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RSS2024年 36卷 第11期
推荐文章
2024, 36: 115001.
doi: 10.11884/HPLPB202436.240332
2024, 36: 115008.
doi: 10.11884/HPLPB202436.240213
2024, 36: 115013.
doi: 10.11884/HPLPB202436.240324
2024, 36: 115001.
doi: 10.11884/HPLPB202436.240332
摘要:
对于空间环境应用的真空开关，可以省去人工环境下的开关密封结构和附属抽真空等设备，有效减轻体积重量，且具有真空环境天成、无需密封、绝缘强度高、恢复速度快等优点，在空间环境中有巨大的应用潜力。首先对国内外的真空开关导通特性研究进展进行了系统介绍，分析了多种类型真空开关的工作特性，评述其优缺点，并对自击穿型沿面闪络真空开关和触发型真空开关的导通机制进行了总结分析；其次分析了关于冷阴极材料的应用研究；然后概括介绍了本课题组在冷阴极真空开关方面的工作进展；最后探讨了冷阴极真空开关的发展趋势，为脉冲功率驱动源的空间环境应用奠定技术基础。
对于空间环境应用的真空开关，可以省去人工环境下的开关密封结构和附属抽真空等设备，有效减轻体积重量，且具有真空环境天成、无需密封、绝缘强度高、恢复速度快等优点，在空间环境中有巨大的应用潜力。首先对国内外的真空开关导通特性研究进展进行了系统介绍，分析了多种类型真空开关的工作特性，评述其优缺点，并对自击穿型沿面闪络真空开关和触发型真空开关的导通机制进行了总结分析；其次分析了关于冷阴极材料的应用研究；然后概括介绍了本课题组在冷阴极真空开关方面的工作进展；最后探讨了冷阴极真空开关的发展趋势，为脉冲功率驱动源的空间环境应用奠定技术基础。
2024, 36: 115002.
doi: 10.11884/HPLPB202436.240345
摘要:
电磁脉冲焊接是脉冲功率技术在材料加工中的应用之一，常采用真空触发开关（TVS）作为放电开关。根据电磁脉冲焊接过程特征，针对课题组所用的ZKTC国产新型TVS，详细探究了ZKTC在其触发阶段、导通阶段与初次放电阶段的工作特性。通过仿真研究了电路参数对ZKTC工作过程的影响；研制了Marx电路与脉冲变压器结合的触发装置，脉宽0～10 μs可调、幅值0～20 kV可调，基于ZKTC搭建了放电能量为27 kJ的脉冲大电流发生器测试平台并开展实验分析。结果表明，触发信号的电压幅值与上升前沿均会显著影响ZKTC触发过程；放电主回路工作电压幅值会影响ZKTC导通阶段中带电粒子的定向迁移速率与放电电流幅值，改变开关放电回路的参数并加快电压下降速度，从而对导通阶段和放电阶段产生明显影响。
电磁脉冲焊接是脉冲功率技术在材料加工中的应用之一，常采用真空触发开关（TVS）作为放电开关。根据电磁脉冲焊接过程特征，针对课题组所用的ZKTC国产新型TVS，详细探究了ZKTC在其触发阶段、导通阶段与初次放电阶段的工作特性。通过仿真研究了电路参数对ZKTC工作过程的影响；研制了Marx电路与脉冲变压器结合的触发装置，脉宽0～10 μs可调、幅值0～20 kV可调，基于ZKTC搭建了放电能量为27 kJ的脉冲大电流发生器测试平台并开展实验分析。结果表明，触发信号的电压幅值与上升前沿均会显著影响ZKTC触发过程；放电主回路工作电压幅值会影响ZKTC导通阶段中带电粒子的定向迁移速率与放电电流幅值，改变开关放电回路的参数并加快电压下降速度，从而对导通阶段和放电阶段产生明显影响。
2024, 36: 115003.
doi: 10.11884/HPLPB202436.240325
摘要:
电触发真空沿面闪络开关(VSFS)具有高导通速度、高绝缘恢复速度、体积小、结构简单等优点，适合于高电压、高功率转换的场合。导通速度和稳定性是VSFS输出性能的重要指标，其影响因素的研究决定了VSFS的优化方向。研究了结构、材料、触发极性对真空沿面闪络开关的输出性能影响。结果表明，体式结构相较于片式结构导通速度更快、更稳定。钛酸钡介质和氮化铝介质具有稳定的脉冲击穿电压，适合作为触发介质。石英的直流耐压高，适合作为主间隙介质。正触发方式下开关的输出指标要优于负触发。
电触发真空沿面闪络开关(VSFS)具有高导通速度、高绝缘恢复速度、体积小、结构简单等优点，适合于高电压、高功率转换的场合。导通速度和稳定性是VSFS输出性能的重要指标，其影响因素的研究决定了VSFS的优化方向。研究了结构、材料、触发极性对真空沿面闪络开关的输出性能影响。结果表明，体式结构相较于片式结构导通速度更快、更稳定。钛酸钡介质和氮化铝介质具有稳定的脉冲击穿电压，适合作为触发介质。石英的直流耐压高，适合作为主间隙介质。正触发方式下开关的输出指标要优于负触发。
2024, 36: 115004.
