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快脉冲直线型变压器驱动源（FLTD）感应腔内部结构和媒质分布复杂，支路放电时快速上升沿脉冲将使空间离散更为繁密，导致计算量剧增。该文利用时域有限积分理论首次研究4级串联共用、独立腔体结构MA级FLTD在支路放电时的电磁场分布规律。使用场路耦合将电路中电容元件的放电电流作为激励耦合至三维场模型，使用非均匀网格对FLTD初级感应腔内的关键部件剖分网格进行加密处理，使用表面阻抗边界条件描述良导体以降低求解自由度数量，使用基于等效原理的区域分解算法将4级串联FLTD划分为24个不同的求解子区域。结果表明，时域有限积分技术可有效分析FLTD初级腔体内脉冲放电瞬态过程，两种感应腔结构的输出性能和电磁场分布...

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场路耦合 区域分解算法 瞬态电磁场 有限积分技术 直线型变压器驱动源

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针对肿瘤消融的应用需求，研制了基于推挽电路的全固态双极性长脉宽单级LTD模块。其原边采用4路推挽电路，并加入双向短路匝与RCD缓冲电路，可输出前沿快、脉宽覆盖数百纳秒到数微秒范围的双极性方波脉冲。采用现场可编程门阵列(FPGA)产生驱动信号，该信号通过电光–光纤–光电转换进行隔离后输送至驱动芯片，驱动MOSFET开关动作。实验结果表明：所研制的单级LTD模块可输出重复频率达0.5 kHz的双极性方波脉冲，当输出百纳秒脉冲时，脉宽在300～1 000 ns范围内可调，输出电压幅值500 V，输出脉冲前沿约13 ns；当输出微秒脉冲时，脉宽在1～8μs范围内可调，输出电压幅值为250 V，最大平顶...

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FPGA MOSFET开关 双极性方波 推挽电路 直线型变压器驱动源

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针对单级快速直线型变压器驱动源(fast linear transformer driver, FLTD)模块中气体开关在充电过程中发生的自击穿问题，分析了FLTD模块内其他未放电支路对自击穿气体开关绝缘恢复特性的影响，基于等价性研究建立了改进双脉冲法的气体开关绝缘恢复特性研究平台，获得了不同气压和续流参数条件下气体开关的绝缘恢复特性。研究表明，续流延长了气体开关绝缘恢复所需时间，在较长时间续流作用下，气体开关绝缘恢复过程分为2个阶段，气体开关绝缘恢复时间由截止电流出现时间和之后的耐压恢复时间决定。绝缘恢复时间随气体压力升高迅速减小，但截止电流有所减小，续流持续时间变长。这一特性有助于指导开关...

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绝缘恢复 快脉冲直线型驱动源 气体开关 气体开关续流 双脉冲法

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为了研究快放电直线型变压器驱动源(FLTD)内置触发方式下触发脉冲的波形参数及其影响因素,利用有限积分法(FIT)仿真软件,建立单级FLTD场路仿真模型,获得了到达各主支路开关的触发脉冲参数及其影响因素,并在1 MA FLTD实验平台上进行了验证。仿真结果表明:内置触发方式下,触发支路电感由100 nH增大至350 nH时,触发脉冲前沿由49.3 ns增大至60.1 ns;在触发支路置地电阻小于200Ω时,触发脉冲幅值随电阻增大而增大,在电阻高于200Ω后,置地电阻不影响触发脉冲幅值;角向传输线特征阻抗在58.0~76.5Ω范围变化时对触发脉冲波形参数影响较小。

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触发脉冲 单级FLTD 电磁模型 内置触发方式 影响因素

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为了研究快放电直线型变压器驱动源(FLTD)内置触发方式下触发脉冲的波形参数及其影响因素,利用有限积分法(FIT)仿真软件,建立单级FLTD场路仿真模型,获得了到达各主支路开关的触发脉冲参数及其影响因素,并在1MA FLTD实验平台上进行了验证。仿真结果表明:内置触发方式下,触发支路电感由100nH增大至350nH时,触发脉冲前沿由49.3ns增大至60.1ns;在触发支路置地电阻小于200Ω时,触发脉冲幅值随电阻增大而增大,在电阻高于200Ω后,置地电阻不影响触发脉冲幅值;角向传输线特征阻抗在58.0～76.5Ω范围变化时对触发脉冲波形参数影响较小。

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触发脉冲 单级FLTD 电磁模型 内置触发方式 影响因素

