基于磁開(kāi)關(guān)的低頻高壓脈沖電源的設(shè)計(jì)與仿真

朱雨翔　蘭　生（福州大學(xué)電氣工程與自動(dòng)化學(xué)院，福州　350108）

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基于磁開(kāi)關(guān)的低頻高壓脈沖電源的設(shè)計(jì)與仿真

朱雨翔蘭生
（福州大學(xué)電氣工程與自動(dòng)化學(xué)院，福州350108）

摘要為了實(shí)現(xiàn)納秒級(jí)快前沿高壓脈沖，設(shè)計(jì)了基于磁開(kāi)關(guān)的低頻高壓脈沖電源。通過(guò)電容充放電時(shí)間常數(shù)與磁開(kāi)關(guān)相配合，最終輸出連續(xù)納秒級(jí)低頻高壓脈沖。應(yīng)用saber電路仿真軟件中分析和搭建多級(jí)低頻高壓脈沖電路仿真模型，通過(guò)仿真分析各級(jí)電容器的電壓波形得知，磁開(kāi)關(guān)將高壓脈沖從3.2μs壓縮至20ns，輸出脈沖峰值從初始10kV上升至30kV，最終輸出100Hz的連續(xù)低頻高壓脈沖。

關(guān)鍵詞：脈沖功率；磁開(kāi)關(guān)；Saber；低頻高壓脈沖

Design and Simulation of a Low Frequency High Voltage Pulse Source based on the Theory of Magnetic Pulse Compression

Zhu YuxiangLan Sheng
（College of Electrical Engineering and Automation， Fuzhou University， Fuzhou350108）

Abstract In order to realize the high voltage nanosecond pulse， designed a low frequency high voltage pulse source based on the theory of， magnetic pulse compression. With constant of the capacitor charge and discharge and the magnetic switch， the experimental results show the continuous low frequency high voltage nanosecond pulse. to analysis and establishment the model of multistage and low frequency high voltage pulse， the model is presented based on the Saber software， From the experimental results and voltage waveform of all capacitor， high voltage pulse rise time from 3.2μs to 20ns， achieve treble pulse peak voltage and designed 100Hz low frequency high voltage pulse.

Keywords：pulsed power; magnetic pulse compressor; saber; low frequency high voltage pulse source

近年來(lái)，隨著脈沖功率開(kāi)關(guān)技術(shù)的發(fā)展和儲(chǔ)能系統(tǒng)的改進(jìn)，已被廣泛應(yīng)用于粒子束、醫(yī)療技術(shù)、脈沖激光器等研究領(lǐng)域。功率開(kāi)關(guān)技術(shù)其關(guān)鍵技術(shù)之一是脈沖陡化技術(shù)。在高功率脈沖發(fā)生器里，開(kāi)關(guān)是最重要的器件之一，并且對(duì)擁有納秒級(jí)陡化技術(shù)對(duì)開(kāi)關(guān)的要求非常高。相對(duì)于傳統(tǒng)的火花間隙開(kāi)關(guān)、真空開(kāi)關(guān)等，磁開(kāi)關(guān)利用電感飽和來(lái)實(shí)現(xiàn)工作狀態(tài)轉(zhuǎn)換，不存在消電離和電極燒蝕等問(wèn)題，磁開(kāi)關(guān)在納秒級(jí)高壓脈沖電源中具有重要的前景和應(yīng)用價(jià)值[1-3]。

磁開(kāi)關(guān)[4-5]在電路中的主要功能是對(duì)脈沖進(jìn)行壓縮，以及配合電容的充放電時(shí)間常數(shù)對(duì)脈沖波形進(jìn)行銳化。要實(shí)現(xiàn)壓縮脈沖波形的目的，關(guān)鍵因素之一是磁開(kāi)關(guān)磁心的選擇。通過(guò)所選擇的高矩形比磁滯回線(xiàn)的磁心以及磁開(kāi)關(guān)的磁心面積來(lái)確定磁心匝數(shù)，并確定磁開(kāi)關(guān)非飽和時(shí)間即磁脈沖壓縮時(shí)間；磁開(kāi)關(guān)飽和后，通過(guò)銳化電容的充放電時(shí)間常數(shù)來(lái)陡化高壓脈沖波形。

本文對(duì)磁開(kāi)關(guān)的設(shè)計(jì)及其計(jì)算方法作了說(shuō)明，并分析了磁脈沖壓縮電路的工作原理。采用saber電路仿真軟件，搭建了多級(jí)磁壓縮高壓脈沖電路，計(jì)算磁心參數(shù)以及電容器的充放電時(shí)間常數(shù)，最終輸出納秒級(jí)高壓脈沖。

