直流分析 交流分析 参数分析 瞬态分析
参考：OrCADPSpiceAD9_21简明教程
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2.1 概述
第二章 脉冲功功率，积累起来得到一定的能量，然后将其以高得多的 功率释放到负载上。
3~4学时
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参考书目
Peter D. Pearce: Application of pulsed power technology in accelerators and industry, not published, 2006 S T Pai, Qi Zhang: Introduction to high power pulse technology, World Scientific Publishing Co. Pte. Ltd., 1995 曾正中：《实用脉冲功率技术引论》，陕西科学技术出版社，2003 刘锡三：《高功率脉冲技术》，2005 韩旻：《脉冲功率技术基础》，清华大学电气工程与应用电子技术系，2002
tr I max
— 上升时间 — 峰值电流
现代大型脉冲功率装置的 K pr 已达到1018~1020 W/s ！
世界最大的发电站：
K pr Pmax tr Pmax T /4 4 f Pmax 4 50(Hz) 10 (W) 2 10
10 12
W/s
远低于脉冲功率装置所能达到的功率增长率。 TW级的束流功率并不能够使用传统的加速器得到 ！
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加速器中的脉冲功率技术
邢庆子 清华大学工物系加速器实验室 Tel: 62788047 – 8 (o) E-mail: xqz@
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我国的脉冲功率技术 主要与我国可控核聚变研究、电子束与粒子束加速器、新兴强激光 等重大科学技术项目和国防的需要紧密结合而发展起来的。 “闪光一号” 6MeV高阻抗强流相对论电子束加速器、10MeV感应直 线加速器：中国工程物理研究院 “闪光二号” 0.9MV、0.9MA低阻抗相对论加速器：西北核技术研究 所 “神光二号” 用于激光核聚变：中物院和上海光机所合建 超导Tokmak磁约束聚变研究装置：中科院合肥等离子体所 DPF-250等离子体焦点装置：清华大学电机系 ……
李正瀛：《脉冲功率技术》，水利电力出版社，1992
会议文集：IEEE Pulsed Power Conf., IEEE Trans. on Plasma Science, ……
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/ppps2007/
储能 （J）
脉冲功率
功率(W) U(V) I(A) 脉宽(s)
2.5×107 1010~1014 106~107 107~108 10-1~10-8 108~1010 108~1014 109~1011 4.2×107 109~1012 1011 109~1010 1010 1012 105 3×105 107 105 1~10-3 10-2~10-3 10-3~1 10-2~10 10-4~10-6
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Accelerator Lab of Tsinghua University 四种常用储能方式的比较：
储能 方式
电容 电感 机械 化学
储能密度 （比能）
J/g
0.1 2~5 36~50 1.5~10 3~15 5000
储能器
J/cm3
0.1~0.5 0.5~5 40~100 100
脉冲电容器 电感器 超导电感器 脉冲发电机组 脉冲单极发电机 高级炸药
1）储能密度高。
电容和电 感储能密度 的比较：
脉冲电容器
电容 C=2.8 μF 电压 U=50 kV
电感线圈
电感 L=80 mH 电流 I=5 kA
储能 W=3.5 kJ
体积 V=6.3×104 cm3 储能密度 W’=5.5×10-2 J/cm3
储能 W=1 MJ
体积 V=74×104 cm3 储能密度 W’=1.35 J/cm3
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2.2 电容储能
基本定义：
以电荷的形式储存电能： 电容大小： C r 0 相对介电常数：
A d
绝缘材料 真空 1个大气压的空气 聚苯乙烯 1 1.00059 2.5
Q C (Coulombs) V
黄文会
黄文会 程诚
2