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直线型变压器驱动源（Linear Transformer Driver，LTD）技术是一种用来产生高电压、大电流、快脉冲的新兴技术，有望成为下一代脉冲功率装置的核心技术。基于半导体开关的全固态LTD，在惯性约束核聚变（Inertial Confinement Fusion，ICF）、高功率激光等领域有很好的应用前景。ICF的快点火方式需采用基频光打靶的拍瓦级激光装置，为避免反射激光进入多程放大器，需采用8kV以上的高压双脉冲对等离子体电极普克尔盒（Plasma-Electrode Pockels Cell，PEPC）进行准确控制，要求控制脉冲上升、下降沿时间小于40ns，脉冲宽度及脉冲间隔可在数百纳秒到数微秒范围内调节。该高压双脉冲具有较高功率，脉冲上升、下降时间极快，等效重复率达到Mpps，现有脉冲功率技术方案很难满足要求，需要探索新的解决方法。本论文根据金属氧化物半导体场效应晶体管（MOSFET）重复频率高、响应速度快、易于调节等特点，探索一种基于MOSFET的全固态重复频率LTD。 本文研究分析了LTD的工作原理和结构特点，建立了子块、单模块及多模块串联的LTD仿真模型，通过电路仿真，研究波形输出的主要特点，以及触发脉冲、开关性能、负载电阻等因素对输出脉冲幅度、脉冲平坦度、脉冲前沿时间的影响，获得了开关导通时间、导通分散性、触发脉冲前沿时间等因素对输出波形的影响规律，为开关选型、结构设计、方案确定提供依据。 研究分析了单个功率MOSFET的输出特性，设计缓冲电容保护电路以及适用于多个MOSFET并联使用的推挽式驱动电路，提出一种采用微波共面波导、弹性多触点的紧凑半环形电路模块结构，建立基于MOSFET的LTD使其具备运行稳定，安装调试方便的特点。 提出一种基于雪崩三极管的大电流超快方波触发脉冲产生电路，利用电脉冲在终端开路的同轴线中的传输特点，获得脉冲间隔、脉冲宽度可调的触发脉冲，解决了LTD对便于调节的高速、高功率触发源的技术需求，在双脉冲触发条件下，触发脉冲的前沿时间为800ps，有效后沿时间为2ns。 探索触发延时线对因MOSFET分布位置不同而引起的脉冲传输延时的补偿作用，提出一种触发延时补偿电路，使同一LTD模块中MOSFET间的触发脉冲传输延迟时间差缩短为数十皮秒。实验研究多模块串联条件下LTD的运行特点，对脉冲幅度、脉冲平坦度、前沿时间和脉冲尾部过冲等波形参数形成特点进行了测试和分析，提出多模块串联LTD的分布式延时触发方法，使相邻LTD模块的导通起始时刻存在c（0.25ns）的时间差，实现LTD“各级同步”、“逐级点火”的IVA工作模式。设计并调试完成一个由20个LTD模块串联组成的脉冲原型系统，获得等效重复率达Mpps，脉冲幅度8.1kV，脉冲前、后沿时间分别为26 ns、38 ns的高压纳秒双方波脉冲，且双脉冲的宽度和时间间隔可在数百纳秒到数微秒范围内调节。

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分布式触发 感应叠加 双脉冲 雪崩三极管触发电路 直线型变压器驱动源