1　磁開(kāi)關(guān)原理

1.1磁開(kāi)關(guān)原理

磁開(kāi)關(guān)實(shí)質(zhì)上是一種非線(xiàn)性電感，該電感達(dá)到飽和后感抗會(huì)迅速下降。磁心的磁滯回線(xiàn)如圖1所示，磁開(kāi)關(guān)處于非飽和狀態(tài)時(shí)，磁心的相對(duì)磁導(dǎo)率ur較高，磁開(kāi)關(guān)電感較大，此時(shí)磁開(kāi)關(guān)相當(dāng)于斷開(kāi)；當(dāng)磁開(kāi)關(guān)處于飽和狀態(tài)時(shí)，磁心的磁導(dǎo)率us接近真空，磁開(kāi)關(guān)電感較小，此時(shí)磁開(kāi)關(guān)相當(dāng)于閉合。

圖1　磁心的磁滯回線(xiàn)

當(dāng)磁開(kāi)關(guān)處于未飽和狀態(tài)時(shí)，電感量為：

式中，u0為真空磁導(dǎo)率；ur為相對(duì)磁導(dǎo)率；L為磁心平均磁路長(zhǎng)度；Sw為磁心繞組面積；N為匝數(shù)；Lr為未飽和電感量。

磁開(kāi)關(guān)的耐壓時(shí)間與磁開(kāi)關(guān)參數(shù)關(guān)系式可表示為：

式中，Vmax（t）為磁開(kāi)關(guān)MS兩端所受的最大電壓；τ為磁開(kāi)關(guān)非飽和時(shí)間；N為磁開(kāi)關(guān)的繞線(xiàn)匝數(shù)；Am為磁心橫截面積；ΔB為磁心磁通密度變化幅度；α為磁心疊片系數(shù)。

由式（2）可以看出，磁開(kāi)關(guān)的飽和時(shí)間取決于磁開(kāi)關(guān)的兩端電壓、磁心橫截面積和磁心的匝數(shù)。

1.2多級(jí)磁壓縮電路參數(shù)設(shè)計(jì)原理

多級(jí)磁壓縮電路是低頻高壓脈沖電源的核心部分，主要是通過(guò)電容充放電時(shí)間常數(shù)與磁開(kāi)關(guān)非飽和時(shí)間相配合，最終輸出連續(xù)納秒級(jí)上升沿的低頻高壓脈沖。為了達(dá)到輸出為納秒級(jí)的高壓脈沖，設(shè)計(jì)了三級(jí)脈沖。多級(jí)磁壓縮脈沖電路等效原理圖如圖2所示。

圖2　多級(jí)磁壓縮電路圖

開(kāi)關(guān)S閉合，C0、L0和C1形成諧振電路，能量從C0傳遞到C1，此時(shí)磁開(kāi)關(guān)MS處于非飽和狀態(tài)，其電感值非常大，可視作開(kāi)路?；芈?中電容C1電壓順時(shí)值和電流瞬時(shí)值為

其中

當(dāng)C1的電壓到最大時(shí)，磁開(kāi)關(guān)MS飽和，其感抗非常小，磁開(kāi)關(guān)飽和電感量Lsat為

電容器C1充電時(shí)間等于磁開(kāi)關(guān)MS1非飽和時(shí)間，設(shè)磁開(kāi)關(guān)MS1非飽和時(shí)間為t0：

磁開(kāi)關(guān)MS1飽和時(shí)，能量再次通過(guò)C1Lsat諧振傳送到C2中，電容C2充電時(shí)間即磁開(kāi)關(guān)MS2非飽和時(shí)間為

第一級(jí)磁脈沖壓縮電路壓縮比為

同理設(shè)磁開(kāi)關(guān)MS3磁開(kāi)關(guān)非飽和時(shí)間為t2。

2　仿真與分析

2.1磁開(kāi)關(guān)磁心模型

設(shè)計(jì)磁開(kāi)關(guān)磁心采用鐵基非晶合金材料（FT-3M）作為磁心。磁心模型如圖3所示：外徑R2為80mm，內(nèi)徑R1為50mm，高度h為25mm，磁心參數(shù)見(jiàn)表1。

表1　磁心參數(shù)

圖3　磁開(kāi)關(guān)磁心模型

2.2低頻高壓脈沖電源的設(shè)計(jì)

