紧凑重频PFN-Marx脉冲发生器

第28卷第1期 强激光与粒子束V〇l. 28，N o. 1 2016 年 1 月H IG H POW ER LASER A N D P A R T IC LE BEAM S Jan.，2016

紧凑重频P F N-M a r x脉冲发生器<

李志强，杨建华，张建德，殷毅，李伟，洪志强

(国防科学技术大学光电科学与工程学院，长沙410073)

摘要：研制了一台紧凑重频脉冲形成网络（P F N)-M a r x脉冲发生器，由P F N-M a rx发生器、脉冲充电 单元、重频触发单元等组成。PFN-M a r x发生器模块采用全电感隔离，直径为480 m m，长度为700 m m。脉冲

充电单元采用中储电容加脉冲变压器方法，单次充电可以满足10次输出。重频触发单元采用变压器和磁开关

一体化设计的全固态M a r x发生器技术，输出电压大于50k V，前沿小于100 n s。脉冲发生器早期输出电参数

为单次10G W，脉冲宽度100 n s，前沿10 n s，阻抗40 0。重频工作时输出功率7G W，频率5H z。后期调整后

电参数更改为单次10G W，脉冲宽度70 n s前沿10 n s阻抗50 0。重复频率工作时稳定输出功率8G W，频率

10 H z单串10个脉冲。初步的应用研究中，利用改进后的平台，在5G W条件下驱动磁控管获得了S波段约

1G W的微波输出。

关键词：脉冲功率技术；高功率微波；脉冲发生器；P F N-M a rx发生器

中图分类号：T M89 文献标志码：A doi：10. 11884/H PLPB201628.015013

无论是工业领域或者国防领域，对脉冲功率调制装置提出的要求是向固态紧凑化、重复频率长寿命运行、可移动等方向发展。M a rx发生器作为一种重要的脉冲调制方式，历来是各国工程技术人员研究的重点，也是 最具有潜力幵展固态紧凑化设计的主要方案之一。随着当前脉冲储能技术的发展，尤其是高储能密度电容器、陶瓷电容器、云母电容器、薄膜电容器等技术的迅速发展，给M a r x发生器的发展注入了新的活力。为直接使用M a rx发生器驱动各类负载，科技人员幵展了各种各样的变种M a rx发生器研究。1998起，美国A P E L C公 司利用陶瓷电容器、云母电容器、薄膜电容器等生产了一系列紧凑型固态化M a r x发生器13]。美国德州理工大学利用云母电容器研制了一台最高输出电压500 k V、最大能量500 J、脉冲宽度200 n s的紧凑型M a rx发生 器[4]。国内中国工程物理研究院幵展了低阻抗、紧凑型以及全固态M a rx发生器研究[-10]。国防科学技术大学在快M a rx发生器方面以及PFN-M a rx方面幵展了一些研究[013]。本文将重点介绍国防科学技术大学研制的PFN-M a rx发生器[12]的后续研究工作，主要包括脉冲发生器的进一步优化设计，脉冲充电单元和重频触发单元设计，重频实验以及初步应用研究等工作。

1发生器组成结构

图1是所研制的PFN-M a rx脉冲发生器组织结构图，主要有PFN-M a rx发生器、重频触发单元以及脉冲充电单元等几部分组成。

Fig. 1System components and structure of the PFN-M arx generator

图1P F N-M a r x驱动源系统

*收稿日期=2015-10-15; 修订日期：2015-11-05

强 激光与粒子束

其主要工作过程为：普通能源作为初级能源通过高压电源给高储能密度电容器组充电后，电容器组通过能量补充幵关分次对变压器原边电容充电至额定值；设定时刻，主幵关导通，通过变压器升压后对PFN-M a rx各 单元并联充电；充电至一定时刻，触发脉冲发出同步信号，触发PFN-M a rx前两级幵关，后面各级幵关上形成过电压击穿，脉冲形成网络(P FN)单元串联输出脉冲高压，该高压施加在真空二极管上，驱动二极管产生强流电子束。

