脉冲磁元件是脉冲功率系统的重要组成部分,磁芯式脉冲变压器体积小、成本低,是紧凑型脉冲发生器中常用的升压设备;磁开关稳定性高,是重复频率工作性能最优越开关器件之一。基于脉冲磁元件的重复频率纳秒脉冲源在长寿命、小型化、高重复频率运行条件下具有明显优势。本文采用基于磁开关和可饱和脉冲变压器的电路方案,详细研究了电源的脉冲成形过程,对磁芯式脉冲变压器谐振充电和脉冲源主回路分时拓扑电路进行理论分析。在理论分析的基础上,需依据磁芯的脉冲磁化特性设计脉冲磁元件。对环形磁芯脉冲磁化特性测量进行分析,采用单绕组测量电路获得磁开关用Mn-Zn铁氧体磁芯的磁化特性。采用双绕组测量电路,测量了高、低剩磁铁基纳米晶磁芯在不同磁化速率下的初始脉冲磁化特性,随磁化速率增大,平均脉冲磁导率显著下降。测量了铁基纳米晶和Mn-Zn铁氧体磁芯在25-150℃的脉冲磁化特性,它们的饱和磁感应强度在150℃时分别下降了16.3%和55.5%。进行了脉冲磁化条件下磁芯的损耗分析,分析认为脉冲初始磁化过程中的损耗与往复磁化下不同。定义了脉冲磁化条件下的初始磁化能量损耗,包括脉冲磁化过程中通过磁滞损耗、涡流损耗和剩余损耗的途径不可逆地转变的热能,也包括脉冲磁化暂时储存在磁芯中的磁场能。测量了对铁基纳米晶磁芯的初始磁化能量损耗和脉冲往复磁化的磁芯损耗,初始磁化能量损耗密度与磁化速率、磁感应增量幂函数的乘积成正比,而磁芯损耗密度在一定范围内与等值频率成线性关系。根据理论分析和脉冲磁化特性测量结果,综合运用理论计算、ATP-EMTP仿真进行脉冲源主回路核心器件定量优化设计和样机研制工作,理论、仿真和实验波形对比验证了优化设计方法的正确性。分析了可饱和脉冲变压器重频运行时的损耗来源,指出脉冲变压器磁芯损耗主要来源于输出脉冲后的回路振荡激励,磁芯损耗功率与脉冲源重复频率成正比;重复频率为5000 pps时,脉冲变压器磁芯损耗功率约为175 W。采用Comsol Multiphysics软件进行磁芯重频运行温升特性仿真,设计制作油浸式脉冲源样机,最高连续工作重复频率为5000 pps,磁芯表面稳态温度80℃,输出脉冲幅值40 kV,上升时间83 ns,半高宽193 ns。