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10 GW级重复频率高功率微波驱动源小型化技术

文章来源:科技信息中心编辑室   时间:2019-07-29 访问数:

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作为高功率微波系统的前级驱动源,传统脉冲功率源系统的体积/重量占比超过70%,如Tesla型、LTD型等,并且价格相对昂贵, 因此,发展小型化、高可靠、低成本的脉冲功率源系统是实现高功率微波技术长远发展目标的基础,是必须掌握的核心技术之一。同时,小型化、高可靠、低成本也是脉冲功率源得以工业化、实用化的必经之路。在未来高功率微波技术的应用领域中,适合的体积重量则是脉冲功率源得以广泛应用的基本前提,小型便携化始终是产品发展的主流方向、低成本是未来工业化、产品化的目标。

另一方面,随着脉冲功率技术应用领域的不断拓宽,单纯追求高峰值功率的脉冲功率源已经不能满足多样化的应用需求,相比之下重复频率的高质量脉冲波形越来越受到了研究者的重视。因为脉冲波形的上升速率、平顶稳定度、脉宽等关键参数直接影响相关具体应用是否能够达到预期的效果。近年来,基于提高能量利用效率的发展要求和微波效应研究结果,百纳秒级近方波高压脉冲的获得成为研究者关注的焦点之一。可见,发展小型轻量化、能够输出百纳秒近方波脉冲的高可靠脉冲功率源系统具有重要意义,是未来脉冲功率技术发展的主流方向之一。

早在2008年本课题组就提出小型化高功率微波源的设计思路和实现方式,并开展了相关技术研究,经过多年攻关,本课题组在许多关键技术上取得重要进展,突破了高储能密度的储能/脉冲成形一体化技术、低抖动重复频率气体开关技术、低抖动高能触发技术、紧凑型多级Marx串叠技术等一系列关键技术,成功将脉冲功率源体积重量缩减至传统技术路线的1/5,为高功率微波技术的应用提供了一条新的技术途径。

1  基于低压储能与脉冲形成一体化技术的新型电路拓扑结构

传统的重复频率高功率微波驱动源通常以低电压储能、升压、高压脉冲形成线、输出的顺序工作。因而系统至少包括低压储能和高压脉冲形成线两个储能环节,同时高压脉冲形成线的体积随着电压的升高快速增长。针对这些问题,课题组提出了一种Marx型重复频率高功率微波驱动源技术路线。基于直接驱动可提高能量效率从而提高单位体积输出能量的认知,将储能单元直接输出准方波波形,低压储能单元兼具储能和脉冲成形功能,称之为储能与脉冲成形一体化单元。以小型化为目标,提出了一种低压储能与脉冲形成一体化技术路线。该新型技术方式克服了传统技术先储能、升压然后再形成准方波脉冲的思路,采用升压与脉冲成形同步的技术方式,实现了高功率重复频率高压准方波脉冲输出。本技术基于直接驱动可提高能量效率从而提高单位体积输出能量的认知,将储能单元直接输出准方波波形。低压储能单元兼具储能和脉冲成形功能,称之为储能与脉冲成形一体化单元。本技术方式克服了传统重复频率高功率微波驱动源以低电压储能、升压、高压脉冲形成线、输出的顺序工作带来的能量转换效率低的问题,采用直接输出技术,能量输出效率可达85%以上。本技术的提出减少了储能转换环节、提高了能量利用效率,从而进一步降低了附属供电系统的体积重量。在电路结构上,该新型电路结构采用正负充电方式,减小了气体开关的级数,有利于系统的小型化;同时,去掉了传统电路的对地电感,利用充电电源与脉冲成形模块回路特点进行充电,由于去掉了传统电感,从而更有利于系统的小型化,如图1所示。