doi: 10.11884/HPLPB202436.240331
摘要:
固态脉冲功率源在脉冲功率技术领域应用广泛，已经成为新的研究热点，其中，高功率固态开关器件是固态脉冲功率源的核心。报道了一种新型光触发多门极半导体开关（LIMS），该开关具备光致线性模式和场致增益模式两种工作模式，解决了传统电控器件电流上升率低的问题，实现了器件的高电流上升率，光致线性模式下实验测试得到了454 kA/μs的电流上升率，该开关在雷管起爆、电磁脉冲模拟等领域已得到初步应用。
固态脉冲功率源在脉冲功率技术领域应用广泛，已经成为新的研究热点，其中，高功率固态开关器件是固态脉冲功率源的核心。报道了一种新型光触发多门极半导体开关（LIMS），该开关具备光致线性模式和场致增益模式两种工作模式，解决了传统电控器件电流上升率低的问题，实现了器件的高电流上升率，光致线性模式下实验测试得到了454 kA/μs的电流上升率，该开关在雷管起爆、电磁脉冲模拟等领域已得到初步应用。
2024, 36: 115005.
doi: 10.11884/HPLPB202436.240321
摘要:
光斑是影响光导开关导通特性的重要因素之一。探索了激光能量分布对光导开关输出特性的影响，分别采用高斯光和平顶光对同一GaN光导开关导通特性进行了对比测试。结果表明，由于平顶光具有更均匀的能量分布，相比于高斯光触发，在相同外加偏置电压（800 V）下，电压转换效率提升了6.8%。在激光能量为500 μJ时的平顶光触发下进行了加压测试，最大峰值输出电压为4550 V，此时输出功率达到414 kW，上升时间为420 ps，下降时间为5 ns，导通电阻为13.7 Ω。
光斑是影响光导开关导通特性的重要因素之一。探索了激光能量分布对光导开关输出特性的影响，分别采用高斯光和平顶光对同一GaN光导开关导通特性进行了对比测试。结果表明，由于平顶光具有更均匀的能量分布，相比于高斯光触发，在相同外加偏置电压（800 V）下，电压转换效率提升了6.8%。在激光能量为500 μJ时的平顶光触发下进行了加压测试，最大峰值输出电压为
2024, 36: 115006.
doi: 10.11884/HPLPB202436.240161
摘要:
雪崩砷化镓光导开关（PCSS）因其超快开关速度、低触发抖动、光电隔离、高功率容量、高重复频率以及器件结构灵活的特点，得到广泛应用。制备封装了电极间隙为5 mm的异面结构GaAs光导开关，对不同偏置电场下（36～76 kV/cm）开关的暗态和开态的电学特性进行了测试分析，结果表明其具有百皮秒～纳秒量级的上升沿、低暗态泄漏电流（0.15～6.61 μA）、高耐压（18～38 kV）的特点。实验探究了开关工作次数与输出电压峰值的关系，结果表明随着工作次数的增大，输出电压幅值呈台阶型降低趋势，在20 kV、2 Hz条件下，开关寿命达4.0×104次。
雪崩砷化镓光导开关（PCSS）因其超快开关速度、低触发抖动、光电隔离、高功率容量、高重复频率以及器件结构灵活的特点，得到广泛应用。制备封装了电极间隙为5 mm的异面结构GaAs光导开关，对不同偏置电场下（36～76 kV/cm）开关的暗态和开态的电学特性进行了测试分析，结果表明其具有百皮秒～纳秒量级的上升沿、低暗态泄漏电流（0.15～6.61 μA）、高耐压（18～38 kV）的特点。实验探究了开关工作次数与输出电压峰值的关系，结果表明随着工作次数的增大，输出电压幅值呈台阶型降低趋势，在20 kV、2 Hz条件下，开关寿命达4.0×104次。
2024, 36: 115007.
doi: 10.11884/HPLPB202436.240238
摘要:
设计了一种基于砷化镓（GaAs）光电导开关（PCSS）的双极性固态脉冲功率源。通过对两级脉冲形成线（PFL）结构端反射系数的研究，分析了单极性正、负脉冲以及双极性脉冲产生的波过程，并采用PSpice工具开展电路仿真研究。研究了输入端电阻阻抗对脉冲拖尾的影响，提出了脉冲拖尾调制和脉冲宽度调制的方法。基于体结构GaAs PCSS和两级脉冲形成线结构，搭建了电阻隔离的脉冲充电实验平台，采用光路分时触发技术对光电导开关导通时序进行调控。实验结果表明，所研制的双极性固态脉冲功率源在2.5 kV偏压下可产生峰峰值达3.26 kV、脉宽5.6 ns、重复频率1 kHz的双极性纳秒冲激脉冲，验证了将雪崩GaAs PCSS与多级波拓扑结构PFL结合产生双极性纳秒冲激脉冲的可行性。
设计了一种基于砷化镓（GaAs）光电导开关（PCSS）的双极性固态脉冲功率源。通过对两级脉冲形成线（PFL）结构端反射系数的研究，分析了单极性正、负脉冲以及双极性脉冲产生的波过程，并采用PSpice工具开展电路仿真研究。研究了输入端电阻阻抗对脉冲拖尾的影响，提出了脉冲拖尾调制和脉冲宽度调制的方法。基于体结构GaAs PCSS和两级脉冲形成线结构，搭建了电阻隔离的脉冲充电实验平台，采用光路分时触发技术对光电导开关导通时序进行调控。实验结果表明，所研制的双极性固态脉冲功率源在2.5 kV偏压下可产生峰峰值达3.26 kV、脉宽5.6 ns、重复频率1 kHz的双极性纳秒冲激脉冲，验证了将雪崩GaAs PCSS与多级波拓扑结构PFL结合产生双极性纳秒冲激脉冲的可行性。
2024, 36: 115008.
