基于磁開關(guān)的固態(tài)近方波Marx發(fā)生器初步模擬設(shè)計

樊旭亮,孫 旭,潘亞峰,范紅艷

(西北核技術(shù)研究所，西安710024)

小型緊湊化是高功率脈沖驅(qū)動源的一個重要發(fā)展方向[1-4]，能夠產(chǎn)生近似方波脈沖的Marx發(fā)生器受到了廣泛關(guān)注[5-8]。一般將傳統(tǒng)Marx發(fā)生器中的電容器改為脈沖形成網(wǎng)絡(luò)，可使發(fā)生器輸出近似方波脈沖，再將各級脈沖形成網(wǎng)絡(luò)以Marx發(fā)生器的形式進行疊加，即可達到增加輸出功率、大幅減小脈沖驅(qū)動源體積的目的。

近年來，各類大功率近方波Marx發(fā)生器大多采用氣體開關(guān)[9-10]作為控制開關(guān)。氣體開關(guān)具有功率大、通流能力強等特點，但在Marx發(fā)生器中，需要使用大量的氣體開關(guān)。此外，為了提高Marx發(fā)生器的穩(wěn)定性，減小輸出抖動，需要配專門的觸發(fā)器，用以觸發(fā)發(fā)生器中的前幾級氣體開關(guān)，這又增加了系統(tǒng)的復(fù)雜性。因此，高功率脈沖驅(qū)動源技術(shù)的一個更加重要的發(fā)展方向就是簡單化，追求原理與結(jié)構(gòu)上的雙重簡單化。

本文提出了基于磁開關(guān)的近方波脈沖Marx發(fā)生器技術(shù)路線，摒棄了傳統(tǒng)發(fā)生器中的氣體開關(guān)與觸發(fā)系統(tǒng)，利用磁開關(guān)磁場的同步控制，保證各級開關(guān)同步導(dǎo)通。同時，基于多倍頻電壓脈沖的疊加原理，使得發(fā)生器具備輸出方波脈沖的能力。

1 基于磁開關(guān)的Marx發(fā)生器

磁開關(guān) (magnetic switch, MS) 是一種利用磁芯非飽和態(tài)與飽和態(tài)的切換來實現(xiàn)開關(guān)功能的器件，以此為基礎(chǔ)，增加初級線圈，發(fā)展了可飽和脈沖變壓器[11-12](saturable pulse transformer，SPT)。SPT是一種集變壓器功能和磁開關(guān)功能于一體的固態(tài)脈沖功率器件，利用磁芯非飽和態(tài)來實現(xiàn)變壓器的變壓功能，同時，變壓器的次級兼做磁開關(guān)，利用磁芯由非飽和態(tài)到飽和態(tài)的轉(zhuǎn)化實現(xiàn)其磁開關(guān)功能。在這里，將基于磁開關(guān)或者可飽和脈沖變壓器的Marx發(fā)生器，都稱為基于磁開關(guān)的Marx發(fā)生器。主要有四種結(jié)構(gòu),如圖1所示。圖中圓環(huán)部分為磁芯，C為儲能電容，LC為充電電感。這四種發(fā)生器的共同點是各級開關(guān)繞制于同一個磁芯上，通過同一套磁場控制，這在很大程度上保證了各級開關(guān)的同步導(dǎo)通，減小了Marx發(fā)生器的建立時間，降低了輸出抖動，免去了復(fù)雜的觸發(fā)系統(tǒng)。其中，圖1(a)是基于簡單磁開關(guān)的傳統(tǒng)Marx發(fā)生器，特點是需要單獨的充電電路。圖1(b)是基于SPT的傳統(tǒng)Marx發(fā)生器，結(jié)構(gòu)中省去了充電電路。圖1(a)和圖1(b)的共同點是所有磁開關(guān)的飽和電感都串聯(lián)進入了Marx發(fā)生器的放電回路中。LC-Marx發(fā)生器是一類特殊的Marx發(fā)生器，如圖1(c)與圖1(d)所示。

直觀地看，圖1(d)的電路結(jié)構(gòu)最為簡單，省去了專門的高壓充電系統(tǒng)，也省去了充電電感及一半的接地電感，這使結(jié)構(gòu)更為緊湊，更易于實現(xiàn)。其工作過程如下：Cp為可飽和脈沖變壓器的初級儲能電容，在工作的初始時刻被充至一定電壓V0。通過開關(guān)控制Cp放電。Cp開始放電后，可飽和脈沖變壓器磁芯處于非飽和狀態(tài)，發(fā)揮變壓器的功能，并通過磁芯耦合，向C1至C6充電。這種電路設(shè)計，保證了相鄰電容器被充以極性相反的電壓，充電過程中輸出端無電壓。在Cp放電過程中，其放電伏秒積到磁芯飽和點時，可飽和變壓器便失去了變壓器的功能，發(fā)揮磁開關(guān)的功能，并處于導(dǎo)通狀態(tài)。圖1(d)中的第偶數(shù)個電容器通過磁芯上與各自相連接的次級線圈進行反轉(zhuǎn)放電。此時，輸出端的電壓逐步上升，輸出電壓幅值等于電容器個數(shù)、變壓器變壓比與V0的乘積。可以看出，基于SPT的LC-Marx發(fā)生器中，可飽和脈沖變壓器發(fā)揮了變壓器、磁開關(guān)、同步導(dǎo)通控制器以及反轉(zhuǎn)電感四重功能。同一裝置先后承擔(dān)不同的功能是脈沖驅(qū)動源實現(xiàn)小型緊湊化的一個重要途徑。

