论文部分内容阅读
脉冲功率驱动源技术是高功率微波技术的基础,依靠提高单个脉冲功率驱动模块的功率和脉宽来提高微波产生系统的能力受到脉冲缩短等物理限制,多模块系统并联运行成为其进一步发展的有效途径。这就要求脉冲功率系统输出可精确控制、紧凑化和模块化,主开关是其中的关键部件。电脉冲触发的气体开关在峰值功率、紧凑化以及环境适应性等方面具有优势,所以在此基础上对其开展精确触发、低抖动以及模块化的研究具有重大意义。本文针对脉冲功率系统的精确控制以及多模块并联系统的精确同步触发等问题,设计一种基于电晕稳定原理的高功率重频低抖动电晕稳定触发开关（Corona Stabilized Triggered Switch,CSTS）,实现了对脉冲功率系统的低抖动精确控制,为下一步实现多系统并行的研究,进而提升系统整体能力打下良好基础。论文的主要工作和结果体现在以下方面:1、CSTS放电过程探究基于极不均匀场中内的气体击穿理论,对极不均匀场下的放电过程进行分析,确定稳定电晕对开关性能的影响。通过理论推导得到电晕经验击穿场强公式,进而计算出从稳定电晕到形成流注的临界条件。根据击穿的详细过程,分析稳定电晕增加开关稳定性的原因。2、CSTS设计及仿真（1）CSTS设计的主要特点在于利用环状触发极代替传统的针状触发极,并采取主副触发环的设计规定放电通道;同时绝缘介质采用普通氮气与SF6相结合的混合气体;（2）对设计的CSTS结构进行静态电场仿真,结果证明该设计使电极间形成均匀背景场,在触发极尖端形成局部极不均匀场;同时触发信号将场不均匀系数最高增加37%左右,证明电晕稳定开关触发的必要性;（3）利用计算所得流注形成的临界条件,结合电场仿真得到稳定电晕的临界体积。由仿真结果初步分析可知,影响稳定电晕临界体积的因素主要有:电极电压、触发极结构以及气体的气压和种类。电极电压越高,气压越低,混合气体中N2的比例越高,稳定电晕的临界体积越大。3、触发器的设计和测试基于可饱和脉冲变压器（saturable pulse transformer,SPT）以及Marx发生器设计了一种低抖动紧凑型触发器,测试结果显示触发器峰值电压为79.6kV,前沿144ns,50次重频抖动为0.64ns。4、实验探究影响CSTS性能的因素（1）通过改变触发极突出长度Dp来改变局部场畸变的大小,对比开关的自击穿电压、自击穿的稳定性以及在加触发条件下的开关的稳定性,获得了对触发器的幅值要求和开关工作范围等。（2）探究不同SF6含量的混合气体对开关性能的影响。实验结果显示,在SF6含量为15%,气压0.2MPa时,开关自击穿电压为551kV,工作稳定;当开关处于触发状态下,工作范围为自击穿电压的46.4%-93.5%,高压工作抖动为0.57ns,最小触发电压占触发电压峰值的55.8%。（3）实验探究基于单触发器的多路CSTS同步运行特性。实验过程中发现,在双模块同步工作时,每个模块抖动均可以达到10ns以下,最低可达4.8ns,在三模块同步工作时,每个模块的稳定性具有不同程度的下降,彼此影响很大。5、微秒级高速相机诊断放电过程利用微秒级相机对开关放电过程中通道形状的变化以及绝缘恢复过程。实验发现击穿电压越高,通道体积越大,当气压低与大气压时,通道体积急剧膨胀。此外,在电压为200kV左右时,CSTS的绝缘恢复过程时间在1-2ms。