doi: 10.11884/HPLPB202436.240213
摘要:
磁开关具有高功率、高重频、高稳定、长寿命等特点，在脉冲功率领域得到了重要应用。首先，介绍了磁开关技术的发展现状。然后，建立了一种磁开关场路协同仿真模型，分析了不同脉冲宽度下磁开关的磁场扩散及饱和动态特性、层间绝缘特性和损耗特性等；研究了磁芯几何结构对磁开关动态特性的影响。最后，阐述了磁开关技术在固态化高功率脉冲驱动源的应用，以及两路脉冲源合成时磁开关的同步技术。
磁开关具有高功率、高重频、高稳定、长寿命等特点，在脉冲功率领域得到了重要应用。首先，介绍了磁开关技术的发展现状。然后，建立了一种磁开关场路协同仿真模型，分析了不同脉冲宽度下磁开关的磁场扩散及饱和动态特性、层间绝缘特性和损耗特性等；研究了磁芯几何结构对磁开关动态特性的影响。最后，阐述了磁开关技术在固态化高功率脉冲驱动源的应用，以及两路脉冲源合成时磁开关的同步技术。
2024, 36: 115009.
doi: 10.11884/HPLPB202436.240329
摘要:
介绍了基于分数比可饱和脉冲变压器的一体化磁开关组成及其工作原理，可实现固态磁开关、脉冲调制以及电压升压等功能，并给出了该一体化磁开关的三种典型应用，一是应用在高压脉冲触发器中，可实现触发器电压大于100 kV，30 Hz重复频率下抖动小于5 ns；二是用于微秒准方波产生，实现了电压幅值大于50 kV，100 Hz长时间运行；三是作为低阻脉冲形成线的主开关，利用双开关调制产生百纳秒方波脉冲，以实现脉冲功率装置的轻量化。基于分数比可饱和脉冲变压器的一体化磁开关是一种将磁开关和脉冲变压器集成紧凑的脉冲功率器件，能够兼顾变压器高升压比和磁开关低次级饱和电感，对实现脉冲功率器件的固态化、集成紧凑化具有重要的意义。
介绍了基于分数比可饱和脉冲变压器的一体化磁开关组成及其工作原理，可实现固态磁开关、脉冲调制以及电压升压等功能，并给出了该一体化磁开关的三种典型应用，一是应用在高压脉冲触发器中，可实现触发器电压大于100 kV，30 Hz重复频率下抖动小于5 ns；二是用于微秒准方波产生，实现了电压幅值大于50 kV，100 Hz长时间运行；三是作为低阻脉冲形成线的主开关，利用双开关调制产生百纳秒方波脉冲，以实现脉冲功率装置的轻量化。基于分数比可饱和脉冲变压器的一体化磁开关是一种将磁开关和脉冲变压器集成紧凑的脉冲功率器件，能够兼顾变压器高升压比和磁开关低次级饱和电感，对实现脉冲功率器件的固态化、集成紧凑化具有重要的意义。
2024, 36: 115010.
doi: 10.11884/HPLPB202436.240313
摘要:
介绍一种正负极性工作、无需热丝供电配套的伪火花开关，其触发方式可以采用电触发、空间激光触发以及光纤传输激光能量触发。在电触发模式下开关技术指标达到工作电压±60 kV、脉冲电流16.2 kA以及抖动7 ns；空间光触发模式下，开关抖动3 ns（1 mJ/532 nm），最低触发激光能量0.15 mJ；光纤传输激光能量触发工况下（光纤入射端能量7 mJ/出射端5 mJ/532 nm），开关抖动技术指标达到3 ns。
介绍一种正负极性工作、无需热丝供电配套的伪火花开关，其触发方式可以采用电触发、空间激光触发以及光纤传输激光能量触发。在电触发模式下开关技术指标达到工作电压±60 kV、脉冲电流16.2 kA以及抖动7 ns；空间光触发模式下，开关抖动3 ns（1 mJ/532 nm），最低触发激光能量0.15 mJ；光纤传输激光能量触发工况下（光纤入射端能量7 mJ/出射端5 mJ/532 nm），开关抖动技术指标达到3 ns。
2024, 36: 115011.
