脈沖功率(pulsed power)的實質(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)(20~100ns)的高峰值功率輸出。
脈沖功率系統(tǒng)一般由初始儲能技術(shù)(電容器儲能、電感器儲能、超導儲能、機械儲能、化學儲能、核能等)產(chǎn)生所需的初級脈沖波形(毫秒到微秒量級),然后再利用脈沖成形和開關(guān)技術(shù),在時間尺度上通過對能量的脈沖進行壓縮、整形,實現(xiàn)輸出脈沖峰值功率的放大,并輸出到負載,為高科技裝置和新概念武器提供強電脈沖功率源。下面本文主要根據(jù)當今脈沖功率技術(shù)發(fā)展介紹主要儲能系統(tǒng)及脈沖壓縮成形系統(tǒng)相關(guān)內(nèi)容。
圖示1:脈沖功率系統(tǒng)構(gòu)成拓撲圖
一、儲能或脈沖發(fā)生系統(tǒng)
目前脈沖功率技術(shù)的儲能方法有:電容儲能、電感儲能、化學儲能、機械儲能等幾種。
1.電容器儲能型系統(tǒng)
電容儲能是被研究最早的一種儲能方式,也是目前應(yīng)用最廣的儲能方式。其技術(shù)成熟,可用于毫秒、微妙、納秒量級的脈沖功率裝置中。作為儲能器件,具有容量大、內(nèi)部電感極小、耐壓高的特性,儲能達數(shù)千焦耳至數(shù)兆焦耳,缺點是儲能密度低,在107j以上的裝置上使用不夠經(jīng)濟。
2.電感儲能型電源系統(tǒng)
相比電容儲能,電感儲能的儲能密度高,系統(tǒng)體積小、重量輕、造價降低,因此應(yīng)用電感儲能有潛力得到更高的能量利用率和脈沖功率,并且電感儲能系統(tǒng)的絕緣問題相對容易解決。目前被廣泛應(yīng)用于等離子體物理、強激光、電磁輻射等研究領(lǐng)域。
3.化學儲能電源系統(tǒng)
化學儲能實際上就是利用儲能材料相接觸時發(fā)生化學反應(yīng),而通過熱能與化學能的轉(zhuǎn)換儲存能量儲存起來。它具有很高的儲能密度(例如tnt炸藥儲能密度為5.25*10^3j/cm³)。并且它們又能快速脈沖地釋放和轉(zhuǎn)換成電脈沖,所以現(xiàn)代脈沖功率技術(shù)常采用化學能的脈沖發(fā)電裝置,除高儲能密度的電化學電源(如蓄電池)外,常用的還有各種形式的磁通壓縮發(fā)生器(發(fā)電機)、脈沖磁流體發(fā)電機和磁流體電容器等。
4.機械儲能電源系統(tǒng)
機械儲能裝置最常見的是脈沖發(fā)電機和單機發(fā)電機,并且多是先用透平機或電動機把大質(zhì)量飛輪驅(qū)動起來旋轉(zhuǎn)到高速度,使飛輪慣性地儲存動能,然后突然轉(zhuǎn)接到脈沖發(fā)電機的轉(zhuǎn)子軸上,使其產(chǎn)生電脈沖輸出,同時飛輪因釋能而被減速或停轉(zhuǎn)。
二、脈沖壓縮或成形系統(tǒng)
脈沖成形系統(tǒng)是通過能量或時間壓縮方法,對儲能或發(fā)生系統(tǒng)輸出的功率脈沖進行整形和變窄,以達到需要的脈沖功率值和脈沖形狀以及脈寬的要求。主要有以下幾種類型:
1.脈沖功率變壓器
脈沖功率變壓器不同于一般的脈沖變壓器,它具有大脈沖功率容量,主要用它改變電壓和電流幅值,以及壓縮和改變脈沖形狀,主要有4類:①雙諧振脈沖變壓器;②電纜繞組型脈沖變壓器(空心和鐵心的);③納秒脈沖變流器;④特殊脈沖變壓器,包括馬丁式、hpg饋電式、自耦三段式、非均勻傳輸線式、串級式脈沖變壓器。
2.大功率短路開關(guān)
大功率短路開關(guān)可以隔離或閉合脈沖功率裝置,轉(zhuǎn)換能量,縮短脈沖前沿和壓縮脈沖,從而改變脈沖形狀。大功率短路開關(guān)種類繁多,主要有:①用電極觸發(fā)的氣體放電開關(guān)(包括三電極放電器和四電極短路開關(guān));②激光觸發(fā)的短路開關(guān);③觸發(fā)真空開關(guān)(包括平面電極型、同軸電極型、桿排電極型、圓筒陽極型和金屬等離子體電弧開關(guān));④固體開關(guān)(包括可控固體開關(guān)、半導體功率器件和光電導通脈沖功率開關(guān));⑤表面放電開關(guān);⑥自擊穿開關(guān)(包括二電極自擊穿開關(guān)和多開關(guān)型整流器);⑦大功率氣體和液體場畸變開關(guān);⑧連續(xù)-重復(fù)脈沖開關(guān);⑨磁開關(guān)。
大功率斷路開關(guān)常用于電感儲能脈沖功率裝置,其功能是切斷電路、升高電壓和時間壓縮脈沖,主要有:①電爆炸導體斷路開關(guān)(金屬絲或箔);②等離子體融蝕斷路開關(guān)(融蝕模型和雪犁模型);③機械式斷流器(包括真空斷流器、波紋式斷流器和受控固體斷路開關(guān));④金屬等離子體弧開關(guān);⑤交叉場管;⑥等離子體槍或dpf開關(guān);⑦熱驅(qū)動斷路開關(guān);⑧超導斷路開關(guān);⑨非線性電阻固體開關(guān);⑩反射開關(guān);電子束控制開關(guān)(含閉合功能);炸藥爆炸斷路開關(guān)(單向碎裂型和無感型)。