脉冲功率系统的原理与应用

Pulsed power systemprinciples and applications

作者：H. Bluhm，翻译：江伟华

序

很长时间里脉冲功率技术的发展集中在美国和前苏联，主要用于国防。

最近一二十年逐渐开始工业应用，主要贡献来自于欧洲和日本的研究者。

前言

经典著作：J.C.Martin on pulsed power

普遍认为发源于美国，冷战后发现前苏联科学家也取得了杰出成就。

生物应用主要先驱：美国OldDominion University，日本熊本大学以及德国卡尔斯鲁厄工大。

第一章脉冲功率的基本概念

参数：上升时间，下降时间，脉宽（FWHM或者90%幅度之间时间），平坦度。

采用电容储能时：w_e=εε₀E²/2

磁场能够容纳的最大能量密度比电厂要高出2个数量级。

电容电路使用闭合开关，电感电路使用断路开关，由于很难制造稳定的断路开关，大多数脉冲功率发生器仍然采用电容储能，尽管其能量密度比电感储能要低得多。

主要特点：可以带来临界和非线性效应，有效抑制热效应。

军事应用：二战后，在军事应用需求下不断进展，主要是脉冲功率武器的研制和模拟以及诊断工具的开发，如电磁发射器和脉冲雷达。作为武器使用不多，但多用于研究和开发，如核效应、冲击波效应和闪光X射线摄影等。

其他应用：电震发生器和医用碎石器，脉冲X光食品杀菌消毒等。

第二章绝缘材料的静态与动态耐压强度

2.1 引言

影响耐压强度的主要因素包括电场的时间作用积分，其与击穿概率有关（后续公式）。

绝缘击穿是一个统计学现象。

大多数情况下，击穿过程主要由电子完成，因其迁移率远大于离子。

耐压强度受材料状态的影响甚小，主要取决于材料的密度。

气体或液体绝缘材料在击穿导电结束后可自动恢复，而固体材料会留下不可复原的损伤。

2.2 气体

汤森条件（Townsend condition）下，阴阳极间的电流能够自身维持，意味着电极间发生击穿。汤森条件给出了电极间距d和击穿电压之间的函数关系。

因此对于给定的气体和电极材料，均匀电场间隙的击穿电压Ub是压力与电极间距乘积的函数-巴申（帕邢Paschen）曲线。存在最小值，巴申最小值

右侧区域，当电场足够高时，阴极会发生电子的场致发射。

SF6为常用耐压气体，属于电负性气体，特征为分子具有很强的电子吸附能力，形成负离子。其他含卤族元素（Cl，F，I等）的气体分子也是电负性，包括氧气O2。

卤族元素指周期系ⅦA族元素。包括氟（F）、氯（Cl）、溴（Br）、碘（I）、砹（At），简称卤素。卤族元素的单质都是双原子分子。

SF6即使被其他气体稀释，也能保持很高的耐压强度。

当电极表面为球面或者圆柱形时，可以引入场增强因子来计算击穿电压。

空间电荷效应，流注机制（streamer），大气压下电子雪崩的临界电子数量为10⁸。

隧道效应：在两层金属导体之间夹一薄绝缘层，就构成一个电子的隧道结。实验发现电子可以通过隧道结，即电子可以穿过绝缘层，这便是隧道效应。

在汤森击穿过程中，多次连续电子雪崩能够逐步发展直到产生准稳定的辉光放电或者辉光火花跃迁。

辉光放电（glow discharge）是指低压气体中显示辉光的气体放电现象，当两极间电压较高（约1000伏）时，稀薄气体中的残余正离子在电场中加速，有足够的动能轰击阴极，产生二次电子，经簇射过程产生更多的带电粒子，使气体导电。辉光放电的特征是电流强度较小（约几毫安），温度不高，故电管内有特殊的亮区和暗区，呈现瑰丽的发光现象。