doi: 10.11884/HPLPB202436.240086
摘要:
当前对于光触发伪火花开关的研究主要集中在使用紫外激光触发，触发物理机制普遍认为是光电发射。然而，当紫外弱聚焦激光在低电场环境中照射光电材料（靶材）时，由光电发射产生的种子电子非常有限。为了进一步揭示紫外弱聚焦激光触发物理机制，利用266 nm紫外弱聚焦激光，搭建了开关测试实验平台和种子电子测试实验平台，研究了激光能量、开关电压、气压、靶材料、触发位置对开关触发特性的影响，分析了种子电子的来源和对触发开关的贡献。研究结果表明，在阴极背面孔边缘触发时，光电发射产生的瞬发电子不是种子电子的主要来源，与烧蚀等离子有关的超快电子才是。因此，当在阴极背面孔边缘触发时，密度和熔沸点低，易烧蚀的材料更适合作为紫外弱聚焦激光触发伪火花开关的靶材。经测试，当在阴极背面孔边缘触发，工作电压为−15 kV，气压为80 Pa（氦气）时，以镁为靶材的开关能实现稳定触发导通的最低激光能量为2 mJ，远低于铜（6 mJ）和钼（8 mJ）。此外，在上述相同条件下，激光在开关阴极孔内壁触发时，触发时延和抖动分别为36.9 ns和1.41 ns，远低于在阴极背面孔边缘触发时的时延和抖动（116.4 ns和5.39 ns）。
当前对于光触发伪火花开关的研究主要集中在使用紫外激光触发，触发物理机制普遍认为是光电发射。然而，当紫外弱聚焦激光在低电场环境中照射光电材料（靶材）时，由光电发射产生的种子电子非常有限。为了进一步揭示紫外弱聚焦激光触发物理机制，利用266 nm紫外弱聚焦激光，搭建了开关测试实验平台和种子电子测试实验平台，研究了激光能量、开关电压、气压、靶材料、触发位置对开关触发特性的影响，分析了种子电子的来源和对触发开关的贡献。研究结果表明，在阴极背面孔边缘触发时，光电发射产生的瞬发电子不是种子电子的主要来源，与烧蚀等离子有关的超快电子才是。因此，当在阴极背面孔边缘触发时，密度和熔沸点低，易烧蚀的材料更适合作为紫外弱聚焦激光触发伪火花开关的靶材。经测试，当在阴极背面孔边缘触发，工作电压为−15 kV，气压为80 Pa（氦气）时，以镁为靶材的开关能实现稳定触发导通的最低激光能量为2 mJ，远低于铜（6 mJ）和钼（8 mJ）。此外，在上述相同条件下，激光在开关阴极孔内壁触发时，触发时延和抖动分别为36.9 ns和1.41 ns，远低于在阴极背面孔边缘触发时的时延和抖动（116.4 ns和5.39 ns）。
2024, 36: 115012.
doi: 10.11884/HPLPB202436.240149
摘要:
用大气压空气下的场畸变火花开关组建一套纳秒脉冲电源，研究了开关不同重复频率（从50 Hz到1300 Hz）触发击穿时的电压工作范围以及吹气的影响，用高压探头和数字示波器记录电压波形。实验结果表明，开关稳定工作（电压低于30 kV、电流峰值小于300 A）的最高重复频率为1300 Hz，因开关击穿后绝缘未完全恢复，稳定工作的最高工作电压\begin{document}$ {V}_{\mathrm{m}\mathrm{a}\mathrm{x}} $\end{document} ![]()
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1300 Hz时很小，大约只有0.5 kV，这是因为高频时绝缘水平低，触发脉冲对击穿电压的降低作用不明显，因此触发条件下的实际工作电压更接近当前的自击穿电压。吹气可以加快气体绝缘恢复，提高最高和最低工作电压。若开关的最高工作电压为工作前自击穿电压30 kV的90%以上，则不吹气时重复频率低于50 Hz，吹气时最高能到500 Hz。
用大气压空气下的场畸变火花开关组建一套纳秒脉冲电源，研究了开关不同重复频率（从50 Hz到
2024, 36: 115013.
doi: 10.11884/HPLPB202436.240324
摘要:
针对初期设计的尼龙外壳同轴三电极开关完成了寿命实验，三只开关样品的寿命分别为20.4万次、43.3万次和15.1万次。根据寿命实验结果同时对开关结构和外壳材料进行了改进，初步实验结果表明，改进后的5只气体开关样品除陶瓷外壳开关提前损坏以外，其余3只有机玻璃外壳开关均已完成30万次寿命实验，并且其自击穿电压各自保持了较好的稳定性，标准偏差未明显变大。补充开展的触发实验结果表明，3只有机玻璃外壳开关触发性能基本稳定。根据自击穿电压的变化情况以及30万次寿命实验后开关的触发延时和抖动等参数，预期改进设计开关的寿命将会超过原初设计开关。
针对初期设计的尼龙外壳同轴三电极开关完成了寿命实验，三只开关样品的寿命分别为20.4万次、43.3万次和15.1万次。根据寿命实验结果同时对开关结构和外壳材料进行了改进，初步实验结果表明，改进后的5只气体开关样品除陶瓷外壳开关提前损坏以外，其余3只有机玻璃外壳开关均已完成30万次寿命实验，并且其自击穿电压各自保持了较好的稳定性，标准偏差未明显变大。补充开展的触发实验结果表明，3只有机玻璃外壳开关触发性能基本稳定。根据自击穿电压的变化情况以及30万次寿命实验后开关的触发延时和抖动等参数，预期改进设计开关的寿命将会超过原初设计开关。
2024, 36: 115014.
