单元实现了可靠串叠放电。初步实验结果表明,功率源实现输出功率约10 GW、脉冲前沿6.5 ns、脉冲宽度约60 ns、重复频率10 Hz,输出电压典型实验波形见图12。可见,该装置6.5 ns的输出波形前沿达到了分布参数油线加速器SINUS-700的水平,一方面表明固态线单元成形波形前沿小,另一方面说明系统回路电感相当低,技术参数达到设计要求,同时验证了技术路线的可行性。
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