大规模开关同步与触发技术研究

【摘要】由于快脉冲直线变压器驱动源(LTD)能够直接产生前沿小于100ns的高功率脉冲,其在脉冲功率领域中具有广阔的应用前景,其已成为近年来各国相关机构的研究热点和重点发展方向。目前,针对快脉冲LTD感应腔结构及特性的研究已较为成熟,但随着LTD装置规模的扩大,大规模气体开关的同步与触发问题已成为制约LTD技术发展的瓶颈。因此,开展适应LTD装置运行特点的大规模开关同步与触发技术研究具有重要的意义和应用价值。本文结合国内外研究现状,主要从外触发技术和自触发技术两个方面对大规模开关同步与触发技术进行研究。本文首先通过广泛调研,归纳了目前LTD装置中所使用的各类开关特性及触发要求,并提出了解决大规模开关同步与触发技术的方法和思路。针对目前LTD装置的规模,提出了一套基于LTD反向工作原理的同步外触发系统方案,本文将其命名为LTD-trigger。研究了LTD-trigger的工作原理、结构以及关键组件特性。在此基础上,分别从单个触发感应腔及多级触发感应腔串联的角度对LTD-trigger进行了建模分析,提出了LTD-trigger的简化电路模型。在分析过程中,对回路参数进行了细致的研究,主要的研究内容包括：回路电感、磁芯等效损耗电阻、分布电容、输出同轴传输线以及开关负载。通过一系列分析,确定了LTD-trigger的参数设计与计算方法,为仿真模拟研究提供依据。利用PSPICE仿真软件对LTD-trigger进行了系统模拟。以变压器模型为仿真基础,分别建立了单感应腔仿真电路和多感应腔串联仿真电路。通过仿真,研究了变压器匝数、初级脉冲源以及输出同轴电缆对LTD-trigger输出结果的影响。考虑到LTD-trigger的实际负载是气体开关,而气体开关的工作具有一定的不确定性,针对这种不确定性,本文研究了在负载不同工作情况下,LTD-trigger的工作特性。仿真结果表明,LTD-trigger具有结构简单、易扩展以及容错能力强等特点,最后本文针对已有的LTD装置设计相应的基于LTD-trigger的大规模开关的同步触发系统方案。基于LTD-trigger的理论和仿真研究,研制了一套小型LTD-trigger原理样机进行实验验证,该原理样机能够同步输出电压幅值约为25kV的高压触发脉冲,其前沿约为60ns。详述了小型LTD-trigger的设计方案、系统布局、初级脉冲源、触发系统以及磁芯复位系统。对磁芯脉冲磁特性、开路负载输出结果以及模拟开关间隙负载进行了实验研究,并进行了相关的理论分析。通过与仿真结果进行对比,验证了LTD-trigger方案的可行性。在自触发技术方面,基于LTD-trigger电磁感应原理提出了两种实现途径：分组感应式自触发和级联感应式自触发。分别对分组感应式自触发模式和级联感应式自触发模式进行了介绍和原理分析。利用已知的国内外实验结果,本文建立了1MALTD感应腔的PSPICE模型,在该模型基础上,建立了几种自触发感应腔的模型用于仿真研究。通过仿真结果对比,证明本文所建立的模型具有参考意义,能够反映实际电路的工作过程。建立了60级感应腔串联的LTD装置仿真电路,研究了在大规模开关同步自触发情况下匹配负载上的电流输出情况,最终得到前沿约为60ns,峰值约为1MA的仿真输出结果。初步仿真证明,通过快脉冲LTD装置的自触发能够得到较为理想的输出波形。
【作者】邱剑；
【导师】刘克富；
【作者基本信息】复旦大学，物理电子学，2013，博士
【关键词】直线变压器驱动源；开关同步与触发；电路仿真；闭合时序；自触发技术；

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