doi: 10.11884/HPLPB202436.240141
摘要:
高功率容量的气体开关是国内外大型脉冲功率装置的首选，但因气体放电随机性导致的自击穿电压抖动一直以来是脉冲功率装置的瓶颈问题。电极是影响气体开关稳定性和寿命的关键，开关设计总要面临低抖动和长寿命之间的取舍，提出一种兼顾低抖动、长寿命特性的球墨铸铁气体开关。基于对球墨铸铁材料的特性分析，提出球墨均布于电极有利于提高气体开关击穿稳定性的机制，且球状石墨均布于整个电极体内，相比表面结构，具有长寿命的原生优势。设计开展了单级开关稳定性测试实验，结果表明球墨铸铁电极可将传统电极结构3%～4%的重频自击穿抖动有效降低至2.5%。最终利用低抖动球墨电极，设计了5级1 MV等自击穿概率型全密封气体开关，开关抖动进一步降低至2%以下。在测试电压范围960～980 kV，放电电流约9 kA，无维护条件下开展了开关30万脉冲寿命考核，自击穿抖动维持在2%以下，最优达1.7%。开关导通前沿小于5 ns，传输效率大于90%。此结果展现了球墨铸铁作为气体开关电极的应用潜力。
高功率容量的气体开关是国内外大型脉冲功率装置的首选，但因气体放电随机性导致的自击穿电压抖动一直以来是脉冲功率装置的瓶颈问题。电极是影响气体开关稳定性和寿命的关键，开关设计总要面临低抖动和长寿命之间的取舍，提出一种兼顾低抖动、长寿命特性的球墨铸铁气体开关。基于对球墨铸铁材料的特性分析，提出球墨均布于电极有利于提高气体开关击穿稳定性的机制，且球状石墨均布于整个电极体内，相比表面结构，具有长寿命的原生优势。设计开展了单级开关稳定性测试实验，结果表明球墨铸铁电极可将传统电极结构3%～4%的重频自击穿抖动有效降低至2.5%。最终利用低抖动球墨电极，设计了5级1 MV等自击穿概率型全密封气体开关，开关抖动进一步降低至2%以下。在测试电压范围960～980 kV，放电电流约9 kA，无维护条件下开展了开关30万脉冲寿命考核，自击穿抖动维持在2%以下，最优达1.7%。开关导通前沿小于5 ns，传输效率大于90%。此结果展现了球墨铸铁作为气体开关电极的应用潜力。
2024, 36: 115015.
doi: 10.11884/HPLPB202436.240291
摘要:
开关电容器组成的初级放电支路是快脉冲直线变压器（FLTD）的基本单元，在输出电流幅值和前沿不变的前提下，降低单元回路电感可有效减少放电支路及气体开关的使用数量，从而提高FLTD的整体可靠性。因此，设法降低初级支路电感是FLTD关键技术。基于开关电容一体化技术研制了一台低电感FLTD初级放电单元，采用环形高压脉冲电容器作为能量储能元件，其工作电压100 kV，电容量39.6 nF，内电感8.8 nH。实验测试了初级放电单元的工作特性，结果表明：在±50 kV工作电压下，初级放电单元的短路电流幅值40 kA，前沿50 ns，回路电感为101 nH；在±80 kV工作电压下，初级放电单元对匹配负载的输出电流幅值为30 kA，前沿66 ns。
开关电容器组成的初级放电支路是快脉冲直线变压器（FLTD）的基本单元，在输出电流幅值和前沿不变的前提下，降低单元回路电感可有效减少放电支路及气体开关的使用数量，从而提高FLTD的整体可靠性。因此，设法降低初级支路电感是FLTD关键技术。基于开关电容一体化技术研制了一台低电感FLTD初级放电单元，采用环形高压脉冲电容器作为能量储能元件，其工作电压100 kV，电容量39.6 nF，内电感8.8 nH。实验测试了初级放电单元的工作特性，结果表明：在±50 kV工作电压下，初级放电单元的短路电流幅值40 kA，前沿50 ns，回路电感为101 nH；在±80 kV工作电压下，初级放电单元对匹配负载的输出电流幅值为30 kA，前沿66 ns。
2024, 36: 115016.
