脈沖形成網(wǎng)絡(luò)PFN放電特性研究

王維昌　趙錦成

摘 要： 脈沖形成網(wǎng)絡(luò)（PFN）作為雷達(dá)發(fā)射機(jī)的重要組成部分，承擔(dān)著儲(chǔ)能和放電的雙重作用，而且在醫(yī)療、激光、高能電子領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用。首先從PFN的工作原理出發(fā)，分析了其電路結(jié)構(gòu)以及對(duì)應(yīng)的各項(xiàng)參數(shù)指標(biāo)，利用Simulink對(duì)其放電特性進(jìn)行了仿真，得到其放電波形，并分析了影響脈沖方波電流的因素。

關(guān)鍵詞： 脈沖形成網(wǎng)絡(luò)； 脈沖電流； 線性調(diào)制器； 方波電流

中圖分類號(hào)： TN787?34 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A 文章編號(hào)： 1004?373X（2015）01?0144?03

Abstract：：As one of the key parts of radar transmitter， pulse?forming network （PFN） plays a dual role of energy storage and discharge， and has been widely used in the fields of medical， laser and high energy. The working principle， circuit structure and corresponding specifications of PFN are analysed. The discharge waveform was obtained in the Simulink simulation for discharge characteristics. The factors which affect pulse rectangular wave current are analyzed.

Keywords： pulse forming network； pulse current； linear modulator； rectangular wave current

0 引 言

脈沖形成網(wǎng)絡(luò)也稱人工線、仿真線（Pulse?forming Networks，PFN），是雷達(dá)線性脈沖調(diào)制器中的重要元件之一。

目前普遍使用的脈沖形成網(wǎng)絡(luò)是電壓反饋型結(jié)構(gòu)，用來(lái)模擬無(wú)損耗傳輸線的傳輸特性，以產(chǎn)生雷達(dá)發(fā)射機(jī)中所需要的方波電流，在雷達(dá)發(fā)射機(jī)的線型調(diào)制器中起著放電和儲(chǔ)能的雙重作用。

隨著電力電子器件的飛速發(fā)展，線型脈沖調(diào)制器作為一種效率比較高的脈沖調(diào)制器，不僅在雷達(dá)發(fā)射機(jī)中應(yīng)用，在高能電子加速器、醫(yī)療加速器、工業(yè)輻照加速器、同步輻射加速器等領(lǐng)域中也得到了廣泛應(yīng)用。為此，作為線型脈沖功率調(diào)制器的關(guān)鍵元件之一，PFN引起了人們?cè)絹?lái)越多的重視。

本文從PFN的基本原理入手，探討了PFN的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，研究其充放電特性中鏈數(shù)、電感電容參數(shù)選擇等對(duì)脈沖波形的影響，并通過(guò)仿真驗(yàn)證了結(jié)論的正確性。

1 脈沖形成網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)特性

1.1 無(wú)損耗傳輸線

由于雷達(dá)的發(fā)射元件為脈沖性負(fù)荷，所以要求供電系統(tǒng)能夠輸出矩形的方波電壓，利用無(wú)損耗傳輸線可以產(chǎn)生理想的矩形脈沖。假定一根長(zhǎng)為[l，]波阻抗為[Z，]電壓為[U0]的無(wú)損傳輸線，當(dāng)[t=0]時(shí)，閉合開(kāi)關(guān)K，對(duì)電阻[R]進(jìn)行放電，如圖1（a）所示。

1.2 鏈?zhǔn)矫}沖形成網(wǎng)絡(luò)

在傳輸線中，波的傳播速度為300 m/μs，要設(shè)計(jì)一個(gè)1 000 μs的矩形方波就需要1 500 km的輸電線，這顯然是很不現(xiàn)實(shí)的。傳輸線是由分布的電容和電感組成的，在試驗(yàn)中可以用集中參數(shù)電容和電感組成的模擬網(wǎng)絡(luò)來(lái)代替。雖然有限數(shù)目的網(wǎng)絡(luò)不能夠精確地模擬真實(shí)分布的參數(shù)傳輸線，但增加網(wǎng)絡(luò)元件的數(shù)目一定程度上可以產(chǎn)生與矩形波相似的脈沖。

通過(guò)分析PFN的放電過(guò)程，可以得到以下結(jié)論：

（1） 由式（5）可知，在正失配狀態(tài)時(shí)，PFN在一個(gè)脈沖之后有剩余的正向電壓，如采用閘流管作為開(kāi)關(guān)元件，則在下一個(gè)充電周期開(kāi)始時(shí)，閘流管還在繼續(xù)導(dǎo)通。優(yōu)點(diǎn)是可以得到比匹配狀態(tài)大一些的輸出電壓，但是系統(tǒng)效率低，調(diào)制器容易產(chǎn)生連通。