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2  快前沿低抖动长时间重复频率稳定运行的技术

Marx型电路结构式是最简单的高压串叠技术路线,而高电压(1 MV)、大电流(10 kA)、重复频率(10~100 Hz)Marx型高功率微波驱动源的技术难点是快前沿、重复频率、低抖动、长时间运行技术。本项目利用平板传输线互感原理和同端输出设计,有效减小了回路电感,提高了脉冲输出波形的前沿,实现了前沿约40 ns的高压快脉冲输出。低抖动特性是衡量重复频率脉冲功率源稳定性的关键指标。通常采用触发开关技术以获得低的输出抖动,因而输出抖动主要由气体开关固有的输出抖动和触发脉冲的输出抖动共同决定,就要求触发脉冲必须具有极低的输出抖动和高的稳定性。相比激光触发技术,虽然电触发技术的输出抖动和稳定性相对差些,但其成本较低、结构简单、抗干扰能力强,利于工程化实现。本项目提出了一种低抖动电触发技术并用设计了一种低抖动重复频率触发源。为降低其输出抖动,设计了高度仅42 mm,直径约170 mm的紧凑化气体开关,如图2所示,采用环形轨道式放电电极设计减小气体开关导通电感,采用平面触发极设计增加其稳定性和使用寿命,通过引入气体循环置换系统加速气体恢复,从而显著降低了气体开关的输出抖动,并将其寿命提高一个量级。为验证该技术思想及技术路线的可行性,基于该技术方式,进行了实验研究,获得了输出功率约10 GW、输出电流约14 kA、重复频率30 Hz的实验结果,运行10万次无故障。典型实验波形如图3所示。

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3  双电容结构储能与脉冲形成一体化技术

脉冲成形单元是脉冲功率源系统的核心组成部分,其输出特性决定了脉冲功率源的输出脉宽和波形等,同时也是影响脉冲功率源体积重量的主要因素。基于直接驱动思想,设计了集储能和脉冲成形功能于一体的脉冲成形单元。为了减小脉冲成形单元的体积,首先将其内部脉冲成形网络的级数降至最低(两级),其原理电路如图4所示;针对低级数PFN的输出波形存在严重的前沿过冲和平顶振荡现象,通过在电路中引入可调节输出波形的电参数,优化了电路,获得了良好的准方波脉冲。减小脉冲成形单元体积重量的另一个途径是提高其储能密度。采用固态薄膜与液态变压器油混合绝缘方式,结合平板卷绕线设计,提高了脉冲成形单元的击穿场强,从而显著提升其储能密度。图5为脉冲成形单元照片,其典型尺寸为720 mm()×155 mm()×62 mm(),储能密度可达23 kJ×m-3,输出脉冲宽度180 ns、脉冲平顶100 ns。该脉冲成形单元具有储能密度高、固有电感小、结构简单、紧凑的优点,可直接输出准方波波形(见图6)。由于脉冲成形单元的叠加放电特性,放电回路电感会随脉冲成形单元数量的增多而呈线性增加,不利于能量的快速释放。基于这一认识,脉冲成形单元的设计同时利用了平板传输线互感原理和同端输出设计,从而有效降低了其固有电感。

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4  模块化系统集成技术

为验证该技术思想及技术路线的可行性,基于该新型电路结构的技术路线,研制了一套可靠性高且易于维护的模块化脉冲功率源。小型化脉冲功率源系统的获得与其各组成单元的小型化、协同创新结构设计密不可分。项目针对脉冲功率源系统的各组成单元,以缩小体积重量为目标,分别进行了结构优化设计:创新性地提出了一体化脉冲隔离电感、四端头矩形脉冲成形单元、两侧交替式脉冲成形单元叠加等协同结构设计,显著降低了整个脉冲功率源的体积和重量。研制的高功率微波驱动源输出功率约10 GW、脉冲宽度约180 ns、重复频率30 Hz、连续运行10 s,体积约2.0 m3,质量约2 t,如图7所示。相比具有相同技术指标的以往高功率微波驱动源,体积重量约缩减至原技术方案的1/5。此外,本项目所设计的高功率微波驱动源成本较低,结构较为简单,可靠性高,且模块化设计极大的方便了其日常维护维修。

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