2分部件设计

2.1 PFN-Marx发生器

电路结构如图2(a)所示，共22级，图2(b)是该发生器的组装结构示意图。为更好实现重复频率工作，级 与级之间接地和充电均采用电感隔离。三组单线阻抗约5.4 0的P F N形成线并联组成一级，阻抗约1 8 0。两级这样的P F N单元内嵌在一圆形高分子材料托盘内，如图3所示，层与层之间采用尼龙螺杆连接固定。采 用Y5T陶瓷电容作为基本的储能电容，单路P F N采用等电容等电感的7节形式，单个电容1 5n F。组装完成后的PFN-M a rx封装于不镑钢圆柱筒内，内充0.35M P a的SF6气用来绝缘。由于所设计的结构紧凑，层与层 之间存在一定的寄生电容，该寄生电容和P F N电感构成寄生传输线，跨越寄生1与3,与4等级之间。电路 仿真计算表明，在幵关电路导通一致性较好的情况下，PFN-M a rx可以输出良好的波形质量，图4是22级输出 电压归一化波形图，输出脉冲宽度100 n s阻抗约40 0。

Fig. 2 Circuit structure and the assembly picture

图2电路结构及组装示意图

Fig. 3 Two stage module

图3两层模块

在脉冲充电条件下，PFN-M a rx各级的接地充电电感采用并联方式使得各级更容易获得均匀的充电电压，但叠加后的高压会通过充电端引出实验装置从而带来较大的绝缘压力。采用图2(a)中的串联连接方式，为实 现脉冲充电以及保证各级充电的均匀性，隔离电感大小的选择则至关重要。电感太小，起不到有效的隔离作用；电感太大，会造成各级充电不均匀。经充分优化，1〇M H电感可以兼顾两方面的需求。

幵关采用一体化幵关室，共22级，如图5所示。前两级采用触发结构，后面各级采用过压击穿。触发幵关电极头采用球状电极，侧面引入触发极，后面过压幵关采用环形电极，增强导通的均匀性，级与级之间留有通光通气孔，保证前级导通时的紫外光可有效预电离后级幵关。实验表明，采用通光通气孔的幵关比采用通光孔被

李志强等：紧凑重频PFN -M arx 脉冲发生器

遮挡的幵关，M a rx 建立时间可以缩短10 n s 左右[3]。

Fig. 5 Photo of the gas switch with 21 stages

图5开关结构图

2.2脉冲充电单元

脉冲充电单元主要由下面几种部件组成：电

源、逆变电源、电容器组（C 。）、能量补充幵关

(T 3)、变压器原边电容（C 1)、主幵关（丁1)、能量回

收幵关(T 2)、反置电感(L 1)、脉冲变压器（X fo rm )

等。其电路连接如图6所示，图7是其工作时电

路原理图，所有充放电过程由计算机进行控制，工

作时序如图8所示。电源首先通过高压电源1和

2分别给电容器组和变压器原边电容供电，充电

至设定值后0/。，^0)，时刻T m ，主回路晶闸管T 1 导通，变压器给P F N -M a rx 各级电容充电，充电至设定电压，触发器动作，M a r x 幵关导通，P F N -M a rx 脉冲建 立，变压器原边电流回零，T 1关闭，原边电容上出现反压U e c 。经过设定时间T 后的T e c 时刻，反转回路幵关

T 2幵始工作，第一个脉冲等到反转电压接近最大时，补充充电回路幵关T 3幵始工作，T 2由于电流回零而自动 先关断，待原边电容C 1充电至w 时，T 3由于电流回零而自动关断。此时，充电完成，等待再次触发，如此循 环，每补充一次电，T 3时刻提前一点，电容器组上电压降低一点，直至当T 3的时刻提前到和T 2时刻同步，电 容器组再无法给变压器原边电容C 1补充电至W 后，一个脉冲串周期结束。

