基于分数比可饱和脉冲变压器和Marx调制技术的全固态微秒准方波脉冲电源研究

High power repetitive pulse power source is widely used in the field of pulse radar, navigation, high power microwave generation and pulse laser, and so on. Especially in recent years, as the development of civil pulsed power technology, high power repetitive pulse power source has a broad prospect of application in the fields such as modern agriculture, food preservation, plant cell disruption, medical treatment and environmental protection. However, to realize these applications really, the typically parameters of the pulse power source are output voltage of tens of kilovolt, pulse duration of hundreds of nanoseconds to microsecond level, repetitive rate of tens of hertz to hundreds of hertz, and the source can operate with a long lifetime. In order to adapt the need of the civil pulse power technology, the project research the key technology of tens of kilovolt microsecond pulse power source and its output characteristics, including the direct charging source and boosted voltage technique, Fractional-turn ratio saturable pulse transformer, all solid Marx generator, Marx modulator technology, et al. Meanwhile, to promote the development of civil pulsed power technology, a high repetitive rate microsecond pulse power source with output voltage of more than 50 kV and repetition rate of more than 100 Hz is developed based on these key technologies.

高功率重复频率脉冲电源在脉冲雷达、导航、高功率微波产生、电子束泵浦脉冲激光等方面都有广泛的应用。特别是近年来，随着民用脉冲功率技术的蓬勃发展，高功率重复频率脉冲电源在现代农业、食品保鲜、植物细胞破碎、医疗环保等领域更有着广泛的应用前景。而要真正实现这些工业应用，一般要求脉冲电源输出电压为数十千伏，输出脉冲宽度从数百纳秒至微秒量级，重复频率几十赫兹至数百赫兹，且能够长时间稳定运行。本项目正是为了满足民用脉冲功率技术的需要，开展长寿命重复频率高电压微秒脉冲电源的关键技术及其输出特性研究，包括直充充电电源与升压技术、分数比可饱和脉冲变压器技术、全固态Marx发生器技术、Marx调制技术等，并研制一台输出电压大于50 kV，重复频率大于100 Hz的全固态微秒脉冲电源，以期能够推动民用脉冲功率技术的发展。

高功率重复频率脉冲电源在脉冲雷达、导航、高功率微波产生、电子束泵浦脉冲激光等方面都有广泛的应用。特别是近年来，随着民用脉冲功率技术的蓬勃发展，高功率重复频率脉冲电源在现代农业、食品保鲜、植物细胞破碎、医疗环保等领域更有着广泛的应用前景。而要真正实现这些工业应用，一般要求脉冲电源输出电压为数十千伏，输出脉冲宽度从数百纳秒至微秒量级，重复频率几十赫兹至数百赫兹，且能够长时间稳定运行。本项目正是为了满足民用脉冲功率技术的需要，开展长寿命重复频率高电压微秒脉冲电源的关键技术及其输出特性研究，包括直充充电电源与升压技术、分数比可饱和脉冲变压器技术、全固态Marx发生器技术、Marx调制技术等，并研制一台输出电压大于50 kV，重复频率大于100 Hz的全固态微秒脉冲电源，以期能够推动民用脉冲功率技术的发展。通过相关研究，取得的重要结果包括：1）开展了高能量效率充电电源和升压技术的研究，实现了工业用电380 V至微秒量级2 kV的转换，提高了全系统的能量效率，降低了系统的能耗，可保证本项目研制的电源在100 Hz下连续运行；2）验证了FRSPT向Marx发生器充电并通过反谐振网络整形输出几十千伏微秒脉冲的方案的可行性；3）研制了基于FRSPT的全固态Marx发生器。利用分数比可饱和脉冲变压器替代传统Marx 发生器中的气体开关，实现了Marx发生器的全固态化，并使用高压硅堆取代了隔离电感，实现了全固态Marx发生器更高能量效率输出；4）实现了反谐振网络技术在Marx发生器中的应用。对反谐振网络调制技术在Marx发生器中的应用进行了实验研究，可输出平顶质量良好，前后沿时间相对较短的准方波脉冲波形；5）实现了高电压重频微秒脉冲电源的高重频、长时间运行。实现了输出电压大于50 kV、输出脉冲宽度微秒级、重复频率大于100 Hz，可长时间（大于1小时）稳定运行的全固态重频脉冲电源，为脉冲功率技术在民用领域的应用奠定基础。