火花放电的形成：当流注贯穿了整个高压间隙后，电极间形成导电通道，在电源能够维持的范围内，电流不断上升并加热等离子体通道，直到形成低阻抗电弧。

如果一个电脉冲足够短，即使在短时间内电压超过击穿电压，也有可能不击穿。在流注形成时间和导电通道形成时间大于脉冲持续时间的情况下这是完全有可能的。

电晕放电类型

2.3 液体

目前还没有一个较全面的理论可以描述液体的击穿现象，击穿的基本过程可以分为两类，即液体中过程和电极表面的过程。

电极表面的过程在液体击穿中起决定性作用，特别是在脉冲条件下，多数情况击穿是从电极表面逐步发展起来的。

即使是非常纯净的水，自身电离也会导致4μS/m左右的电导率，因此水不适合做直流绝缘。但是离子电流对于亚微秒脉冲击穿过程不产生任何影响（纳秒击穿）。

液体中的杂质会沿电场方向排列，影响介电强度，但是液体里的杂质对于小于数微秒的短脉冲影响不大。

最重要的液体绝缘材料是矿物油（mineraloil）

2.4 固体

固体在电场作用下形成缺陷直至击穿的时间演变过程。

2.5 击穿场强的统计学处理

第三章能量储存

3.1 脉冲电容器

使用电容器的主要原因是与电感储能脉冲发生器的断路开关相比，稳定而可重复的快速闭合开关要普及的多，另外电容器的能量保持时间远远大于电感储能装置。

电容器的等效电感L依赖于电容器的内部结构，它决定了输出电流的最大值

3.2 Marx发生器

Marx发生器各级开关导通的建立过程，需要时间通常在微秒量级。

Marx发生器的阻抗为：

阻抗随着级数增加而增大，因此输出功率也减小，因此在很多高功率脉冲发生器中，Marx发生器主要任务是想一个中间存储电容器进行充电。

大多数Marx发生器用能够触发的三电极火花间隙作为第一阶段开关。

Marx发生器的重复频率与各个电容器的充电时间有很大关系。

LC Marx发生器的优点是电感很小，困难是所有开关必须在低抖动条件下同步。

3.3 电感储能：如果说电容储能的发生器是电流放大器，那么电感储能则是电压放大器。

3.4 转子的单极发生器

第四章开关

4.1 闭合开关

对于所有气体开关系统，开关工作过程可以分为4个阶段：

1. 触发阶段（触发放电的建立）

2. 转移阶段（从高阻抗状态转移到低阻抗状态）

3. 稳定状态（稳定传导）

4. 恢复阶段（恢复耐压强度）

气体火花间隙的一些重要设计参数：自击穿电压，击穿电压的误差（决定击穿的几率），工作范围（保证可靠触发同时避免误击穿），时间抖动，开关时间（开关电阻和电感的衰减时间），击穿前的电感和电容，重复频率性能，使用寿命和费用。

输出脉冲的上升时间与开关的电压衰减密切相关，可以表示为电阻项和电感项的和：

多通道火花间隙可以减小开关电感缩短电阻性阶段的时间，产生上升沿较快的脉冲，由于能量沉积分布区域增大，电极损耗较小。

其他火花开关：闸流管（Thyratrons），赝火花开关（pseudosparkswitch），点火管（ignitrons），弧光放电充气管（krytrons），真空触发开关（triggervacuum gap）

闸流管工作电压为几十千伏量级，触发延迟可达200ns量级，能够在千赫兹的重复频率和兆瓦级的功率下工作10⁵小时。

点火管的典型电流上升时间为300-500ns，重复频率一般不超过1Hz。

TVG的时间抖动约为30ns，而开关时间约为100ns。

半导体开关：晶闸管（thyristors），绝缘栅双极晶体管（IGBT），光导半导体开关，

提高半导体开关功率的方法只有一个，那就是增加载流通道的面积。

单个的IGBT期间与晶闸管相比在1k到1.8kV电压范围内具有较低的电流容量，闭合时间在10ns数量级。然而其复杂性和高费用有时妨碍使用。

磁开关的优点是具有很强的可重复性、无磨损和较短的恢复时间，不利因素是不能产生一个理想的矩形脉冲波形。

4.2 断路开关

第五章脉冲成形电路

很多应用需要稳定的电压平顶，因此有必要将LC元件进行各种排列，称为脉冲成形电路。

5.1 传输线

集中参数（点）还是分布参数（传输线）主要由储存和释放能量时间τ决定，τ大于传输时间，元件可视为集中参数，反之需作为分布参数处理。

趋肤效应：当导体中有交流电或者交变电磁场时，导体内部的电流分布不均匀，电流集中在导体的“皮肤”部分，也就是说电流集中在导体外表的薄层，越靠近导体表面，电流密度越大，导线内部实际上电流较小。结果使导体的电阻增加，使它的损耗功率也增加。这一现象称为趋肤效应(skineffect)。

两段传输线连接处如果想消除反射，阻抗相等是必要但非充分条件。如果传输线几何尺寸突然变化，仅靠基本波过渡是不能满足麦克斯韦方程的，此时需要考虑高次谐波。

截止波长（波长大于此值无法传播）可用以下关系估算其中ra和ri分别为外半径和导体半径。

下图中充电电阻的阻抗如果非常高，输入端可以看为开路

5.2 RLC网络

如果需要产生大于500ns的脉冲，传输线就不适用了（太长），需要使用RLC电路

延迟电路只能用电容和电感的组合来实现，其与传输线是完全等价的。

无衰减传播的频率范围，其上限是

电路的特征阻抗是：

单程脉冲传输时间约为，脉宽为两倍

5个LC单元组成的电路输出脉冲

LC脉冲成形网络的基本特性是可以认可的，但是脉冲开始和结束时有一个大幅度的过冲，有时候是不可接受的缺点。解决方案之一是Guillemin发生器，通过牺牲上升沿时间减弱过冲。