doi: 10.11884/HPLPB202436.240005
摘要:
开关触发前发生的低概率自击穿故障，是制约直线变压器驱动源（LTD）技术发展和工程应用的主要因素。针对多间隙气体开关的自放电概率展开研究，设计了简化结构的气体开关来测量更高气压下的自击穿电压；推导了考虑间隙分压不均的开关自击穿电压累积分布函数，计算LTD工作气压下的多间隙开关自击穿电压分布特性并进行实验验证；通过超越阈值方法对低工作系数下的小概率自放电事件进行威布尔分布拟合，得到自放电概率估计值；对气体开关开展了万发次考核实验，得到自放电概率测量值。结果表明：开关的自击穿电压分散性随着气压升高而增加，测量低气压下的自击穿电压无法外推得到实际工作高气压条件下的自放电概率；开关工作系数为65%和60%时，气体开关的自放电概率估计值为\begin{document}$1.44 \times {10^{ - 4}}$\end{document} ![]()
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\begin{document}$3.01 \times {10^{ - 5}}$\end{document} ![]()
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开关触发前发生的低概率自击穿故障，是制约直线变压器驱动源（LTD）技术发展和工程应用的主要因素。针对多间隙气体开关的自放电概率展开研究，设计了简化结构的气体开关来测量更高气压下的自击穿电压；推导了考虑间隙分压不均的开关自击穿电压累积分布函数，计算LTD工作气压下的多间隙开关自击穿电压分布特性并进行实验验证；通过超越阈值方法对低工作系数下的小概率自放电事件进行威布尔分布拟合，得到自放电概率估计值；对气体开关开展了万发次考核实验，得到自放电概率测量值。结果表明：开关的自击穿电压分散性随着气压升高而增加，测量低气压下的自击穿电压无法外推得到实际工作高气压条件下的自放电概率；开关工作系数为65%和60%时，气体开关的自放电概率估计值为
2024, 36: 115017.
doi: 10.11884/HPLPB202436.240206
摘要:
12级串联太瓦级直线型变压器驱动源（LTD）采用内置时序触发新方法，对触发支路气体开关提出了低自放概率、低触发阈值、低抖动、触发延时可调的技术要求。介绍了自行研制的基于电阻均压/电晕辅助触发技术的气体开关结构和工作原理；建立了气体开关特性测试平台，完成了12只气体开关的老练和击穿特性测试；开关应用于12级LTD脉冲源级联触发实验，获得了不同工作电压、工作系数下的触发特性参数。实验结果表明：开关工作电压±60～±80 kV，工作系数60%～80%，抖动小于2 ns，500余发实验未发生自放电，实现了12级LTD脉冲源触发支路按理想时序依次导通，触发时序系数0.83～1.17范围内可调。
12级串联太瓦级直线型变压器驱动源（LTD）采用内置时序触发新方法，对触发支路气体开关提出了低自放概率、低触发阈值、低抖动、触发延时可调的技术要求。介绍了自行研制的基于电阻均压/电晕辅助触发技术的气体开关结构和工作原理；建立了气体开关特性测试平台，完成了12只气体开关的老练和击穿特性测试；开关应用于12级LTD脉冲源级联触发实验，获得了不同工作电压、工作系数下的触发特性参数。实验结果表明：开关工作电压±60～±80 kV，工作系数60%～80%，抖动小于2 ns，500余发实验未发生自放电，实现了12级LTD脉冲源触发支路按理想时序依次导通，触发时序系数0.83～1.17范围内可调。
2024, 36: 115018.
doi: 10.11884/HPLPB202436.240305
摘要:
为实现脉冲驱动源气体主开关的精确控制技术，研制了基于电晕稳定机理的气体触发开关，并对稳定电晕放电过程以及高能逃逸电子对击穿稳定性的影响进行分析，揭示了抑制高能逃逸电子产生有助于增加气体开关自击穿稳定性的机制。从气体介质和电场条件两个方面进行实验研究，对比该型气体开关的自击穿稳定性，实验结果表明：在气压0.06 MPa至0.56 MPa范围内，气体开关充15%SF6/N2混合气体，其自击穿离散度不超过6%，最低可达1.4%；当SF6/N2混合气体内的电负性气体占比小于30%时，气体开关的自击穿电压离散度保持在2%~4%范围内；在充电电压小于1800 V范围内，改变间隙内电场的时域变化速度，可降低自击穿电压的离散度，当电压上升速度为12.4 kV/μs时，自击穿电压为242 kV，离散度为0.2%；在0.3 MPa的15%SF6/N2混合气体内，降低触发极尖端的场不均匀系数，击穿稳定性未得到明显改善，但是在电场时域变化速度增加时，自击穿电压离散度依然可以保持在1%以下；利用沟槽型触发极代替楔形触发极，击穿电压离散度最低可达0.15%，且击穿电压稳定在248 kV附近。
为实现脉冲驱动源气体主开关的精确控制技术，研制了基于电晕稳定机理的气体触发开关，并对稳定电晕放电过程以及高能逃逸电子对击穿稳定性的影响进行分析，揭示了抑制高能逃逸电子产生有助于增加气体开关自击穿稳定性的机制。从气体介质和电场条件两个方面进行实验研究，对比该型气体开关的自击穿稳定性，实验结果表明：在气压0.06 MPa至0.56 MPa范围内，气体开关充15%SF6/N2混合气体，其自击穿离散度不超过6%，最低可达1.4%；当SF6/N2混合气体内的电负性气体占比小于30%时，气体开关的自击穿电压离散度保持在2%~4%范围内；在充电电压小于
2024, 36: 115019.
