作为脉冲系统的核心部件，开关承担着脉冲成形、功率调制等重要作用，开关通断速度往往决定脉冲上升时间，高速开关是纳秒短脉冲形成的关键。提出一种高速SiC-MOSFET叠层封装结构，整体布局无引线、无外接，具有极低寄生电感。开展了电磁场仿真研究，揭示了脉冲形成过程中封装多介质界面电磁场分布规律，明确了封装结构电磁薄弱环节，为进一步绝缘优化提供指导。搭建双脉冲测试平台，对研制的SiC-MOSFET叠层封装开关与同芯片商用TO-263-7封装开关的动态性能进行测试。结果表明，大电流工况下，所提封装电流开通速度提升48%，关断速度提升50%，开通损耗降低54.6%，关断损耗降低62.8%，实验结果验证了所提叠层封装结构对开关动态性能的改善。

电磁发射的能力主要取决于脉冲功率电源系统，脉冲功率电源的优化是电磁发射技术取得进一步突破的关键技术之一。电感储能型脉冲功率电源在能量密度方面有很大优势，具备深远的发展潜力。基于串联充电和并联放电的XRAM型脉冲功率电源具有结构简单、可扩展性强的优点。分析了多级XRAM电源拓扑结构中二极管器件的工作原理，按照功能分类，提出了简化二极管器件数量的方案。建立了基于ICCOS的30级XRAM型脉冲功率电源带轨道炮负载的仿真模型，每5级为一个电源模块，系统总储能为365 kJ，发射效率近20%。通过对比简化前后模型性能指标的仿真结果，证明了简化第一级的下臂二极管不利于多级电源的运行。简化多级拓扑中的最后一级逆流电容串联二极管，以及在优化逆流电容参数的前提下简化充电晶闸管的反并二极管，对电源模块的放电电流没有明显影响。

为实现脉冲驱动源的高储能密度和紧凑化，研制了一种以甘油为储能介质，具有中筒螺旋和内筒螺旋的高功率双螺旋Blumlein脉冲形成线（BPFL）。首先，综合绝缘稳定性和储能密度考虑，分别计算BPFL的外线和内线尺寸。利用增加中筒和内筒螺旋的方式增加输出脉宽和形成线阻抗，实现BPFL的紧凑化设计。其次，利用场路协同仿真软件计算形成线内的瞬态场位形变化，结合瞬态场分布分析电压波在形成线内的传输过程，给出外线和内线传输时延的仿真结果。在此基础上，对中筒螺旋匝数、内筒螺旋匝数，以及开关电感等影响输出波形质量的情况进行详细分析。最后，根据仿真优化结果搭建基于双螺旋BPFL的10 GW实验平台。利用脉冲变压器对BPFL充电600 kV，在10 Hz重频条件下运行10 s，于50 Ω负载上产生峰值电压712 kV、半高宽136 ns的准方波脉冲，单脉冲能量与BPFL体积比达到10.8 kJ/m³，脉冲平顶峰峰值抖动为3.8%，与仿真结果吻合度较高。

磁开关是重复频率脉冲功率系统可选的工作性能优越的开关器件之一。目前磁开关的仿真模型是基于伏秒积分的宏观特性建立起来的纯电路模型，未考虑磁芯饱和过程中磁芯特性的变化，仿真难以准确预测磁开关负载上的预脉冲，波形的前沿误差也较大。测试获得了快脉冲激励下的铁基纳米晶磁芯磁滞回线和初始磁化曲线，利用磁芯磁滞回线的关键参数，提取了脉冲激励下的磁芯J-A参数，用于定义多物理场中磁开关模型的磁芯特性。针对磁开关脉冲压缩电路，利用多物理场仿真软件COMSOL建立了磁脉冲压缩系统电路与磁开关电磁场的场路耦合仿真模型，计算磁脉冲压缩电路的输出波形，与实验结果对比，预脉冲幅值误差为2%，峰值误差为2%，前沿误差为5%，证明了建立的场路耦合仿真模型的有效性和准确性。