（2） 當(dāng)PFN工作在負(fù)失配狀態(tài)下時(shí)， PFN兩端電壓在下一個(gè)脈沖到來(lái)前為負(fù)值，這樣有利于閘流管兩端消除電離。因?yàn)殚l流管在脈沖過(guò)后不能承受過(guò)大的反向電壓，所以調(diào)制器通常工作在負(fù)失配狀態(tài)，并用反峰電路限制過(guò)大的反向電壓，以起到對(duì)閘流管的保護(hù)作用。

2 電路仿真及其結(jié)果分析

2.1 PFN放電電路仿真

在方波沖擊電流電路參數(shù)計(jì)算的基礎(chǔ)上，利用圖2對(duì)PFN方波發(fā)生電路進(jìn)行仿真。以某型號(hào)線性調(diào)制器的PFN為例，其負(fù)載兩端額定電壓為30 V，額定電流為120 A，脈沖頻率為1 kHz，工作占空比為10%。為了得到滿意的波形以及調(diào)試方便，這里選取PFN的鏈數(shù)為12，根據(jù)第2節(jié)可以計(jì)算出PFN的總電感[L=]15 mH，總電容[C=]240 mF，如圖4所示。

2.2 影響PFN放電波形的因素

從圖5負(fù)載電流波形圖可以看出，當(dāng)每一鏈的電感平均值相同時(shí)，電流過(guò)沖過(guò)大，并且電流幅值隨時(shí)間有一定的降落。

（1） 首鏈電感對(duì)波形的影響。從圖5可以看出，在首鏈處，電流波形有明顯過(guò)沖震蕩，波形上升速度快，若增大首鏈電感，其他條件不變，波形如圖6所示。雖然電流上升速度減緩，但過(guò)沖震蕩明顯減小，因此，靠近負(fù)載端首鏈電感對(duì)波頭影響顯著。

（2） 中間電感對(duì)波形的影響。對(duì)圖6頂部放大后得到圖7（a），從圖7（a）中可以看出由于電感內(nèi)阻的存在，從60 μs后電流存在明顯的降落。為了獲得理想的方波電流，可以適當(dāng)減少中間段的電感量，調(diào)整后的波形如圖7（b）所示， 電流無(wú)明顯降落，基本維持在要求范圍內(nèi)。

（3） 末鏈電感對(duì)波形影響。在圖7的基礎(chǔ)上，分別增加末鏈的電感值到原來(lái)的兩倍，即[L12=]2.5 μH；減小末鏈的電感值到原來(lái)的[12，]即[L12=]0.625 μH，結(jié)果如圖8所示，可以看出：增大末鏈電感時(shí)，脈沖電流后沿持續(xù)時(shí)間變長(zhǎng)，電流下降速度變慢；減小末鏈電感時(shí)，脈沖電流后沿持續(xù)時(shí)間變短，電流下降速度變快。

由上述仿真波形可以得出：若將沖擊方波電流波形分成[n]段，則靠近負(fù)載的首鏈對(duì)應(yīng)于方波電流的上升沿和持續(xù)時(shí)間，末鏈對(duì)應(yīng)于方波電流的下降沿，其他鏈則影響沖擊方波電流的持續(xù)時(shí)間的各個(gè)相應(yīng)部分。減小某一鏈的電感使對(duì)應(yīng)該段的電流幅值增大，反之，增加電感則使該段對(duì)應(yīng)波形電流幅值下降。

3 結(jié) 語(yǔ)

隨著電力電子器件的飛速發(fā)展和雷達(dá)總體要求水平的逐步提高，行波管、速調(diào)管等微波功率管得到越來(lái)越多的應(yīng)用，線性脈沖調(diào)制器作為一種高效的脈沖調(diào)制電路，其應(yīng)用范圍也越來(lái)越廣，因此，為了滿足不同型號(hào)線性脈沖調(diào)制器的需要，PFN的技術(shù)指標(biāo)要求也隨之發(fā)生了一些相應(yīng)的變化。本文從脈沖形成網(wǎng)絡(luò)PFN的結(jié)構(gòu)和原理出發(fā)，分析了其工作參數(shù)計(jì)算方法和放電特性， 并通過(guò)仿真分析了影響PFN放電波形的因素。實(shí)踐證明，在對(duì)PFN進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)，必須針對(duì)其不同的特點(diǎn)，選取合適的電路結(jié)構(gòu)和鏈數(shù)，并進(jìn)行精確地調(diào)試，以滿足對(duì)PFN波形指標(biāo)的要求。為了確保PFN運(yùn)行時(shí)的高效率和長(zhǎng)壽命，必須對(duì)其進(jìn)行熱設(shè)計(jì)，這方面還有許多工作需要深入研究。

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