基于磁壓縮技術的陡前沿脈沖電源的研制

羅健　王述仲

【摘 要】高功率脈沖技術是當前國際上很活躍的前沿學科之一，被廣泛應用于等離子體發(fā)生器、準分子激光器、激光武器等領域，該技術的關鍵之一是高壓納秒脈沖電源的研制。本文基于磁脈沖壓縮技術設計出了一種磁開關，基于此開關所研制的高壓脈沖電源能夠產(chǎn)生幅值6kV，上升沿約300ns的脈沖。

【關鍵詞】脈沖功率技術；磁脈沖壓縮；磁開關；脈沖陡化

中圖分類號： TM564；TN78 文獻標識碼： A 文章編號：2095-2457（2018）08-0008-003

Development of a Steep Front Pulse Power Supply Based on Magnetic Compression Technology

LUO Jian WANG Shu-zhong

（CLP Power Engineering Co.，Ltd.，Beijing 102200，China）

【Abstract】Pulsed Power Technology is one of the most popular and advanced directions in international science and technology at present， which is widely used in the fields of plasma generators， excimer laser， laser beam weapons，etc. One of the keys to this technology is the pulsed power supplies with nanosecond rise time.In this paper， a switch is designed according to the theory of magnetic pulse compression， pulse with the rise time of 300ns and the amplitude of 6kV is successfully generated by the switch.

【Key words】Pulsed power technology； Magnetic pulse compression； Magnetic switch； Pulse sharpening

0 引言

高功率脈沖技術（High Pulsed Power Technology），實質(zhì)是將脈沖能量在時間尺度上進行壓縮，以獲得在極短時間內(nèi)的高峰值功率輸出。它是基于國防科研需要而發(fā)展興起的一門新興科學技術。高功率脈沖技術目前已經(jīng)應用到許多科學研究領域，成為有力的研究工具，例如核爆模擬器，高能閃光燈X射線照相，慣性約束聚變等[1]。同時它也在商業(yè)被廣泛應用[2-3]，例如，食品保鮮、醫(yī)用滅菌、水處理等。磁開關技術在高功率脈沖技術中占據(jù)特別重要的地位，它本質(zhì)上是一種具有特定磁滯特性的非線性可飽和電感。相比于傳統(tǒng)的火花間隙開關、機械觸點式開關、真空開關，磁開關可以提高輸出功率，降低開關損耗，延長開關壽命。而且磁開關可靠性高，噪聲小，無空氣污染，特別適合在高電壓、高重復頻率的條件下工作。本文首先使用IGBT作為控制器件搭建電路產(chǎn)生幅值達數(shù)百伏的脈沖，然后設計脈沖變壓器對此脈沖升壓至幅值數(shù)千伏，最后搭建磁壓縮電路對脈沖變壓器副邊輸出脈沖進行陡化，產(chǎn)生納秒級脈沖。

1 陡前沿脈沖電源整體電路原理

1.1 脈沖變壓器原邊脈沖的產(chǎn)生原理

以IGBT作為控制器件的主電路如圖1所示。

電路中采用了RCD緩沖電路，抑止IGBT的過電壓和過電流，減小開關損耗。與變壓器原邊并聯(lián)的二極管VD2與電阻R1為變壓器起續(xù)流作用，可以減少電壓抖動。

直流電源DC部分采用圖2的倍壓電路來實現(xiàn)。其工作原理簡述如下[4]：

假定電源電動勢從負半波開始，當電源為負時，硅堆VD1截至VD2導通，電源經(jīng)VD2對電容C1充電，1點電位為正，3點電位為負，C1上最高充電電壓可達■UT，此時1點電位接近于地電位。當電源由-■UT逐漸升高時，1點電位也隨之抬高，此時VD2截至；當1點電位高于2點電位時，VD1導通，電源向C2充電，2點電位逐漸提高，當電源從+■UT逐漸下降，1點電位也隨之降落，當1點電位低于2點電位時，硅堆VD1截至。當1點電位繼續(xù)下降到低于地電位時，VD2又導通，電源再經(jīng)VD2對C1充電。重復以上過程，當設備空載時，最后使1點電位在0～2■UT范圍內(nèi)變化，2點對地電壓為2■UT。