随着脉冲功率技术的发展，纳秒脉冲电场被逐渐应用到等离子体水处理、不可逆电穿孔肿瘤消融等技术中。为了满足纳秒脉冲的应用需求，电源需要输出十几kV高压，拥有纳秒窄脉宽和快速的上升沿，同时尽量减小电源体积，降低成本。该纳秒脉冲电源采用电感隔离型Marx发生器结构，电路可以实现模块化叠加，电感隔离可以减少开关数量，抬升充电电压，以获得更高的电压输出。所设计的驱动电路仅需一路控制信号和一个直流供电模块，经功率放大和磁隔离后可同时控制所有放电管，该驱动电路结构简单、成本低、体积小，耐压水平高。所设计的24级电源样机，在50 kΩ阻性负载上，可输出0～14 kV电压，频率0.5～1 kHz，脉宽500 ns。该电源主电路的长宽高尺寸仅为23 cm×10 cm×12 cm。

空间环境地面模拟装置是哈尔滨工业大学承建的国家重大科技基础设施项目，其包含的空间等离子体环境模拟与研究系统是用于提供磁重联过程等基本物理过程的时空演化规律研究的平台。在研究地球磁尾三维磁重联时，使用处于真空环境内的偶极磁场线圈和两个磁镜场线圈来提供研究所需的模拟背景磁场，其中偶极场线圈为一个总电感为17.4 mH、总电阻为30.25 mΩ的单个线圈，而磁镜场线圈为两个线圈镜像对称设置并串联连接，总电感30.16 mH，总电阻58.81 mΩ。为了产生实验所需背景磁场的幅值和持续时间，研制并测试了两套总能量3.36 MJ的脉冲电源，在进行地球磁尾三维磁重联实验时两套电源需要同时工作。用于驱动偶极场线圈的脉冲电源按照实验需求可以在充电压不大于20 kV的情况下，能够提供超过9 kA的峰值电流，95%峰值电流的持续时间超过了5 ms，由峰值时刻降低到10%峰值时刻的时间不超过130 ms；用于驱动磁镜场线圈的脉冲电源按照实验需求可以在充电压不大于20 kV的情况下，能够提供超过8 kA峰的值电流，95%峰值电流的持续时间超过了5 ms，由峰值时刻降低到10%峰值时刻的时间不超过130 ms。

空间等离子体环境模拟与研究装置用于在地面模拟空间磁场和等离子体环境，需要在3.5 μH电感、0.8 mΩ电阻的环向场线圈负载上产生前沿130 μs、降流时间不大于1600 μs、峰值260 kA的脉冲电流，因此设计了一套模块化的电容器型放电电源。针对相对较小电感的负载，根据设计要求的放电波形和开关组件通流能力，考虑负载短路故障的情形，给出了保护电感、优化的模块数量等回路参数计算方法。进一步采用传输电缆作为能量传输，同时将电缆寄生电感作为保护电感的方案，研制了一套由4个模块组成的放电电源。研究结果表明，本文给出的电路理论计算结果与设计要求一致，放电试验进一步证明电源设计满足设计放电波形要求。

通过理论计算、数值仿真和实验验证的方法，研究了一台峰值功率数十GW、重复频率5 Hz的重复频率高功率脉冲驱动源，命名为“HEART-50”。该脉冲驱动源由充电电源、初级开关、脉冲形成线、主开关、阻抗变换线，以及假负载构成。首先介绍了HEART-50重复频率高功率脉冲驱动源整体设计思路；其次，对基于混合液体介质的高功率脉冲形成线和气体介质主开关进行了数值分析，并对其全电路工作能力进行了仿真分析；最后，对研制的HEART-50重复频率高功率脉冲驱动源进行了实验验证。结果表明，脉冲驱动源能够输出峰值电压520 kV，脉冲宽度约90 ns，脉冲上升沿小于25 ns，重复频率5 Hz的准方波电脉冲，峰值电功率约为25.3 GW，且具有较好的运行稳定性。

介绍了一种微秒长脉冲有磁场的真空二极管界面的设计和实验结果。采取了三种措施来抑制沿面闪络：一是阴极电子束挡板，用来拦截来自阴极和电子束漂移管的回流电子束；二是接地屏蔽板，使电场等势线和界面成约45°角，使阴极三结合点处发射的电子远离绝缘板；三是降低阴极三结合点处的场强，并使用一悬浮电位的金属环阻止电子倍增过程。计算了二极管内电场、磁场分布和电子束的运动轨迹并据此优化了真空界面的结构，实验验证了该二极管真空界面可以在400 kV、800 ns条件下正常工作，可以支持长脉冲高功率微波器件的研究。