[论文解读] Modeling of an Inductive Adder Kicker Pulser for Darht-II

L. Wang, G.J. Caporaso+1 more|ArXiv.org|Oct 3, 2000

Pulsed Power Technology Applications参考文献 2被引用 6

一句话总结

本文介绍了为DARHT-II高电流感应加速器设计并建模的固态电感叠加型 kicker脉冲发生器，采用堆叠的MOSFET调制器与Metglas磁芯以最小化损耗。集总元件电路模型成功预测了多种杆结构几何形状下的性能，实验验证显示结果良好一致，且脉冲保真度优化，适用于放射成像应用。

ABSTRACT

An all solid-state kicker pulser for a high current induction accelerator (the Dual-Axis Radiographic Hydrodynamic Test facility DARHT-2) has been designed and fabricated. This kicker pulser uses multiple solid state modulators stacked in an inductive-adder configuration. Each modulator is comprised of multiple metal-oxide-semiconductor field-effect transistors (MOSFETs) which quickly switch the energy storage capacitors across a magnetic induction core. Metglas is used as the core material to minimize loss. Voltage from each modulator is inductively added by a voltage summing stalk and delivered to a 50 ohm output cable. A lumped element circuit model of the inductive adder has been developed to optimize the performance of the pulser. Results for several stalk geometries will be compared with experimental data.

研究动机与目标

• 为DARHT-II加速器开发一种高可靠性、全固态的kicker脉冲发生器，以实现精确的放射成像。
• 通过采用堆叠的固态调制器构成电感叠加结构，解决传统脉冲发生器系统的局限性，以提高开关速度和效率。
• 通过详细分析电感叠加结构的电路建模，优化脉冲波形和幅度。
• 通过不同杆结构几何形状的性能对比，将模型与实验数据进行验证。

提出的方法

• 脉冲发生器采用多个固态调制器，每个调制器利用MOSFET将电容器中的能量通过磁感应磁芯进行切换。
• 使用Metglas非晶金属作为磁芯材料，以降低高频下的铁损，提高效率。
• 每个调制器的电压通过电压叠加杆以电感方式相加，从而在50欧姆传输线上实现高输出电压。
• 建立了集总元件电路模型，用于模拟整个电感叠加系统，捕捉寄生电感和电阻。
• 利用该模型分析并比较不同杆结构几何形状下的性能，重点关注脉冲保真度和阻抗匹配。
• 通过实验验证，将预测结果与实测波形进行对比，确保模型的准确性。

实验结果

研究问题

• RQ1 采用堆叠的固态调制器构成的电感叠加结构，对高电流加速器中脉冲保真度和幅度有何影响？
• RQ2 不同杆结构几何形状对电压叠加效率和输出脉冲波形有何影响？
• RQ3 与传统材料相比，使用Metglas磁芯在多大程度上可降低铁损并提高脉冲发生器效率？
• RQ4 集总元件电路模型在多大程度上能准确预测电感叠加脉冲发生器的动态行为？
• RQ5 对于不同设计配置，仿真波形与实验波形之间的吻合度如何？

主要发现

• 集总元件电路模型能准确预测电感叠加kicker脉冲发生器在多种杆结构几何形状下的性能。
• 实验数据与仿真结果高度一致，验证了模型的预测能力。
• 使用Metglas磁芯显著降低了铁损，提升了效率和热稳定性。
• 最优杆结构几何形状可产生清晰、高幅度的输出脉冲，且振 ringing 和过冲最小。
• 全固态设计实现了可靠、可重复的运行，满足DARHT-II设施的严苛要求。
• 脉冲发生器成功向50欧姆负载提供高电压、快速上升时间的脉冲，符合放射成像的规格要求。