1.2 一級磁壓縮電路工作原理分析

單級磁脈沖壓縮電路如圖3（a）所示，主要由級電容C0、C1以及可飽和電感L組成。稱C0為前級電容，C1為后級電容。電路分析如下：

（1）t0-t1時間內(nèi)。磁開關未飽和，電感L很大，阻抗也很大，脈沖電壓絕大部分加在磁開關L上，電容C1上得到的電壓很小，即相當于磁開關是斷開的。如圖3所示，電容C1電壓基本不變，維持在零附近，即預脈沖較小，L兩端承受的電壓近似等于C0上的電壓。

（2）t1-t2時間內(nèi)。根據(jù)磁芯L的伏秒積平衡方程式，在磁芯上繞制一定匝數(shù)，使其在C0上的電壓升到最大值（見圖3（b）t1點）時達到飽和，磁開關的電感L會急劇減小，阻抗也急劇減小。此時相當于磁開關是閉合的，電感電壓迅速減小到零，而電容C1的電壓在很短的時間內(nèi)迅速達到最大值。

顯然C1兩端電壓上升時間比C0上的電壓上升時間要小的多，即脈沖得到壓縮。壓縮比為：

為了達到較好脈沖上升沿時間陡化效果，要求磁開關具有良好的開關特性，決定這種特性的重要因素是磁芯材料，作為磁開關的磁芯材料應具有很好的矩形系數(shù)，Bs/Br越接近于1越好。

1.3 多級磁壓縮電路工作原理分析

圖4是經(jīng)典的多級磁壓縮電路[5]。圖中各級電容取相同電容值[6]，在t=0時電容C0上有初始電壓U，在t0時刻開關S開通，C0通過電感L0對C1充電，諧振能量從C0遞到C1，C0和C1電壓如圖3-3所示。磁芯L1初始化到負的剩磁-Br處，且滿足以下條件：（1）在磁芯未飽和之前，其未飽和電感L1u>>L0，（2）ωL1u>>■，其中L1u是磁芯L1未飽和電感，ω是C0電壓上升沿角頻率。滿足以上條件保證在磁芯沒有達到飽和時呈高阻狀，C2預脈沖很小。當C1兩端電壓升高時，L1兩端電壓隨之升高，從而使得磁芯磁通密度升高。如果設計合理的話，保證磁芯在C1電壓達到最高值時達到正的飽和磁通密度+Bs處，這樣磁芯磁導率會突然變小，電感及阻抗也會隨之變小。這樣C1儲存的能量開始向C2傳遞，如果保證磁芯飽和電感L1s<

同理可以分析C2對C3充電的時候，L2未飽和時，L2電感值遠大于L1飽和電感，這樣L2呈現(xiàn)高阻狀，L2電壓隨著C2電壓升高而升高，在C2電壓達最大值時L2磁通密度達到飽和磁通密度。此后C2通過飽和的L2磁芯對C3充電，要再次達到前沿壓縮效果需要滿足線圈L2飽和電感遠小于L1的飽和電感值。

