电容储能脉冲功率源工作原理
多组多路输出100kV快前沿电脉冲触发系统
多组 多路 输 出 １ ０ｋ Ｖ快 前 沿 电脉 冲触 发 系统 ０
尹佳辉， 孙凤举， 邱爱慈， 梁天学， 曾江涛， 陈玉兰， 刘志刚， 姜晓峰
（ 北 核 技术 研 究 所 ，西 安 ７ ０ ２ ） 西 １０ ４
摘
要 ： 在多路并联运行的电容储能型脉冲功率源 中， 为实 现初 级储 能气 体 开 关 和 脉 冲 形 成 主 开 关 的 同
第２ Ｏ卷第 １ ２期
２０ ０ ８年 １ ２月
强 激 光 与 粒 子 束
Ｈ Ｈ ＰＯ Ｗ ＥＲ ＬＡ ＳＥＲ Ａ Ｎ Ｄ ＰＡ ＲＴ Ｉ Ｉ Ｇ ＣＬＥ ＢＥＡ Ｍ Ｓ
Ｖｏ１ ２ ． ０，ＮＯ ２ ．Ｉ
Ｄｅ ．，２ ０８ ｃ ０
文章 编 号 ： １ ０ — ３ ２ ２ ０ ） ２ ２ ９ — ５ ０ １４ ２ （ ０ ８ １ — ０ ６０
中 图 分 类 号 ： Ｔ ３ Ｍ８ ６ 文献标志码 ： Ａ
随着脉 冲功 率技术 的发 展 ， Ｚ箍缩 等 脉冲功 率源 需要 几 十路并 联运行 以获得 百 Ｔｗ 级 的峰值 功 率及 数 快 十 Ｍቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ 的峰值 电流 ， 这种 大 型脉 冲 功率 源 的初 级储 能 开关 和 脉 冲形 成 主开 关需 要 具有 多 组 延 时可调 、 每组 多 路输 出 的触 发 系统 ， 般初 级储 能采 用 电脉 冲触发 ， 冲形 成 主开关 可采 用激 光或 电脉 冲触 发 。 由于多路 激光 一 脉
ｍｕ ｔ － ｈ ｎ ｅ ｕ ｐ ｔ ｌｉ ｃ ａ ｎ ｌ ｔ ｕ ｏ
（ ｔｈ ｍｅ ｉ ） ａ ｅｓ ｍｅ ｔ ａ ｔ
值高 ， 前沿 陡 。研究 表 明 ， 当采 用 电脉 冲触发气 体 火花 开关 时 ， 触发 信 号 的幅值 越 高 、 升 速 率越 快 ， 触 发 开 上 被
熊兰的讲座-脉冲功率技术0509
高功率脉冲发生器的基本结构
初始能源 中间储能 脉冲压缩 和变换 负载
ms
us
ns
输出： 激光、粒子束、 等离子体、强 磁场、强电场、 EM 枪、微波 等
电子束 或离子束
0.1MW
Marx 发生器 脉冲 形成线
10MW
馈电 传输线
1TW
二极管
3
设
备
3.1 储 能
电能（电容器， 电感，超导） 机械能 （电动机，惯性储能） 化学能 （火药，蓄电池） 传输线 核能
2 发
展
1947年，英国人A.D.Blumlien以专利的形式， 把传输线波的折反射原理用于脉冲形成线，在 纳秒脉冲放电方面取得了突破。 1962年，英国原子能研究中心的J.C.Martin领 导的研究小组，将Marx发生器与Blumlien的专 利结合起来，建造了世界上第一台强流相对论 电子束加速器SOMG（3MV，50kA，30ns）， 脉冲功率达TW（1012W）量级，开创了高功率 脉冲技术的新纪元。
2 发
展
我国脉冲功率技术及其应用的研究是从20世纪 70 年代末开始的。中科院等离子体物理研究所、中科院高 能物理研究所、中科院电工技术研究所、华中科技大学、 清华大学等单位的研究水平居于国内领先地位。 国内已有 20 多台的Marx装置在运行，居首者是 1979 年西南工程物理研究院建成的“闪光 I 号”装置 ; 20世纪 90 年代以后，国内相继又建成的装置有西北核 技术研究所的 “ 闪光 II 号 ” ,中国工程物理研究院和 上海光机所“神光II号 ”，华中科技大学等联合研制的 “神光III”。
1 概
念
什么是脉冲功率技术？？
