脈沖功率系統(tǒng)的原理與應用

脈沖功率技術(shù)指的是將低功率（電壓、電流）能量儲存在電場或磁場中，通過脈沖形成線和開關(guān)技術(shù)將其在時間尺度上壓縮，而將電壓、電流提高，以獲得極短脈沖的高峰值功率電磁能量并釋放到負載上去的一種能量壓縮技術(shù)。由此可見，脈沖功率裝置應該主要包括3大基本部分：低功率下的儲能部分——初級能源；脈沖產(chǎn)生系統(tǒng)，即由低功率獲得高功率的變換部分——脈沖形成及壓縮系統(tǒng)；高功率負載——二極管系統(tǒng)。

脈沖功率裝置是相對論電子注器件不可分割的組成部分，它的性能直接影響著器件的輸出參數(shù)。

馬克斯發(fā)生器——脈沖形成線——二極管組合是一種最典型、使用最廣泛的脈沖功率裝置；采用直線脈沖變壓器或Tesla變壓器都可以替代馬克斯發(fā)生器產(chǎn)生初級高壓脈沖對脈沖形成線充電。直線脈沖變壓器的特點是電容器組的充電和放電過程都是并聯(lián)的，利用變壓比為1:1的脈沖變壓器使次級電壓因感應電壓疊加原理而與初級線圈電壓成N倍（N為初級線圈的個數(shù)）增長；Telsa變壓器簡單可靠，特別是它與同軸形成線在結(jié)構(gòu)上一體化，十分緊湊，它還適合于重復頻率運行，但它難以獲得數(shù)兆伏電壓和大的儲能，因此適合中、小功率應用。

爆炸磁壓縮脈沖功率系統(tǒng)也是高功率微波中得到重要應用的一種高功率脈沖源，它可以在us量級的時間內(nèi)輸出MJ量級的能量。其最主要的缺點是只能一次性使用。

1、由單次脈沖向重復的高平均功率脈沖發(fā)展。

過去脈沖功率技術(shù)主要為國防科研服務，并且大多是單次運行，而工業(yè)、民用的脈沖功率技術(shù)要求一定的平均功率，必須重復頻率工作。

2、儲能技術(shù)--研制高儲能密度的電源。

在很多應用場合下，脈沖功率系統(tǒng)的體積和重量的大小是決定性因素，如飛機探測水下物體技術(shù)、艦載電磁炮等，都要求產(chǎn)生很大的脈沖功率，而且系統(tǒng)又不能過于龐大和笨重。

3、開關(guān)技術(shù)--探討新的大功率開關(guān)和研制高重復頻率開關(guān)。

開關(guān)元件的參數(shù)直接影響整個脈沖功率系統(tǒng)的性能，是脈沖功率技術(shù)中一個重要的關(guān)鍵技術(shù)。具有耐高電壓強電流、擊穿時延短且分散性小、電感和電阻小、電極燒毀少以及能在重復的脈沖下穩(wěn)定工作的各種類型開關(guān)元件的研制，是當前國內(nèi)外脈沖功率技術(shù)中又一個十分受重視的研究課題。

4、積極開辟新的應用領(lǐng)域。

近年來，脈沖功率技術(shù)在半導體、集成電路、化工、環(huán)境工程、醫(yī)療等領(lǐng)域的應用研究，已引起各界的廣泛重視，而且在某些應用研究中，已取得了可喜的進展。憑借成功應用的經(jīng)驗，脈沖功率技術(shù)將更多地應用于民用技術(shù)方面，民用是一個巨大的市場，而市場的推動又必將給脈沖功率技術(shù)的發(fā)展帶來新的生機。脈沖功率技術(shù)是現(xiàn)代電力電子技術(shù)中的一項重要內(nèi)容，作為非平衡態(tài)等離子體中的重要方式，近年來逐漸被廣泛應用于環(huán)境工程領(lǐng)域內(nèi)，在處理環(huán)境污染的過程中，其具備高效、節(jié)能、清潔且便捷等優(yōu)勢，具有廣闊的應用前景。

1、脈沖功率裝置的構(gòu)成。

脈沖功率技術(shù)，就是將緩慢儲存起來的具有較高密度的能量，進行快速壓縮，轉(zhuǎn)換或者直接釋放給負載的電物理技術(shù)。其實質(zhì)是將脈沖能量在時間尺度上進行壓縮，以獲得在極短時間內(nèi)的高峰值功率輸出。該技術(shù)是為滿足國防科研需要而發(fā)展起來的一門新興科學技術(shù)，它是獲得強流相對性電子束或離子束的重要手段，被廣泛應用在國防科研、高新技術(shù)研究和民用工業(yè)等諸多領(lǐng)域中。

現(xiàn)階段常用的初級能源主要包括：以電場形式儲能的電容器或者Marx發(fā)生器、具有磁能的電感或者脈沖變壓器、具有一定轉(zhuǎn)動慣量的各類機械能發(fā)電機、化學能裝置、核能裝置。常用的中間儲能系統(tǒng)和脈沖成形系統(tǒng)包括：脈沖變壓器、容性傳輸線（形成線）、感性儲能器、磁通壓縮器（磁放大器）、磁流體發(fā)電機的通道發(fā)電系統(tǒng)、以及使用機械能的感應發(fā)電系統(tǒng)等。轉(zhuǎn)換系統(tǒng)包括了電源內(nèi)各種轉(zhuǎn)換開關(guān)，包括閉合開關(guān)和斷路開關(guān)兩類。各種開關(guān)根據(jù)其應用方式不同可以分布在脈沖電源的不同位置。高功率脈沖電源首先將能量儲存于初級能源，而后通過中間儲能和脈沖形成系統(tǒng)充電，最后經(jīng)過壓縮、脈沖成形或轉(zhuǎn)化等過程后，快速放電給負載。

2、國內(nèi)外功率脈沖技術(shù)的發(fā)展歷史和研究現(xiàn)狀。

20世紀30年代，人們開始嘗試使用電容放電產(chǎn)生X射線，這就是功率脈沖技術(shù)的起源。從1964年，世界上第1臺強流電子束加速器SMOG（3MV，50kA，30ns）研制成功后，美、日、蘇及歐洲許多先進國家的主要實驗室都先后建造了眾多的高功率脈沖裝置。

Sandia實驗室在1986年研制出的脈沖功率裝置PBFA-II（12MV，8.4MA，40ns）是世界上第1個闖過100TW大關(guān)的脈沖功率裝置。我國的高脈沖功率技術(shù)起步相對較晚，上世紀70年代，王淦昌教授領(lǐng)導的研究小組正式開始高功率脈沖電子束發(fā)生器的研究。1979年北京高能物理所建成了當時我國最大的強流脈沖電子束加速器閃光-I，應用于γ射線模擬源。之后一系列強流脈沖電子束加速器的建成，為我國在集體離子加速、準分子激光、電磁軌道炮、閃光X射線照相、高功率微波等高新技術(shù)領(lǐng)域的研究創(chuàng)造了較好的條件。