Fig. 6 Connection sketch of the pulse charger 图6

脉冲充电单元电路连接示意图\

/y U 0

\ /、t

T ,

-t 3-T m

L T c Fig. 8

Switch closing time sequence 图8开关导通时序图

这里利用了大电容给小电容充电的倍压机制以及利用了晶闸管幵关关断后原边电容剩余能量的回收机 制，从而有效提高了系统的能量利用效率和回路参数的应用范围[4]。

研制的脉冲充电单元可以在50 /i s 内对700 n F 电容器最高充

电至70k V 。目前脉冲充电单元一次充电可以满足PFN -M a rx 调制

器10次脉冲能量需求，脉冲重复频率主要受PFN -M a r x 幵关恢复

特性限制。未来可通过调整电容器组的大小方便实现更多次数的脉

冲能量需求。

2.3重频触发器

采用M a rx 发生器技术，共5级，变压器原边充电1k V ，副边输

出约12k V 。图9是其工作原理电路图，利用闭合磁芯脉冲变压器

给单体电容为0. 7n F 的陶瓷电容器进行充电，充电至最大时刻，变

压器磁芯磁饱和，变压器副边电感L 1?L …突然减小，类似于火花幵

C P rc r l s 2\c 2

Fig. 9 Trigger circuit diagram 图9触发器电路图

强 激光与 粒子束

charging voltage

:! ：

I 15 |is / div Fig. 11 Charging waveform 图11充电波形50 ns / div Fig. 12 5 Hz, 7 GW, 5 pulses in sel--

breakdown mode 图12自击穿模式下5H z 7G W ,5个电压脉冲波形

20 ns / div Fig. 13 10 Hz, 10 GW, 10 pulses in external triggering mode

图13外部触发模式下10 H z 10 GW,

10个电压脉冲波形利用改进后的装置幵展了单次条件下驱动磁控管负载的实验。图14是测得的磁控管电压波形和微波检 波波形，电压脉冲宽度约70 ns ，前沿约10 ns ，电功率约5 G W ，产生微波功率约1 G W ，脉冲宽度约60 ns 。图 15是测得的微波频率波形，频率2. 325 G H z 。驱动磁控管负载时，电压波形质量明显好转，主要是由于去掉了

：i …

voltage

L (400 k V

im crowa (1 G W y 「

ve i

)|Fig. 14 Voltage waveform and microwave waveform

图14磁控管实验电压和微波波形

10 ns / div

Fig. 15 Microwave frequency 图15微波频率

关的突然导通，各级电压通过隔离电感L 1?L S J 夬速建立，

最后叠加输出一幅值大于50k V 、脉冲宽度约250 ns 、前沿

小于100 n s 的高压脉冲。所研制的触发器封装在绝缘塑

料筒内，内充0.1M P a 的SF 6进行绝缘。

由于这里采用了变压器和磁幵关的一体化设计[15]，整

个触发器相对比较紧凑，另外由于磁幵关的固有物理特性，

因此只要变压器原边充电电压均匀一致，则触发脉冲的一

致性非常好，时间抖动比较小，可以实现10 n s 内的抖动。

图10给出的是触发器10 H z 运行时的重频波形。 Fg10 Tes t o f th e tnggeraOHz ，20 —

图10 10Hz ，20个触发脉冲波形

3发生器水电阻负载实验及驱动微波管实验

首先进行了水电阻负载下的单次自击穿测试。水电阻由六根相同阻抗的柱状水电阻并联而成。装配好的 水电阻负载内嵌于二极管内部，内充0. 2M P a 的SF 6气进行绝缘。由于采用脉冲充电方式，加速器既可以工作 在自击穿状态，也可以工作在触发状态。图11是单次自击穿实验充电波形，充电时间小于50/i s ，充电电压60 k V ，输出功率约10G W ，阻抗约40 0,脉冲宽度约100 ns 。

图12是自击穿模式下重频5H z 5个脉冲，功率7G W 的实验波形。多次重复实验表明，在这种较低重复 频率的自击穿模式下，发生器可以获得较好的一致性输出。

为提高发生器的稳定性和可控性，更换为性能更好的N 4700陶瓷电容，同时采用触发方式工作。研究表 明，在幵关欠压比在0.6?1之间，幵关均可稳定触发，但M a r x 建立时间在欠压比较低的情况下比较大，约150 n s 左右，当其欠压比大于0. 8后，M a r x 建立时间基本稳定在50 n s 左右。图12是改进后在50 0负载下幵展 的10H z ，10个脉冲二极管电压波形的叠加，输出功率10G W ，可稳定工作在8G W 。