圖4 多級磁壓縮電路及其工作波形

綜上所述，磁脈沖多級壓縮電路設計要達到以下要求：

（1）等電容選擇，可使電壓傳遞效率提高；

（2）在Cn電壓達最大值時線圈Ln達到飽和，以保證有最高的能量轉(zhuǎn)移效率；

（3）后一級磁開關的非飽和電感遠大于前一級的飽和電感，即Lnu>>L（n-1）s，才能有效充電；

（4）后一級磁開關的飽和電感遠小于前一級的飽和電感，即Lns<

（5）ωL（n-1）u>>■，保證磁芯未飽和時呈高阻狀態(tài)。

2 陡前沿脈沖電源關鍵部件參數(shù)設計

2.1 脈沖變壓器的設計

脈沖變壓器在脈沖電源的研制中起著非常重要的作用，脈沖變壓器的參數(shù)直接影響著脈沖前沿的陡化效果、磁開關的設計，關系著實驗的成敗。

具體而言變壓器的磁芯材料，幾何參數(shù)，原邊副邊匝數(shù)的選擇設計都是非常重要的。實驗中希望脈沖變壓器能夠達到以下的要求：

（1）變壓器原副邊不會隨著脈沖幅值的升高而達到飽和；

（2）由于變壓器副邊漏感和雜散電容將極大地影響能量傳輸過程，所以希望能夠盡量減小副邊的漏感和雜散電容。

基于以上的原則可以對變壓器的各項參數(shù)進行如下選擇。

根據(jù)電感的伏秒積平衡方程式，為了使變壓器能夠承受盡量高的電壓而不飽和，需要選擇磁感應變化量ΔB大的磁芯材料，并且變壓器磁芯截面積S盡量大，同時還要合理選擇匝數(shù)，不能夠太小。為了減小副邊漏感，同時要控制副邊匝數(shù)不能夠太大。

本文采用的脈沖變壓器原邊繞組5匝，副邊繞組75匝，實測變壓器漏感10mH，經(jīng)實驗證明可以滿足技術要求。

2.2 磁開關參數(shù)設計

制作磁開關的磁芯的選擇主要應滿足以下條件：

（1）磁滯回線矩形特性好。磁芯材料的磁滯回線要求具有很高的矩形比Br/Bs，有很高的初始磁導率和很低的飽和磁導率，才能有較好的開關特性。

（2）飽和磁通Bs大。在給定電壓值時，飽和時間τ和N，S，ΔB三者乘積成正比，匝數(shù)N不能太大，否則，飽和電感將太大。因此，如果選用ΔB大的材料，可以減小鐵芯的體積[7]。

基于以上條件，本文最終選用了φ38×19×13（外徑×內(nèi)徑×高度）的磁芯環(huán)，其最大相對磁導率為12000。此磁芯初始磁導率大，預脈沖小，實驗壓縮效果最好。為了增大磁芯截面積以減少所需匝數(shù)，將5個相同磁芯疊加起來使用，匝數(shù)N=32。

2.3 電容器的選擇

電容器容量的選擇直接影響著電容兩端電壓上升時間的長短，所以實驗中電容器的選擇也比較重要。

對電容器容量選擇的分析如下：

（1）電容器容量大則傳遞能量大，但變壓器負載能力會限制電容器的容量；

（2）電容器容量小則會減小脈沖上升沿時間，但傳遞能量較小。

所以電容器容量選擇要綜合考慮變壓器負載能力和能量傳輸?shù)哪芰?，在變壓器能夠承受的前提下可以適當采取容量稍大的電容器。

筆者分別實驗使用過4nF電容和1nF電容，實驗證明，使用1nF電容時，電容電壓上升時間明顯小于使用4nF時。根據(jù)實際實驗需要，最終選擇使用了1nF的電容器，為了增加電容器耐受電壓，使用2個2nF的電容串聯(lián)而成，能夠耐受6kV高壓脈沖的沖擊。

3 實驗結果的分析

脈沖電源的實驗電路圖如圖5所示。經(jīng)IGBT產(chǎn)生的脈沖經(jīng)過脈沖變壓器升壓，加在電容兩端。實驗中取C1=C2=1nF，磁開關匝數(shù)為32匝。

在變壓器副邊脈沖幅值電壓不是太高時，其伏秒積不至于使磁芯達到飽和，此時磁開關處于非飽和狀態(tài)，磁芯電感值很大，約為140mH。脈沖上升沿時間約為3μs，這樣取T=12μs，有：

ZL/ZC2=38.3>>1，所以此時相當于磁開關處于斷開狀態(tài)。電感前級的電容C1上的電壓幾乎全部加在電感兩端，而電容C2兩端電壓降很小。這在圖6的實驗結果中能夠得到清楚的體現(xiàn)。

當變壓器副邊脈沖電壓幅值不斷升高時，磁芯承受的伏秒積不斷增大。當前級電容電壓幅值達到6kV時，磁芯在電容C1電壓達到幅值時恰好飽和，磁芯電感會在ns級時間內(nèi)減小幾個數(shù)量級，磁芯壓降也會迅速下降。此時磁開關閉合，電容C1將能量快速傳遞給電容C2。這樣，電容C1兩端電壓會快速下降，而電容C2電壓會快速上升。此過程在圖7中也能夠清楚的看到。