doi: 10.11884/HPLPB202436.240311
摘要:
针对一种应用于高功率重复频率Marx型脉冲功率源的两电极火花间隙气体开关，开展了火花通道电阻及其热效应特性研究，分析了火花间隙通道电阻热效应的影响因素，研究了重复频率连续工作条件下开关腔体内温度及气压变化。研究结果表明，开关腔体内气压和温度随着工作时间增长呈现先快速增加然后缓慢增长趋于稳定的趋势，脉冲电流幅值的增长对热量沉积的增加效果非常明显。基于中研制的两电极火花间隙开关，在导通峰值电流14.7 kA、脉冲宽度160 ns的条件下连续运行9 000个脉冲，开关通道产生热量约36.6 kJ，在电流导通时间内，通过焦耳热效应计算得到开关导通时间内火花通道电阻平均值约0.12 Ω。
针对一种应用于高功率重复频率Marx型脉冲功率源的两电极火花间隙气体开关，开展了火花通道电阻及其热效应特性研究，分析了火花间隙通道电阻热效应的影响因素，研究了重复频率连续工作条件下开关腔体内温度及气压变化。研究结果表明，开关腔体内气压和温度随着工作时间增长呈现先快速增加然后缓慢增长趋于稳定的趋势，脉冲电流幅值的增长对热量沉积的增加效果非常明显。基于中研制的两电极火花间隙开关，在导通峰值电流14.7 kA、脉冲宽度160 ns的条件下连续运行9 000个脉冲，开关通道产生热量约36.6 kJ，在电流导通时间内，通过焦耳热效应计算得到开关导通时间内火花通道电阻平均值约0.12 Ω。
2024, 36: 115020.
doi: 10.11884/HPLPB202436.240328
摘要:
超导托卡马克装置通过极高的磁场来约束高温等离子体，以实现可控核聚变反应。为了保证超导磁体的安全运行，失超保护系统中需要爆炸开关实现至关重要的后备保护。对15 kV爆炸开关中最关键的电流触头进行了建模，针对爆炸及触头开断过程进行了数值分析，计算了触头分断所需要的爆轰压力，以及爆炸产生的压力分布规律。通过试验验证了数值模拟的准确性，这为爆炸开关的理论设计提供了基础。
超导托卡马克装置通过极高的磁场来约束高温等离子体，以实现可控核聚变反应。为了保证超导磁体的安全运行，失超保护系统中需要爆炸开关实现至关重要的后备保护。对15 kV爆炸开关中最关键的电流触头进行了建模，针对爆炸及触头开断过程进行了数值分析，计算了触头分断所需要的爆轰压力，以及爆炸产生的压力分布规律。通过试验验证了数值模拟的准确性，这为爆炸开关的理论设计提供了基础。
2024, 36: 115021.
doi: 10.11884/HPLPB202436.240234
摘要:
层叠Blumlein脉冲发生器具有灵活紧凑的优点，但由于开关隔离问题没有得到广泛运用。设计了一种集成隔离全固态层叠Blumlein脉冲发生器，利用4绕组共模电感为脉冲形成网络充电、驱动供电和高电压隔离的器件，解决了半导体开关应用于层叠Blumlein脉冲发生器的问题。首先介绍了隔离的原理，设计了包含共模电感和同步光触发隔离组件，以及基于IGBT开关阵列的Blumlein脉冲形成网络，分析了层叠Blumlein脉冲发生器的充放电过程；其次，对设计的Blumlein脉冲形成网络与层叠Blumlein脉冲发生器进行电路仿真；搭建了8级层叠Blumlein脉冲发生器，在匹配负载上实验得到电压30.0 kV、电流604 A、脉宽237 ns的方波脉冲。
层叠Blumlein脉冲发生器具有灵活紧凑的优点，但由于开关隔离问题没有得到广泛运用。设计了一种集成隔离全固态层叠Blumlein脉冲发生器，利用4绕组共模电感为脉冲形成网络充电、驱动供电和高电压隔离的器件，解决了半导体开关应用于层叠Blumlein脉冲发生器的问题。首先介绍了隔离的原理，设计了包含共模电感和同步光触发隔离组件，以及基于IGBT开关阵列的Blumlein脉冲形成网络，分析了层叠Blumlein脉冲发生器的充放电过程；其次，对设计的Blumlein脉冲形成网络与层叠Blumlein脉冲发生器进行电路仿真；搭建了8级层叠Blumlein脉冲发生器，在匹配负载上实验得到电压30.0 kV、电流604 A、脉宽237 ns的方波脉冲。
2024, 36: 115022.