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直线型变压器驱动源（Linear Transformer Driver，LTD）是一种近年来发展起来的一种新型初级储能快脉冲源技术，其采用多个单元利用磁芯使得电压、电流叠加的方法，可以用较小的单元以及绝缘水平实现兆伏、兆安级别的脉冲输出。 LTD技术未来需要进一步发展，增加其电压以及电流输出，使其在惯性约束聚变能源中使用，将需要几万甚至几十万个单元子块运行稳定工作相当长的时间。因此其关键元器件—脉冲电容器的寿命对整个系统的寿命和可靠性的影响非常关键。目前国内缺乏LTD用脉冲全膜电容器的寿命、失效实验数据以及其失效原因的系统研究。对该种电容器进行寿命实验研究，探究其老化以及失效的原因可以指导电容器的结构设计，指导电容器的寿命参数指标，并且可以对大型LTD系统的可靠性以及寿命的评估分析提供重要的参考依据。 论文针对全膜脉冲电容器实验在宏观以及微观两个层面上分别展开。宏观层面上进行了LTD用全膜电容器的寿命实验，得到了其寿命实验数据。该电容器在±90kV的电压，17kA的脉冲电流，20%的反峰系数下平均寿命为15436次，且老练前后的电容器寿命相差较大。电容器失效主要为电极边缘处击穿和电容单元元件的边缘击穿。微观层面上对两种LTD用电容器常用的电容器膜，即聚酯薄膜和聚丙烯薄膜，进行了实验研究，通过对其进行脉冲老化实验、绝缘性能测试以及显微结构分析对电容器膜的老化、失效原因进行了分析。两种聚合物薄膜的介损角正切值随脉冲老化次数的增加而有所变化，薄膜的表面以及击穿点附近的显微形态均随其脉冲老化次数的多少而有较显著的变化。论文对电容器内部缺陷进行了电场仿真，发现其电极边缘、电极毛刺、薄膜凸起、气隙、褶皱等缺陷都会畸变电容器内部电场，增加薄膜承受的电场强度。 本文的研究工作可以为全膜脉冲电容器的设计以及加工工艺进行参考，也可以为大型LTD系统的可靠性以及寿命的评估分析提供重要的数据以及参考依据。对电容器膜的实验研究是研究全膜脉冲电容器老化、失效机理的基础，对该领域的进一步突破有重要帮助。

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电容器膜 脉冲电容器 失效 寿命 直线型变压器驱动源

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快脉冲直线变压器驱动源(Fast Linear Transformer Driver, FLTD)是一种新型的能够产生大电流脉冲的脉冲储能装置，它以模块化设计，稳定性强，易串并联等优点有望成为未来脉冲功率技术的基础；在驱动大功率负载时，要求脉冲装置的输出有较高的可靠性，因此在实际的工程建造中，如何对脉冲装置的输出可靠性进行评估成为亟待解决的问题。研究表明随机故障，关键元器件寿命和装置的设计参数对LTD输出可靠性具有直接影响，因此，本文建立了LTD支路的寿命预测模型；研究了随机故障、关键元器件寿命和支路参数对支路寿命的影响，为提高LTD脉冲装置输出可靠性提供了依据；同时利用寿命预测仿真模型对支路输出可靠性进行了评估，为大型LTD系统的可靠性评估积累了经验，具有重要的科学意义和应用价值。 本文将LTD电路仿真模型与关键元器件寿命模型以及随机故障模型相结合，建立了10模块串联组成的LTD支路的寿命仿真预测模型；研究了电容器短路、开关闪络、开关触发失败、磁芯饱和、AK间隙闪络、电容器寿命、开关性能、元器件参数偏差、传输线阻抗匹配方式和负载匹配度对支路寿命的影响规律；分析了开关性能关于支路寿命和支路参数关于支路输出性能的敏感度。利用多次寿命预测结果，结合二项分布可靠度的评定方法，对LTD支路的输出可靠性进行评估；通过元器件参数的合理选取，电容器充电直流源组数和充电电压的调整提高了支路的输出可靠性。 研究结果表明：电容器和开关故障降低了同子块内电容器的寿命，并对相邻子块的电容器和开关造成影响；磁芯饱和和AK间隙闪络故障都大幅降低了整个模块内电容器的寿命，且AK间隙闪络故障使得同支路其他模块间隙峰值电压升高，闪络概率增加。降低电容器充电电压和寿命的分散性可以延长支路寿命；开关时延抖动和自击穿故障加快了电容器寿命的下降速度，并降低了负载的输出性能，同时敏感度分析表明开关时延抖动对支路寿命的影响远大于开关自击穿。元器件参数偏差使得负载输出性能发生变化，可能导致设计失败，且敏感度分析表明相比于支路电阻值，支路电容值和电感值对负载输出特性的影响更大；当传输线阻抗为变阻抗匹配时，电容器寿命下降更慢，负载输出性能更佳。可靠性评估结果表明，当满足置信度0.95时，支路寿命达到4000次的概率为86.6%；元器件的合理选取得出当子块电容值为20nF、电感值为240nH、电阻值为560mΩ时，负载输出水平高且元器件参数偏差和开关时延抖动对负载输出性能的影响最小。当模块内电容器充电直流源组数由2组增加到4组时，支路输出可靠性提高约7%-8%；当电容器充电电压降低10kV时，支路输出可靠度提高约5%-6%，但负载峰值电压降低近100kV；电容器充电电压沿线调整后，电容器寿命分布更加均匀，支路输出可靠度提高约2.5%-3%，且负载峰值电压仅降低约1kV。

