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电晕稳定开关的研究

作　者: 邱云
导　师: 金晓
学　校: 中国工程物理研究院
专　业: 无线电物理
关键词: 电晕稳定开关针电极高重复频率 Marx发生器开关寿命
分类号: TN135.2
类　型: 硕士论文
年　份: 2010年
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内容摘要

重复脉冲功率技术是脉冲功率技术发展方向之一。传统的均匀场气体火花开关由于其结构简单、耐压高、通流能力强等优点常被用作为脉冲功率的开关元件,但因受限于开关绝缘恢复时间,开关重复频率一般被限制在几十Hz,无法实现高重复频率运行。电晕稳定开关是对传统气体火花开关结构进行的简单改进,通过设计极不均匀场间隙,实现在直流或慢充电情形下脉冲功率系统的高重复频率运行。本文的研究工作主要围绕针板结构电晕稳定开关的静态特性、触发特性、开关寿命以及重复频率特性等内容展开。通过设计单针电晕稳定开关,总结了针板结构型开关设计的思路和技巧。单针电晕稳定开关静态和动态实验研究表明：当开关针电极直径为2mm,主间隙为10mm和触发间隙为2.5mm时,开关击穿时延和抖动可以分别控制在40ns和4ns以内,说明电晕稳定开关满足脉冲功率系统对多个开关导通分散性和稳定性的要求。在以上研究基础上,设计了三针触发型和六针自击穿型电晕稳定开关,搭建了一台全电感隔离型4级Marx发生器。通过该发生器的电路模拟和实验研究,可以得到如下初步结论：电晕稳定开关最大稳定工作电流可以达到2kA；四级发生器在单次脉冲能量22J,负载为300Ω时,可以得到重复频率频为200Hz,电压幅值为130kV,前沿为110ns的脉冲输出。说明电晕稳定开关能够实现较高重复频率的稳定运行,一定程度上提高Marx发生器的重复频率。从多针开关电极烧蚀结果推断,多针开关可以有效延长开关针电极的寿命。

全文目录

摘要  3-4
ABSTRACT  4-8
第一章绪论  8-14
  1.1 电晕稳定开关及其研究现状  8-11
    1.1.1 电晕稳定开关  8-9
    1.1.2 电晕稳定开关研究现状  9-11
  1.2 课题研究背景和意义  11-12
  1.3 论文主要内容  12-14
第二章电晕稳定开关的基本理论  14-25
  2.1 气体开关导通的基本理论  14-17
    2.1.1 气体放电流柱理论  14
    2.1.2 电晕放电理论  14-17
  2.2 影响电晕稳定开关重复频率的因素  17-21
    2.2.1 电场对重复频率的影响  18-19
    2.2.2 气体类型对电晕稳定开关重复频率的影响  19-21
  2.3 影响开关通流能力的一般因素  21-23
  2.4 电极材料对电晕稳定开关寿命的影响  23-24
  2.5 本章小结  24-25
第三章单针触发电晕稳定开关的设计及参数计算  25-41
  3.1 触发电晕稳定开关电极结构的选择  25
  3.2 盘式触发针板电晕稳定开关的工作原理  25-27
  3.3 开关的设计  27-34
    3.3.1 电极参数和间隙距离的初步确定  27-31
    3.3.2 开关工作气压  31
    3.3.3 开关电极设计  31-34
    3.3.4 开关整体设计  34
  3.4 针板电晕稳定开关的电场仿真  34-37
  3.5 开关的相关性能参数计算  37-40
    3.5.1 开关起晕电压的计算  37-38
    3.5.2 开关导通时间  38-39
    3.5.3 开关电感的计算  39-40
  3.6 本章小结  40-41
第四章单针电晕稳定开关的实验研究  41-55
  4.1 开关静态实验研究  41-46
    4.1.1 开关V/p曲线测试实验线路  41
    4.1.2 实验结果分析  41-43
    4.1.3 电晕放电过程实验研究  43-46
  4.2 开关触发特性实验研究  46-54
    4.2.1 开关触发实验装置  46-47
    4.2.2 电压极性组合对开关触发特性的影响  47-48
    4.2.3 触发电压对触发时延和抖动的影响  48-50
    4.2.4 触发电压对导通时延的影响  50-52
    4.2.5 触发间隙对导通时延的影响  52-54
  4.3 本章小结  54-55
第五章多针电晕稳定开关在MARX发生器中的应用研究  55-86
  5.1 高压纳秒MARX发生器电路分析  55-56
  5.2 全电感隔离型MARX发生器的原理  56-59
    5.2.1 Marx发生器恒流源充电时间  56-57
    5.2.2 全电感隔离型Marx发生器放电回路  57-59
    5.2.3 隔离电感的选取  59
  5.3 波建立MARX发生器倍压原理  59-60
  5.4 多针电晕稳定开关电极主要参数设计  60-63
    5.4.1 六针自触发电晕稳定开关  60-61
    5.4.2 三针触发电晕稳定开关  61-62
    5.4.3 开关参数计算  62-63
  5.5 四级MARX发生器电路PSPICE仿真  63-72
  5.6 四级MARX发生器实验研究  72-85
    5.6.1 实验装置  72-74
    5.6.2 电路充电时间  74
    5.6.3 不同负载下的单次实验  74-80
    5.6.4 不同负载下的重频实验  80-83
    5.6.5 重复频率实验中开关寿命问题  83-85
  5.7 本章小结  85-86
第六章结论与展望  86-89
  6.1 结论  86-87
  6.2 研究特点及创新  87
  6.3 论文不足之处  87
  6.4 有待进一步研究之处  87-89
致谢  89-90
参考文献  90-93
附录  93

电晕稳定开关的研究

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