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。

为了降低空心脉冲发电机的能量损耗与励磁绕组发热，提出了一种具有剩余磁能回收功能的脉冲发电机励磁电路。通过在电容支路设置调节电感，使放电完成后的电容电压反向，迫使晶闸管与二极管关断，以切换电流流通路径来实现剩余励磁能量到电容器中的转移。该电路使用晶闸管作为主开关，电流关断能力强的特点使其在大功率脉冲发电机的应用中具有一定优势。对提出的励磁能量回收电路的工作过程进行了介绍，仿真分析了剩余能量回收对励磁绕组能量损耗和脉冲发电机发热的影响，并对该电路拓扑的工作原理进行了实验验证。结果表明：该电路可以迅速回收励磁绕组中的剩余能量，缩短励磁电流续流时间，减少励磁损耗与能量损耗。仿真与实验结果反映的规律与电路原理一致，表明了该电路方法的可行性。

为拓展脉冲功率技术在超快诊断领域的发展和磁脉冲压缩技术的应用，基于磁性元件良好的开关性能和脉冲宽度压缩原理，采用具有多重压缩特性的级联磁开关，设计磁脉冲压缩电路，并将输出的皮秒选通脉冲应用于分幅相机时间分辨率研究。研究结果显示，磁脉冲压缩电路能产生适用于分幅相机的皮秒选通脉冲，当直流电源为500 V，磁开关电感量为1 μH，初级线圈回路充电电容为4 μF，变压器匝数比为10∶1，磁开关线圈匝数比为1∶2，复位电流为1 A，次级线圈回路和两级磁开关电路充电电容为1 pF时，获得幅值为-3.2 kV和半高宽为149 ps的选通脉冲，将其加载于采用蒙特卡洛法建立的微通道板通道内光电子动态倍增模型，通过计算随选通脉冲的时变增益和构建微通道板上的时间-增益曲线，可实现87 ps的分幅相机时间分辨率。研究结论可为应用于分幅相机的皮秒选通脉冲产生以及磁脉冲压缩电路的拓展应用提供新思路。

为使LC谐振充电方案具有更高的升压范围和提高其对供电电压的适应性，采用了一种带有升压结构的电路拓扑，使得LC谐振充电方案具有升压和降压工作能力，同时采用了基于能量实时检测的控制算法，使得该方案能够根据预设参数准确充电和放电，增强了对供电电压波动的适应能力。初步的实验结果表明，在供电电压波动的情况下，该电源能够完成升降压的调节，且最大电压偏差小于5 V。

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。

气体开关作为脉冲功率装置的关键部件，其自击穿概率以及触发放电延时抖动对整个脉冲功率系统具有至关重要的影响。降低开关工作系数有利于提高开关稳定性，但延时抖动会随之增大。针对用于磁驱动实验的10 MA级大电流装置应用需求，设计了一种具有较高场畸变系数、能在较低工作系数条件下稳定工作的三电极气体开关，并开展了该开关的性能研究。模拟与实验结果表明：在触发电压与充电电压相当的条件下，开关的场畸变系数接近4，开关工作系数高于60%时，开关具有较低的延时抖动，抖动均方根小于3 ns。结合该开关设计了一个两级Marx储能模块，充电电压±50 kV条件下短路放电，模块回路放电电流峰值达到150 kA、周期2 μs。上千次放电实验后，开关电极表面未发生明显烧蚀，工作正常。工作系数68.5%时，共计4 000发实验中未出现自放电现象，自击穿概率低于2.5×10⁻⁴。上述结果表明该开关可满足300～400只开关同时工作的大电流装置需求。

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。

针对紧凑型高功率脉冲驱动源的重复频率充电需求，开展了基于LC全桥串联谐振原理的恒流充电技术研究，并根据紧凑型Marx脉冲功率源的工作方式开展了电源关键参数设计，完成了一种正负双极性充电的紧凑型高压电源研制，实现20 ms内对单边等效负载电容为0.15 μF的双极性Marx驱动源充电至±45 kV，平均充电功率大于15.5 kW。该电源采用单个高频高压变压器实现了正负双极性高电压同步输出；采用变压器、整流电路、隔离保护电路、电压检测电路一体化绝缘封装设计，既减小了装置体积又降低了高压绝缘风险；通过隔离保护、电磁屏蔽等设计有效解决了Marx发生器放电过程中瞬时高压信号对电源控制系统的干扰和损伤。