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仿真 可靠性 寿命 直线型变压器驱动源

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FLTD（快脉冲直线型变压器驱动源）作为新型的脉冲功率装置，具有结构紧凑、模块化、传输效率高等特点，在惯性约束核聚变等领域有广阔的应用前景。开关作为FLTD的核心器件，需要满足低电感、长寿命、低抖动等要求。多通道气体开关是实现以上目标的理想途径之一。 本文从理论上总结了多通道形成的规律和主要影响因素，得出平板型多通道开关更容易满足多通道形成的条件。针对平板型多通道开关，分析了多通道形成中各阶段的影响因素，结果表明，各间隙在触发过程中所承受的电压越大，则多通道更容易形成。利用Pspice仿真分析了影响触发过程中间隙电压的因素，结果表明：触发电压上升率越高、耦合电容越大、隔离电阻越大，间隙获得的电压也就越高；当触发电压极性与工作电压极性相反时，间隙获得的电压幅值的最大值较大。 研制了板触发型多通道开关和电缆触发型多通道开关。针对平板型多通道开关，搭建了实验平台，该平台包括四种参数的多通道开关、ICCD四分幅相机、双屏蔽罗氏线圈、快前沿高幅值Marx触发器、北极星高压探头。 对于等间距板触发型多通道开关，主要研究了隔离电阻对通道数量的影响，触发电压、欠压比对开关触发特性的影响，间隙距离对开关触发特性的影响，触发方式对开关触发特性的影响。实验结果表明：隔离电阻达到兆欧级后具有明显的隔离效果；提高欠压比、增大触发电压均有助于改善多通道开关的触发特性；减小各间隙距离后，开关的时延减小、抖动减小、平均通道数增多，在欠压比为71%、触发电压为-99kV的条件下，主间距为4mm的多通道开关的时延为47.5ns、抖动为0.8ns、平均通道数为6.5条；与电缆触发型多通道开关相比，板触发型多通道开关的时延、抖动更小，平均通道数更多。 与主间距为7mm的等间距多通道开关相比，当欠压比高于50%时，主间距为11mm的不等间距多通道开关的时延更大、抖动更小、平均通道数更多，在欠压比为71%、触发电压为-81kV的条件下，其时延为85.3ns、抖动为1.9ns、平均通道数为4.7条。

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触发特性 多通道开关 脉冲功率

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快脉冲直线型变压器驱动源(FLTD)作为一种高效紧凑的脉冲功率源装置，在惯性约束核聚变等领域有广阔应用前景。开关作为FLTD 的核心器件，则需要满足：大电流、高工作电压、低电感、低抖动、长寿命等要求，而多级多通道气体开关(MMGS)能实现以上目标，本文对此种开关进行了相应研究，主要内容如下：研制了一种平板结构形式的多级多通道气体开关。开关中间电极为球电极，高压电极和地电极为半圆柱形式，采用电阻分压器，Ansoft 仿真结果表明开关在设计参数下电场分布均匀；触发盘触发，通道间为电阻隔离，电路仿真结果表明一定条件下开关能可靠触发并且能形成多通道。开关自击穿电压为60.8kV，为设计值的89.8%，造成实测自击穿电压值低于设计值的原因是机械加工误差导致的间隙距离偏差和电阻分压器的电阻值不一致；开关工作系数74%，触发电压-115kv 时，抖动在10ns 以内；多通道能有效降低回路和开关电感，估算得开关形成单通道和5 个通道时电感分别为83nH 和17nH。实验结果表明，提高工作电压、增大触发电压幅值、增大隔离电阻均有利于多通道形成；触发电压幅值为115kV，前沿20ns，极性为负，工作系数59%，隔离电阻为1MΩ 时，开关放电通道数达到开关总通道数的50%；由于耦合电容和紫外预电离作用的差异性，开关中间通道导通概率较高，两边通道的导通概率较低，且随着工作系数的提高，各个通道导通概率趋于一致。利用高速分幅相机对放电通道进行研究，结果表明开关能迅速形成多放电通道，不同通道基本同步形成；由于隔离电阻的作用，在有的通道已完全导通时，不完整通道能继续发展为完整通道；放电通道存在差异性，各个通道导通电流并不一致；开关电极烧蚀痕迹表明放电是在5 个通道间随机发展的，这有利于延长开关的使用寿命。

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脉冲功率气体开关多级多通道

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