doi: 10.11884/HPLPB202436.240252
摘要:
延迟击穿特性在实现PIN二极管开关快速导通方面起着至关重要的作用。面对延迟击穿导通时间短导致物理过程分析困难的挑战，设计并验证了一种基于PIN结构的二极管集约模型。首先设计了一个基于PIN结构的二极管仿真模型，通过TCAD软件对该模型进行求解，结果显示在上升沿为520 V/ns、幅值为1000 V的快速高压触发脉冲作用下，二极管的击穿电压可达到其静态反向击穿电压的1.76倍，之后结合导通过程中的载流子浓度变化和电场变化情况对所建立模型的准确性作了进一步验证。其次，基于双极载流子扩散理论并结合TCAD仿真得到的参数，采用拉普拉斯变换和Pade逼近方法，对二极管的基区参数进行了等效电路处理。在此基础上利用基区的等效电路参数以及电导调制效应，建立了基于延迟击穿特性的PIN二极管集约模型。在Pspice软件中对该模型进行了仿真验证，结果显示在相同的触发脉冲作用下，二极管器件导通过程与TCAD仿真结果基本一致。本研究为探索快速导通二极管的反向延迟击穿特性提供了一种简单可行的电路分析方法。
延迟击穿特性在实现PIN二极管开关快速导通方面起着至关重要的作用。面对延迟击穿导通时间短导致物理过程分析困难的挑战，设计并验证了一种基于PIN结构的二极管集约模型。首先设计了一个基于PIN结构的二极管仿真模型，通过TCAD软件对该模型进行求解，结果显示在上升沿为520 V/ns、幅值为
2024, 36: 115023.
doi: 10.11884/HPLPB202436.240316
摘要:
针对加速器传统闸流管半正弦冲击磁铁脉冲电源的低重频以及短寿命问题，研制了一种基于LC谐振放电的半正弦感应叠加脉冲电源。脉冲的产生由两种开关配合控制，变压器初级IGBT作为主动脉冲开启开关，次级高压硅堆作为被动脉冲关断开关，这种设计提高了有较长关断延时的大功率IGBT在窄脉冲应用的可能性。电源利用变压器磁芯饱和的特性，通过感应叠加初级二次反向谐振实现储能电容能量的自回收，降低了电路的充电时间以及热损耗。通过结合PSpice软件仿真和电路实验，研制出了一台5级叠加的脉冲电源原理样机。测试结果表明，相较于传统闸流管半正弦脉冲电源，该脉冲电源可实现更高的脉冲重复频率以及更低的功率损耗，可为加速器半正弦冲击磁铁系统提供更多设计选择方案。
针对加速器传统闸流管半正弦冲击磁铁脉冲电源的低重频以及短寿命问题，研制了一种基于LC谐振放电的半正弦感应叠加脉冲电源。脉冲的产生由两种开关配合控制，变压器初级IGBT作为主动脉冲开启开关，次级高压硅堆作为被动脉冲关断开关，这种设计提高了有较长关断延时的大功率IGBT在窄脉冲应用的可能性。电源利用变压器磁芯饱和的特性，通过感应叠加初级二次反向谐振实现储能电容能量的自回收，降低了电路的充电时间以及热损耗。通过结合PSpice软件仿真和电路实验，研制出了一台5级叠加的脉冲电源原理样机。测试结果表明，相较于传统闸流管半正弦脉冲电源，该脉冲电源可实现更高的脉冲重复频率以及更低的功率损耗，可为加速器半正弦冲击磁铁系统提供更多设计选择方案。
2024, 36: 115024.
doi: 10.11884/HPLPB202436.240330
摘要:
基于雪崩晶体管的Marx电路常用于产生高压纳秒脉冲，输出波形通常具有前沿时间百ps量级、指数型放电后沿、kV级输出电压等特征。然而这种电路结构的典型输出波形后沿通常存在振荡或畸变；Marx电路的储能电容较大时，波形前沿还会出现尖峰振荡；已有研究对此关注较少或将其归因于电路杂散参数、阻抗匹配的影响。从雪崩晶体管动态导通过程的角度进行了仿真分析，并对储能电容取值、Marx电路级数、充电电压等因素的影响开展了实验研究。结果表明，雪崩晶体管自身过压导通状态是引起波形振荡的关键因素；储能电容越大、Marx级数越低、充电电压越小，则振荡的现象越明显，振荡幅值甚至能够高于晶体管雪崩击穿形成的快前沿尖峰，此时快前沿尖峰即体现为波形前沿上的振荡。通过调整Marx电路储能电容大小、优化微带线结构等方式可改善输出波形振荡。
基于雪崩晶体管的Marx电路常用于产生高压纳秒脉冲，输出波形通常具有前沿时间百ps量级、指数型放电后沿、kV级输出电压等特征。然而这种电路结构的典型输出波形后沿通常存在振荡或畸变；Marx电路的储能电容较大时，波形前沿还会出现尖峰振荡；已有研究对此关注较少或将其归因于电路杂散参数、阻抗匹配的影响。从雪崩晶体管动态导通过程的角度进行了仿真分析，并对储能电容取值、Marx电路级数、充电电压等因素的影响开展了实验研究。结果表明，雪崩晶体管自身过压导通状态是引起波形振荡的关键因素；储能电容越大、Marx级数越低、充电电压越小，则振荡的现象越明显，振荡幅值甚至能够高于晶体管雪崩击穿形成的快前沿尖峰，此时快前沿尖峰即体现为波形前沿上的振荡。通过调整Marx电路储能电容大小、优化微带线结构等方式可改善输出波形振荡。