研究产生各种强电（纳秒级高压）脉冲功率 输出的发生器系统及其相关技术。
2.0MJ脉冲功率源的500kA气体开关系统
激 光惯 性约束 聚 变 （ Ｉ Ｃ Ｆ ） 系统 的泵 浦 阵 列 中需 要 多个 支 路 的开 关 同 步 动作 以产 生 大 的脉 冲 电 流［ １ ］ 。在 Ｉ Ｃ Ｆ脉 冲功率 源 的严酷工 况 下 ， 基 于载 流子 导 电的半导 体开关 （ 例 如 晶闸管 、 反 向闸流管 等 ） 存 在单 阀片通 流 能
力有限、 耐 过 电压 能力 差 、 难 以抵 抗反 峰故 障 电压等缺 点 ； 若 采用 多级 单 阀片 串并 联结 构 ， 又 因半 导体材 料对 通
态 电流 上升 率敏感 而存 在 瞬时均 流和 均压 的 困难 ， 且造 价呈 指数 级升 高＿ ４ ］ 。气体 开关方 案基 于气 体放 电形 成 的等离 子体 工作 ， 对过 电流 和过 电压 耐受能 力好 ， 闭合 动作 时 间迅速 ， 成本 低廉 ， 通 态 电流 上升 率 可 以达 到 １ ０ ０ ｋ Ａ／ ｕ ｓ ， 比半 导 体 开关 高 ２个 数 量级 ， 因此 在 瞬时 高功 率放 电应用 中更具 性 能优 势 ］ 。为 使得 激光 惯 约达 到 临界物 理条 件 ， 足够 的能量 和功 率必 不可少 。在技术 条件 许可 的情 况下 ， 提升单 支路 脉 冲的能量 输 出不失 为一
开关 以及 已经 报道 的 ３ ０ ０ ｋ Ａ 等 级开关 不 同的是 ， 上 下 电极 间 的连 接没 有 采用 绝 缘
棒拉 紧 ， 而是采 用 了一 种新 的卡 榫 紧 固法 ， 结 构更 为简 单 紧 凑 。隔 离 上 、 下 电极 的
电容器储能原理
电容器储能原理
电容器储能原理是利用电场的存在和电介质储存电荷的能力。
当电容器两个极板上施加电压时，电荷会在其中移动，堆积在极板上，形成正负极化。
正极板上的电荷量与负极板上的电荷量相等且大小相反。
这个电压差会在电容器内部建立一个电场，当电容器从电源断开时，电场会将电荷保持在极板上，从而形成一个储存的电能状态。
这时，电容器内的电场能够储存电能，并可以在需要时释放出来。
当电容器需要释放电能时，将其连接到一个电路中，电容器会开始释放电荷，电场开始崩溃。
这导致极板上的电荷开始流动，产生电流。
这个电流可以在电路中驱动其他电子元件工作，实现电能的转化和利用。
总之，电容器的储能原理是基于电场存在和电介质储存电荷的能力。
通过施加电压，电容器可以将电荷堆积在极板上，形成一个储存电能的状态。
当需要释放电能时，电容器会释放电荷，产生电流，从而实现能量的转化和利用。
脉冲功率电源中的无电抗器电容储能技术
脉冲功率电源中的无电抗器电容储能技术脉冲功率电源中的无电抗器电容储能技术无电抗器电容储能技术是一种在脉冲功率电源中常用的储能方式。
在这种技术中，电容器被用来储存电能，并通过无电抗器进行管理。
下面将逐步介绍这种技术的原理和应用。
第一步，了解无电抗器电容储能技术的原理。
在脉冲功率电源中，频繁出现电流的突变和瞬态过程。
由于突变电流会产生电感器的电感反应，因此需要通过无电抗器来消除这种反应。
无电抗器是一种电路元件，其电感和电容值均为零，因而能够有效消除电感反应，提高电能的传输效率。
第二步，了解无电抗器电容储能技术的工作原理。
在脉冲功率电源中，电容器会通过电流的突变来储存电能。
当脉冲电流突变时，通过无电抗器的作用，电感反应会被有效抑制，使电容器能够更好地储存电能。
此时，无电抗器起到了平衡突变电流的作用，保证了电容器的正常工作。
