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层叠脉冲功率发生器初步研究

作　者: 侯锐
导　师: 张建德；杨建华
学　校: 国防科学技术大学
专　业: 物理电子学
关键词: 层叠脉冲功率发生器高梯度绝缘结构电感参数影响初步方案设计
分类号: TN782
类　型: 硕士论文
年　份: 2009年
下　载: 19次
引　用: 2次
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内容摘要

层叠脉冲功率发生器(Stacked pulse power generator, SPPG)具备小型化、紧凑化、全固态化的优点,在国内外引起了广泛关注。本文通过对SPPG的理论分析和模拟研究,设计并研制了一台四级层叠Blumlein线脉冲功率发生器。在此平台上开展了相关实验研究,并在实验的基础上进行了驱动微波源输出指标的初步方案设计。论文内容主要包括以下几个方面:1.传输线绝缘介质的选取。介绍了固体绝缘介质电气特性的相关理论及高梯度绝缘结构的耐压机理,开展了聚酯薄膜和金属化绝缘膜的耐压特性实验。研究结果表明:金属化绝缘膜虽然在模拟高梯度绝缘结构方面表现出优良的耐压性能,但在稳定性和易用性上仍不成熟;相比之下,聚酯薄膜在保证耐压指标的前提下,性能稳定、应用成熟,适合初步实验研究使用。因此,在SPPG传输线的制作中,选择了聚酯薄膜作为填充介质。2. SPPG相关理论介绍。对平板传输线的工作机理及其波过程等相关理论进行了介绍,利用无损传输线模型得到了平板线特征阻抗、传输延时、脉冲宽度等相关参数。介绍了层叠线的倍压输出原理及几种常见的倍压输出形式,给出后续研究的理论基础。3. SPPG全电路模拟研究。对SPPG全电路图参数进行了介绍,利用PSpice软件模拟了电路输出结果,并在此基础上分析了几个关键电感参数对电路输出的影响。结果表明:开关连线电感超过50nH输出波形就会产生严重畸变;叠加电感间连线电感超过1μH会严重影响接负载条件下的叠加输出效果;负载回路电感超过500nH则会影响输出波形的上升沿和下降沿。4.研制一台四级SPPG并针对驱动微波源输出指标进行初步方案设计。通过计算确定了SPPG传输线的结构和相关参数:采用三平板结构,中间平板充电,两边平板接地,避免杂散参数影响;传输线导体铜带长20m、宽80mm、厚0.1mm,铜带间各填充4层聚酯薄膜,其单层宽140mm、厚0.2mm、耐压20kV以上。开展了SPPG低压验证实验研究,在12V直流电源充电情况下,开路获得了四级叠加电压96V、脉宽194ns、上升沿小于30ns的输出,并在匹配负载上验证了两级叠加的输出效果。在低压验证实验基础上,进行了单级充电25kV高压测试实验,在匹配负载上获得了电压23kV、脉宽188ns的输出。此外,还针对驱动微波源输出指标进行了初步方案设计,为SPPG的实际应用提供了参考。

全文目录

摘要  9-10
ABSTRACT  10-12
第一章绪论  12-20
  1.1 层叠线装置国内外研究现状  12-18
  1.2 课题选题依据及论文的主要内容  18-20
    1.2.1 选题依据  18
    1.2.2 论文的主要内容  18-20
第二章传输线绝缘介质的选取  20-33
  2.1 固体绝缘介质电气特性介绍  20-25
    2.1.1 固体电介质的极化、电导和损耗  20-23
    2.1.2 固体电介质的击穿理论  23-24
    2.1.3 影响固体介质击穿电压的主要因素  24-25
  2.2 高梯度绝缘结构耐压特性介绍  25-31
    2.2.1 HGI 结构耐压机理分析  26-28
    2.2.2 利用金属化绝缘膜开展的HGI 结构耐压实验  28-31
  2.3 适合SPPG 传输线绝缘介质的选取  31-32
  2.4 本章小结  32-33
第三章层叠脉冲功率发生器理论介绍  33-48
  3.1 平板传输线理论介绍  33-41
    3.1.1 平板传输线的一般理论  33-35
    3.1.2 传输线中波过程的分析  35-38
    3.1.3 平板Blumlein 线对负载放电过程分析  38-41
  3.2 层叠线倍压发生器理论介绍  41-47
    3.2.1 层叠线倍压器的一般理论  42
    3.2.2 常见的几种层叠线倍压器实现形式  42-47
  3.3 本章小结  47-48
第四章层叠脉冲功率发生器的模拟研究  48-58
  4.1 PSpice 软件简介  48-49
  4.2 SPPG 的全电路模拟  49-52
    4.2.1 SPPG 全电路图参数介绍  49-50
    4.2.2 理想和实际情况下SPPG 的模拟输出  50-52
  4.3 电感参数对电路输出的影响  52-57
    4.3.1 开关连线电感对输出波形的影响  52-53
    4.3.2 叠加电感间连线电感对输出波形的影响  53-56
    4.3.3 负载回路电感对输出波形的影响  56-57
  4.4 本章小结  57-58
第五章层叠脉冲功率发生器的实验研究  58-70
  5.1 SPPG 的设计与分析  58-62
    5.1.1 SPPG 传输线的设计  59-61
    5.1.2 闭合开关对SPPG 输出脉冲前沿的影响  61-62
  5.2 SPPG 的实验结果  62-66
    5.2.1 低压验证实验结果  62-65
    5.2.2 高压测试实验结果  65-66
  5.3 驱动微波源输出指标的初步方案设计  66-68
  5.4 本章小结  68-70
第六章总结与展望  70-73
  6.1 主要工作和结论  70-72
  6.2 今后工作展望  72-73
致谢  73-74
参考文献  74-78
攻读硕士学位期间发表（或已录用）的学术论文  78

层叠脉冲功率发生器初步研究

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