>

P

/

A

5

I

李志强等：紧凑重频PFN-M arx脉冲发生器

使用水电阻负载时寄生电容的影响。另外，针对级间寄生电容的影响，还采用了消振法进一步改善了波形质

量[16]。

4结论

本文系统介绍了紧凑重频PFN-M a rx发生器的组成结构、分部件设计以及相关的实验研究等工作。所研 制的实验装置可以单次或重复频率工作，可以采取自击穿方式或者外触发方式工作。该实验装置已初步应用

于驱动磁控管微波源的研究工作中，展现出了较好的应用前景。

参考文献：

[丄] Mayes J R，Mayes M G. Lara M B. A novel Marx generator topology design for low source im pedance[C']//IEEE Pulsed Power C'onference.

2005：684-687.

[2] Nunnally C, Lara M. Mayes J R. A compact 700 kV erected pulse fo rm in g network for HPM applications[C']//IEEE Pulsed Power C'onfer-

ence. 2011：1372-1376.

[3] Mayes J R, Hatfield C W. Development of a sequentially switched Marx generator for HPM lo ad s[C']//IE E E Pulsed Power C'onference.

2009: 934-937.

[4] Neuber A A, C'hen Y J , Dickens J C, et al. A compact, repetitive. 500 k V, 500 J, Marx generator[C']//IEE E Pulsed Power C'onference.

2005: 12031206.

[]秦风，宋法轮，甘燕青，等.模块化低阻抗紧凑型M a r x发生器强激光与粒子束，2012, 24(4): 907-911. (Q i n F e n g，S n g F a l u n Gan Yanqing. et al. C'ompact low-impedance Marx generator. H igh Power Las,2 []甘燕青，宋法轮，卓婷婷，等.紧凑型重复频率快前沿M a r x发生器研究[].强激光与粒子束，2013, 25(5):164168. (Gan Yanqing，Song Falun. Zhuo Tingting. et al. A compact repetitive Marx generator with fast risetime. H ig h Power Laser and Particle Beams , 2013 , 25(5): 164-168)

[7]张晋琪，张现福，杨周炳，等.全电感隔离型重复频率M a r x发生器[].强激光与粒子束，2009，21(4):637-640. (Zhang Jinqi，Zhang

Xianfu, Yang Zhoubing. et al. Repetitive Marx generator with inductor isolators. , 2009 , 21(4): 637-640)

[8]吴朝阳，张现福，张晋琪，等.14级紧凑型重复频率M a r x发生器研制强激光与粒子束，2013, 25(5):169-172. (W u Z h a o y a n g，

Zhang Xianfu. Zhang Jinqi. et al. Development of 14-staged compact and repetitive Marx generator.

B a m s2013, 25(5): 169-172)

[9]李洪涛，王传伟，王凌云，等.500k V全固态M a r x发生器[].强激光与粒子束，2012，24(4) : 917-920. (L i H o n g t a o，W an g C h u a n w e i，

Wang Lingyun. et al. 500 kV all-solid-state Marx generator. H ig h Powrr Lasrr a n d P a rtic U B e a m s，20Y2，24(4) :917-[0]高景明，刘永贵，刘金亮，等.陡化前沿M a r x发生器的设计与初步实验[].强激光与粒子束，2008, 20(1):167-170. (Gao Jingming，

L iu Y o n g g u i，Liu Jinliang. et al. Design and preliminary experimental results of wave erection Marx generator. H ig h Power Laser and Particle Beams ,2008, 20(1): 167-170)

[11]高景明，刘永贵，刘金亮，等.陡化前沿M a r x发生器的重频运行研究[].强激光与粒子束，2009，21(1) : 157-160. (Gao Jingm ing，Liu

Yonggui. Liu Jinliang. et al. Investigation on repetitive operation of wave erection Marx generator.