Guillemin电路能够用较少的器件实现较好的波形，但缺点是其中每个单元的L和C都不一样，实际应用中很难找到和所需电容量一致的高压脉冲电容器。

5.3 使用Leiter软件的电路模拟

第六章脉冲传输与变换

6.1 磁绝缘

6.2 脉冲变压器

可以转换电流、电压和阻抗，也可以用于极性变换，还可以用来进行不同电位的电路之间的耦合。

为获得尽可能快的上升沿，L1和C应尽可能小，变压器的磁心必须在高频下具有足够大的磁导率（较好的耦合），因此脉冲变压器的增压比不能太大。

方波电压转换时，会出现电压随时间降低的现象，为减小电压衰减，L必须足够大，令衰减时间远大于脉冲时间。

6.3 高压充电器

6.4 变阻抗线：除了脉冲变压器，变阻抗线也可以用来将脉冲发生器的阻抗与负载匹配。

第七章功率叠加和电压叠加

7.1 功率叠加

输出功率的极限决定于电磁波在圆周方向的传播时间是否超过脉冲宽度，因此单一脉冲成形线的输出功率一般小于15TW。

为了获得更高的功率，需要多个单元并联，并同步工作，此外还有阻抗匹配。

7.2 电压叠加

普通成形线的一个问题是负载电压只是输入电压的一半，另外输出开关常和负载相邻，在脉冲充电时可能会在负载上产生预脉冲。

使用Blumlein线可以将负载与开关分离。

累加型脉冲成形线能产生高于充电电压数倍的输出电压，且只需要一个开关。本书中介绍的例子为n条时间长度相等阻抗不断增加的传输线串联而成，最后输出阻抗较大。

第八章典型的脉冲功率发生器

8.1 单次脉冲发生器

8.2 重复频率脉冲发生器：工业一般需要1Hz以上的频率，至少能工作10⁸– 10⁹个脉冲，必须采用火花间隙以外的无磨损开关，或大幅降低开关的工作功率。因此磁开关和半导体开关更适用于工业应用。

第九章诊断

传感器的位置和结构，必须满足不扰动被测场分布的条件，电容耦合和电感耦合可以满足。传统的电阻分压可能带来绝缘上的薄弱环节，应用受到一定限制。

9.1 电磁场传感器

Rogowski线圈的输出信号与被测电流成正比，最低响应频率由r+R《Lω决定，上限由线圈的LC共振频率决定。

9.2 分流器

9.3 利用法拉第效应的电流测量

9.4 利用电光效应的电场测量

9.5 磁偏转粒子能量分析器

9.6 真空电压探测器

第十章脉冲电场和脉冲磁场的应用

10.1 脉冲电场

从植物细胞中提取糖类、淀粉类或者油类需要打开细胞膜。书中列举了对甜菜进行电穿孔提高糖产量的例子。

杀菌应用中，人们发现芽孢（spore）基本不受电场影响。杀菌始终没有产业化应用的一个重要原因是缺少合适的脉冲功率发生器。

此外当脉冲数上升时，杀菌率会出现饱和，但是似乎并不是由于细菌增强了抗电能力，总之用脉冲电场杀菌处理应用价值有限。

书中对杀菌的应用给出三点建议：1.减少食物中细菌数量延长保存时间；2.降低污水处理厂排放水的含菌量以保护环境；3.与其他生物、化学和物理方法结合起来，寻找更加有效，并且从生态和经济角度更加具有吸引力的处理技术。

其他应用：生物附着，未来领域包括利用微生物的产品制造（增强化学酵素在分解细菌细胞膜方面的作用），医学应用

10.2 脉冲磁场

第十一章脉冲辐射及其应用

11.1 高功率脉冲电子束

11.2 高功率脉冲离子束

第十二章固体和液体介质中脉冲放电的应用

12.1 体外冲击波碎石

1980年出现，体外冲击波碎石（ESWL）已经成为治疗尿路结石和胆结石的最有效手段。已有数百万病人在世界范围接受此种治疗，几乎没有副作用。

12.2 固体绝缘材料的电脉冲破碎

12.3 工业应用：建筑材料的再生处理，燃灰处理，表面层的清除处理，其他物品的再生处理，弹性塑料的再生处理

所有再生处理技术的经济性都取决于：系统价格，比能耗，操作与维持费用，人员费用。实验室装置等比例放大时会出现很多问题。