低頻高壓脈沖電源如圖4所示，交流電工頻220V、經(jīng)過(guò)變壓器將電壓升高，先給C0充電至10kV，開(kāi)關(guān)閉合，閉合時(shí)間為磁開(kāi)關(guān)MS1非飽和時(shí)間。開(kāi)關(guān)閉合后C0-L0-C1形成諧振電路并給C1充電，此時(shí)MS1處于非飽和狀態(tài)，相當(dāng)于開(kāi)路，當(dāng)磁開(kāi)關(guān)（MS1）飽和時(shí)，MS1相當(dāng)于小電感，形成新的諧振電路給C2充電，同理MS2和MS3亦是如此，不斷的壓縮高壓脈沖的上升時(shí)間，形成納秒級(jí)的高壓脈沖。為了實(shí)現(xiàn)連續(xù)的高壓脈沖，當(dāng)開(kāi)關(guān)的閉合時(shí)間與磁開(kāi)關(guān)非飽和時(shí)間相等時(shí)，開(kāi)關(guān)斷開(kāi)，C0開(kāi)始充電。

圖4　低頻高壓脈沖電源

磁開(kāi)關(guān)的參數(shù)設(shè)計(jì)是根據(jù)式（1）至式（7），選取電感L0為25μH，電容器C0和C1容量為0.1μF，C2容量為10nF，C3容量為5nF，C4容量為1nF。根據(jù)法拉第定律計(jì)算磁開(kāi)關(guān)MS1、MS2、MS3匝數(shù)分別為25匝、10匝、2匝。

2.3低頻高壓脈沖電源仿真與分析

應(yīng)用Saber電路仿真軟件對(duì)低頻高壓脈沖電源仿真與分析的原理圖進(jìn)行仿真，得到各電容器的電壓波形如圖5和圖6所示。

根據(jù)式（3）可知，C0-L0-C1諧振時(shí)，電容器C1在3.5μs時(shí)電壓達(dá)到最大。從圖5可知電容器C1的電壓略小于電容器C0的初始電壓，是因?yàn)樵?.2μs時(shí)磁開(kāi)關(guān)MS1處于飽和狀態(tài)即磁開(kāi)關(guān)導(dǎo)通，并且磁開(kāi)關(guān)以及線(xiàn)路存在一定的阻抗。

圖5　C0和C1電壓變化波形

圖6　C2、C3和C4電壓變化波形

根據(jù)圖5和圖6可知，電容器C1、C2、C3和C4上高壓脈沖波形，各電容器的電壓充電時(shí)間分別為3.2μs、0.4μs、70ns、20ns，壓縮比分別為

從仿真結(jié)果圖5和圖6電容器兩端電壓波形可知。電容器C2電壓峰值從8kV增大到約15.8kV，增大了1.975倍；電容器C3電壓峰值從15.8kV增大到約20.8kV，增大了1.316倍；電容器C4電壓峰值從20.8kV增大到約29kV，增大了1.39倍。

經(jīng)實(shí)際測(cè)試，電容器C0的充電時(shí)間為5ms，所以設(shè)高壓側(cè)開(kāi)關(guān)每隔10ms閉合一次，電容器C4兩端輸出波形如圖7所示，輸出高頻磁脈沖高壓脈沖發(fā)生器負(fù)載兩端電壓輸出波形，圖中可以看出，在每隔10ms左右形成一道高壓脈沖。

圖7　電容器C4電壓變化波形

此種多級(jí)磁壓縮高壓脈沖電源不僅在負(fù)載兩端實(shí)現(xiàn)上升沿為20ns，脈沖峰值為30kV的高壓脈沖，并且最終輸出頻率為100Hz的連續(xù)低頻脈沖。有效的驗(yàn)證了基于磁壓縮開(kāi)關(guān)的高壓脈沖電源的有效性。

3　結(jié)論

1）通過(guò)仿真結(jié)果可以得知，磁開(kāi)關(guān)MS1、MS2、MS3的非飽和時(shí)間分別3.2μs、0.5μs、80ns，很明顯磁開(kāi)關(guān)的設(shè)計(jì)能夠達(dá)到磁壓縮脈沖的作用，壓縮效果非常明顯。

2）諧振電路C0-L0-C1的諧振周期約為8μs，如圖7和圖8可知，從單次高壓脈沖放電，各電容器的電壓充電時(shí)間分別為3.2μs、0.4μs、70ns、20ns，總壓縮比：

磁開(kāi)關(guān)通過(guò)配合各電容器的容量，以及通過(guò)壓縮諧振時(shí)間和銳化電容充電時(shí)間的配合，很好的實(shí)現(xiàn)將高壓脈沖陡度從微秒級(jí)壓縮至納秒級(jí)，并輸出高壓脈沖。

3）通過(guò)對(duì)電容器充放電時(shí)間的測(cè)試，最終輸出頻率為100Hz的低頻連續(xù)高壓脈沖。

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朱雨翔（1990-），男，江西省上饒市，碩士生，主要從事磁壓縮高壓脈沖發(fā)生器的研究。

作者簡(jiǎn)介