B e a m s,2009, 21(1): 157-160)

[12]李志强，杨建华，张建德，等.固态化脉冲形成网络M a r x脉冲发生器[J].强激光与粒子束，2014，26: 065004. (Li Zhiqiang，Yang Jian-

hua. Zhang Jiande. et al. Solid state pulsed forming network Marx generator. H g h Pow er L a e r n d P a [13]胡益.紧凑型PFN-Marx 特性研究[D].长沙：国防科学技术大学，2014. (H u Y i. Investigation of a compact PFN-M arx generator u i n g a

pulse transformer. Changsha: N atio n a lU n iv e sity of D efenseTechnology，2014)

[4]杨建华，钟辉煌，舒挺，等.基于超级电容储能系统重频强流加速器研究[C]/7第三届全国脉冲功率会议文集.2013.(Yang Jianhua，

Zhong Huihuang. Shu Ting, et al. Investigation of repetitive pulsed intense current accelerator charged by supercapacitance of energy s to re// Proceedings of the 3rd C'hina Pulsed Power C'onference. 2013)

[5]张瑜.基于新型可饱和脉冲变压器和螺旋Blum lein线的高功率脉冲调制器研究[D].长沙：国防科学技术大学，2013. (Z hangY u. Inves-

tigation of a high-power pulsem()dulator based on new types of saturable pulse transformers and a tape-helix Blumlein line. Changsha: Na-tional University of Defense Technology. 2013)

[6]李志强，杨建华，胡益，等.寄生传输线对P F N-M a r x输出波形的影响及改善方法[C]//第四届全国脉冲功率会议文集.2015(Li

Zhiqiang, Yang Jianhua. Hu Yi. et al. Impacts of the parasitic transmission line on the output of the PFN-M arx generator and an improve-ment way //Proceedings of the 4th C'hina Pulsed Power C'onference. 2015)

强激光与粒子束

A compact repetitive PFN-Marx generator

Li Z h iq i a n g，Y a n g J i a n h u a，Z h a n g J i a n d c，Y in Y i，Li W e i, H o n g Z hiqiang

(C o lle g e o f O p lo-E le c lr o n ic Science a n d E n g i n e e r i n g，N a t i o n a l U n i v e r410

Abstract: A c o m p a c t rep etitiv e P F N-M a r x g e n e r a to r w a s c o n s tru c te d for th e app licatio n of g e n e r a tin g electro n b e a m s. T h e

g e n e r a to r h as t w e n t y-t w o sta g e s w ith in d u ctiv e isolation. E a c h sta g e c o n s ists of tw e n ty-o n e c eram ic c a p a c ito rs w h ic h m a y be ch arg ed th e m a x im a l v o ltag e of 60 k V by a p u lse t r a n s f o r m e r in 50 /as. A c o m p a c t M a r x tr ig g e r

p u lse t r a n s f o r m e r and a m a g n e tic sw itc h w h ic h have a c o m m o n m a g n e tic core w a s also fabricated. T'he g e n e r a to r can o p e r a te at

5 H z re p-r a te w ith th e o u t p u t p o w e r of 7 G W,th e im p e d a n c e of 4 0 0and th e p u lse w i d th of 100 ns. C h a n g in g th e ca p a c ito r u n its,

an im p ro v e d g c n c r a t o r w i t h th e im p e d a n c e of 50 O a n d th e p u l s e w i d t h of 70 n s g e n e r a te s te n p u lse s of one b u r s t w ith th e p o w e r

of 8 G W at 10 H z re p-ra te. A n S-b a n d m a g n e t r o n driven by th e im p ro v e d g e n e r a to r h as g e n e ra te d m ic ro w a v e o u t p u t w ith the

p o w e r of 1G W at th e fre q u e n c y of 2. 32 G H z,w h ic h p r e lim in a rily s h o w s th e g e n e r a t o r7s ability of driv in g h ig h p o w e r m ic ro w a v e devices.

K eywords: pu lse d p o w e r te c h n o lo g y; h igh p o w e r m ic r o w a v e; p u lse g e n e r a t o r; P F N-M a r x g e n e r a to r

PACS: 29. 20. -c; 8470. +p