第三步，了解无电抗器电容储能技术的应用。
这种储能技术广泛应用于脉冲功率电源系统中。
例如，在雷达系统中，频繁的脉冲信号需要被传输和处理。
通过使用无电抗器电容储能技术，可以有效地储存和传输这些脉冲信号，提高雷达系统的性能和稳定性。
此外，该技术还可应用于激光器、电子设备等领域，提高功率传输的效率和稳定性。
第四步，了解无电抗器电容储能技术的优势和限制。
这种技术具有响应速度快、能量传输效率高、稳定性好等优点。
同时，无电抗器电容储能技术也存在一定的限制，如对电容器的要求较高，成本较高等。
综上所述，无电抗器电容储能技术是一种在脉冲功率电源中常用的储能方式。
通过无电抗器的作用，可以消除电感反应，提高电能的传输效率。
该技术在雷达系统、激光器、电子设备等领域具有广泛的应用前景。
虽然存在一定的限制，但其优势仍使其成为脉冲功率电源中重要的储能技术之一。
电容储能脉冲功率源工作原理
电容储能脉冲功率源工作原理
电容储能是被讨论最早的一种储能方式，也是目前应用最广的储能方式。
其技术成熟，可用于毫秒、微妙、纳秒量级的脉冲功率装置中。
作为储能器件，具有容量大、内部电感微小、耐压高的特性，储能达数千焦耳至数兆焦耳，缺点是储能密度低，在10^7J以上的装置上使用不够经济。
模块化电容储能脉冲功率源系统主要由三个部分组成：
● 电容充电装置；
● 脉冲成形网络模块；
● 测控系统。
电容储能脉冲功率源工作原理可以下图来说明
图示：单模块脉冲功率电源电路
电容储能式功率脉冲电路包括高压充电电源U、储能电容C、阻尼二极管D1、主开关K1、调波电感L和负载R几部分。
开关采纳真空触发开关，应具有极高的di/dt性能。
调波电感用来调整负载电流的幅度和脉宽。
阻尼二极管的作用是防止反向电压对电容反向充电，避开损坏电容器。
负载R包括轨道阻抗和电枢阻抗。
假设开关是抱负的，当开关K2闭合时，电容向负载放电，同时向电感充电，此阶段为电流上升阶段，二极管D1，反偏截止；当电流上升到最大值时，二极管D1正偏导通，阻挡电流对电容反向充电，此时电感中积蓄的能量经二极管DI、D2连续向负载供应，此阶段为电流下降阶段。
整个过程可用如下函数来表示
式2中，I0为电流最大值；T为电流脉冲底宽。
放电电流曲线见下图3。
t＜t0负载电流呈正弦变化；t≥t0负载电流呈指数变化。
图2：放电电流曲线。
电容针尖脉冲
电容针尖脉冲
电容针尖脉冲是指电容器放电时产生的脉冲现象。
当电容器内存储的电荷被释放时，会形成一个瞬时的电流脉冲，这个脉冲会导致电路中产生一个尖峰电压。
这种尖峰电压的形状通常是一个非常短暂的高峰，然后迅速衰减。
电容针尖脉冲可能会出现在多种情况下，包括但不限于以下几个方面：
1.电容器放电：当电容器被迅速放电时，特别是在高压或高能量系统中，会产生尖峰电压。
这种情况常见于电力系统中的高压开关放电或闪络器放电。
2.电磁干扰：在电路中，当电容器与电感器相结合时，可能会产生电磁干扰。
当电容器放电时，电流的突然变化会导致电感器中的磁场发生变化，从而产生额外的电压脉冲。
3.传感器和测量设备：一些传感器和测量设备可能受到电容针尖脉冲的影响。
例如，某些高精度测量设备在测量电压或电流时可能会受到电容针尖脉冲的干扰，导致测量结果出现误差。
4.保护装置触发：在一些保护装置中，例如过压保护器或过电流保护器，电容针尖脉冲可能会触发保护装置的动作，以保护电路或设备不受损坏。
对于电容针尖脉冲的管理和控制，可以采取一些措施，例如使用滤波器来减少电磁干扰、采用合适的保护装置来防止电压过高等。
此外，在设计电路和系统时，也应考虑到电容针尖脉冲可能带来的影响，并采取相应的措施来降低其影响。