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07/06/20(周三) 考试
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内
电容储能 电感储能 传输线理论
容
3~4学时
第二章 脉冲功率技术基础
PSpice软件使用介绍
1学时
第三章 高压脉冲形成系统
Marx发生器 脉冲形成线理论 Blumlein形成线
(Farads)
储存的能量： E C 2 (Joules) V
2
相对介电常数 r
1
聚丙烯
聚碳酸酯 聚乙烯 绝缘浸渍纸
2.5
2.8 3.0 2~6
云母
Al2O3 玻璃 Ta2O3 陶瓷
6.5 ~ 8.7
7 4 ~ 9.5 10 ~ 25 20 ~ 12000 15
Accelerator Lab of Tsinghua University 尽管实际电路中不存在纯粹的分立元件，但合理的等效电路模型仍 然可以给出足够好的近似，并且物理意义明显。
脉冲宽度
（10-10~10-5） Sec
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Kwangwoon University 同轴 Vircator 实验装置示意图 ( IEEE Trans. Plasma Sci. 2005, 33:1353–1357)
实验结果：电压 245 kV、电流 36 kA条件下，获得了峰值功率约 244 MW 的微波脉冲。
2）以“水”代“油”：发展了低阻抗强流电子束加速器；
3）激光开关的应用：实现了多台装置并联运行； 4）感应加速腔技术：克服了高压绝缘的限制；
5）目前正处在第五次突破口：发展重复频率脉冲功率技术。
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Accelerator Lab of Tsinghua University 低功率 储存能量 高功率 输出
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Accelerator Lab of Tsinghua University 脉冲功率技术的发展： 20世纪60年代初，英国原子武器研究中心的马丁首先建议运用脉冲 功率技术，获得强流相对论性电子束，来产生高强度的X射线。他们成 功地将“二战”期间雷达上所采用的布鲁姆莱因（Blumlein）传输线技 术应用于闪光X射线照相研究，使得闪光X射线机的能量和强度都有了 极大的提高，从而开创了高功率脉冲技术研究的新纪元。 五个里程碑： 1）Blumlein传输线的应用：开创了脉冲功率技术的新纪元；
实际 电路
对电容某些参 数提出要求
选择合适的绝 缘材料
特点
电容误差大，温度系数和电压系数高； 介质损耗低，耐高温，适用于RF电路。 温度容量大，但介质损耗与频率相关； 适用于DC电路。
聚丙烯
云母
温度容量小，损耗因数小且与频率无关； 适用于AC电路。
稳定性高，耐高温，在很大频率范围内具有非常 小的损耗因数；但储能密度小，价格昂贵。
教学日历
周次 日期(星期) 授课内容 主讲人
1
2 3 4 5 6 7 8
07/03/07(周三) 粒子加速器中的脉冲功率系统
07/03/14(周三) 电容储能、电感储能、传输线等 07/03/21(周三) 电容储能、电感储能、传输线等 Pspice介绍
黄文会
邢庆子 邢庆子 倪建平
07/03/28(周三) Marx发生器、脉冲形成线、Blumlein形成线 邢庆子 07/04/04(周三) Marx发生器、脉冲形成线、Blumlein形成线 邢庆子 07/04/11(周三) 高压绝缘与击穿 07/04/18(周三) 高压绝缘与击穿 07/04/25(周三) 高压、大功率开关 郑曙盺 郑曙盺 程诚
C Ls Rs
E SR
Rs ：等效串联电阻 Ls ：等效串联电感
R p ：绝缘电阻，通常大于104 MΩ，
E SL
Rp
可以忽略
Z Rs
Rp 1 C Rp
2 2 2
j
Ls CR p C R p Ls
2 3 2 2
1 C Rp
2 2
2
谐振频率： f r
1 2 Ls C
脉冲功率技术包含的两个方面：
1）低功率脉冲技术 2）高功率脉冲技术（High Power Pulse Technology，简称 HPPT） HTTP典型参数： 能量 功率 （101~107） Joules （106~1014） Watt
电压
电流 电流密度
（103~107） Volt
（103~107） Amp （106~1011） Amp/m2
初级 能源
储存 能量
脉冲 形成
负载
直流充电 储能方式： 电容储能 电感储能 机械储能 传输线储能 化学能储能 ……
μs
脉冲放电