新型电感储能高功率脉冲源放电特性研究
新型电感储能高功率脉冲源放电特性研究陈海川;陈永强【摘要】分析了一种基于可变电感储能的新型高功率脉冲电源,构建了新型脉冲电源的简化等效电路.基于电路理论导出了等效电路的微分方程,并对其进行了详细的分析计算,得到了等效电路在不同电路参数条件下的工作状态；分析总结了脉冲电源放电回路各参数对输出电流脉冲特性的影响.研究分析结果表明,通过调整放电回路参数,新型脉冲电源可以在负载中产生幅度高、前沿陡和宽度窄的高功率脉冲输出.【期刊名称】《西华大学学报（自然科学版）》【年(卷),期】2011(030)004【总页数】4页(P72-75)【关键词】新型脉冲电源;等效电路;放电特性;电路模拟【作者】陈海川;陈永强【作者单位】西华大学电气信息学院,四川成都610039;西华大学电气信息学院,四川成都610039【正文语种】中文【中图分类】TN784脉冲功率技术产生于20世纪30年代，现已成为一门技术领域中的独立学科。
它是国防科研和高新技术研究的重要技术基础，在近代科学研究中得到了广泛应用。
高功率脉冲源是利用电容或电感储存初始能量，然后利用大功率开关快速释放能量，再采用脉冲压缩电路进行脉冲压缩、整形后，在负载中形成幅度高、宽度窄的高功率脉冲［1］。
采用电容器组构成的高功率脉冲电源是研究和使用较早的一类脉冲电源，由于庞大的体积和复杂的控制电路限制了其广泛地应用。
电感储能型脉冲功率系统因其储能密度高，通常比电容储能密度高1～2个数量级，使得脉冲装置系统结构可做得紧凑，成本低［2-4］。
研究脉冲电源的放电特性是脉冲电源系统设计的重要工作之一。
本文分析了一种基于时变电感储能的新型脉冲电源，构建了新型脉冲电源的简化等效电路，研究了等效电路的放电特性，总结了脉冲放电回路各参数对输出电流脉冲特性的影响，为新型脉冲电源的系统研制工作提供了理论参考。
1 新型脉冲电源的等效电路新型脉冲电源由初始能源、储能时变电感和脉冲调整电路构成。
简化的等效电路为图1所示的RLC电路［5-6］。
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电容储能脉冲功率源工作原理
电容储能是被研究最早的一种储能方式，也是目前应用最广的储能方式。
其技术成熟，可用于毫秒、微妙、纳秒量级的脉冲功率装置中。
作为储能器件，具有容量大、内部电感极小、耐压高的特性，储能达数千焦耳至数兆焦耳，缺点是储能密度低，在10 J以上的装置上使用不够经济。
模块化电容储能脉冲功率源系统主要由三个部分组成：
● 电容充电装置；
● 脉冲成形网络模块；
● 测控系统。
电容储能脉冲功率源工作原理可以下图来说明
图示：单模块脉冲功率电源电路
电容储能式功率脉冲电路包括高压充电电源U、储能电容C、阻尼二极管D1、主开关K1、调波电感L和负载R几部分。
开关采用真空触发开关，应具有极高的di/dt性能。
调波电感用来调整负载电流
的幅度和脉宽。
阻尼二极管的作用是防止反向电压对电容反向充电，避免损坏电容器。
负载R包括轨道阻抗和电枢阻抗。
假设开关是理想的，当开关K2闭合时，电容向负载放电，同时向电感充电，此阶段为电流上升阶段，二极管D1，反偏截止；当电流上升到最大值时，二极管D1正偏导通，阻止电流对电容反向充电，此时电感中积蓄的能量经二极管DI、D2继续向负载供应，此阶段为电流下降阶段。
整个过程可用如下函数来表示
式2中，I0为电流最大值；T为电流脉冲底宽。
放电电流曲线见下图3。
t＜t0负载电流呈正弦变化；t≥t0负载电流呈指数变化。
图2：放电电流曲线。