(a)Classical Marx generator based on magnetic switch

(b)Classical Marx generator based on SPT

(c)LC-Marx generator based on magnetic switch

(d)LC-Marx generator based on SPT

下面進一步分析基于SPT的LC-Marx發(fā)生器產(chǎn)生方波脈沖的方法。

2 近方波脈沖的產(chǎn)生

基于SPT的LC-Marx發(fā)生器產(chǎn)生近似方波脈沖，其基本原理是多倍頻電壓的疊加。首先對LC-Marx發(fā)生器的典型輸出脈沖進行研究。

2.1 LC-Marx發(fā)生器的典型輸出脈沖模擬研究

LC-Marx發(fā)生器模擬電路，如圖2所示。電路中，L1—L3為反轉(zhuǎn)電感，L4—L6為接地(隔離)電感，設(shè)置主開關(guān)在峰值時刻導(dǎo)通，典型輸出電壓波形如圖3所示?；咎卣魇牵撦d電壓在達到峰值之后迅速回零。圖中給出了發(fā)生器半個周期的脈沖，開關(guān)在峰值時刻對輸出脈沖進行了陡化，得到了如圖3所示的快前沿脈沖。若要得到方波脈沖，需在此基礎(chǔ)上疊加一個脈沖，延緩電壓幅值回零的速度，就可獲得一段近似的平頂。其本質(zhì)是，在該頻率的脈沖之上，疊加3倍頻甚至更高倍頻的脈沖。

2.2 LC-Marx發(fā)生器近方波脈沖輸出的電路改造

在圖2模擬電路的基礎(chǔ)上，將第一級反轉(zhuǎn)電容從50 nH改為12 nH，負載阻抗隨之升高，變?yōu)?0 Ω。同時，監(jiān)測A點的電壓，模擬結(jié)果如圖4所示。

圖2 LC-Marx發(fā)生器模擬電路 Fig.2 Simulation circuit of LC-Marx generator

圖3 LC-Marx發(fā)生器典型輸出電壓波形Fig.3Typical output waveform of LC-Marx generator

圖4近方波LC-Marx發(fā)生器典型輸出電壓波形

Fig.4TypicaloutputwaveformofrectangularpulseLC-Marxgenerator

可以看出，此時在負載上的輸出電壓出現(xiàn)了近似的方波脈沖，其平頂持續(xù)時間約為100 ns。從監(jiān)測到的A點電壓可以看出，改造后，A點之前的電路充當(dāng)了附加回路，其震蕩頻率約為主回路震蕩頻率的3倍。

傳統(tǒng)脈沖形成網(wǎng)絡(luò)輸出方波脈沖的基本原理是多倍頻電流脈沖疊加，各頻率分量符合方波脈沖的傅里葉頻譜分析。而該近方波LC-Marx發(fā)生器的基本原理是多倍頻電壓脈沖疊加，同樣需滿足各頻率分量之間的關(guān)系。由于各級回路的等效性，改變?nèi)魏我粋€反轉(zhuǎn)電容的容值都可以獲得相同的效果。平頂時間近似等于A點電壓的半周期，而平頂度的好壞則取決于A點電壓下降斜率與負載電壓上升斜率是否接近。因此在改造電路中，增大負載電阻的目的是延緩負載電壓的上升，以使得二者斜率相接近，進一步的模擬研究也可以說明該問題。設(shè)置負載電阻分別為20，40，60，80,100 Ω，輸出脈沖波形如圖5所示。沿著箭頭方向負載阻抗增大。可以看出，存在最佳阻抗值，使得能夠在負載上獲得最為良好的平頂。在實際設(shè)計中，還需綜合各種因素進行分析。

圖5不同負載下近方波LC-Marx發(fā)生器的輸出電壓波形Fig.5Output waveforms of rectangular pulse LC-Marx generator with different load resistances

3 10 GW近方波LC-Marx發(fā)生器設(shè)計

經(jīng)上述分析可知，采用近方波LC-Marx發(fā)生器的技術(shù)路線，合理設(shè)計電路參數(shù)，能夠在負載上獲得良好的階梯型方波脈沖。更大功率的脈沖發(fā)生器需多級疊加，且在實際裝置中，期望能夠摒棄輸出主開關(guān)，從而更加體現(xiàn)出所提出的脈沖發(fā)生器的優(yōu)越性,這在短脈沖需求場合中是可以做到的。設(shè)計了輸出功率達10 GW的方波脈沖的發(fā)生器電路結(jié)構(gòu)，如圖6所示。

共采用18級脈沖電容器，其中附加回路為4級，主電路為14級，每級充電100 kV。實際使用中，各電容器作為可飽和脈沖變壓器的次級電容進行充電，設(shè)置變壓器變壓比為30，且變壓器次級需采用多次級并聯(lián)結(jié)構(gòu)以減小飽和電感，按照雙諧振條件設(shè)計相關(guān)參數(shù)，初級電容通過高壓直流電源進行充電。模擬結(jié)果如圖7所示。輸出脈沖電壓接近1 MV，阻抗為100 Ω，前沿約為20 ns，半高寬約70 ns，輸出功率接近10 GW。從波形來看，輸出脈沖平頂波動小于10%，能夠滿足實際應(yīng)用的需求。A點電壓反映了附加回路的輸出脈沖，其頻率約為主頻率的3倍。實際結(jié)構(gòu)中，各級電容器可層疊放置于多組磁環(huán)之上，共用一個初級回路以保證飽和的同步性。

圖610 GW脈沖發(fā)生器電路結(jié)構(gòu)Fig.6Circuit of 10 GW pulse generaotr

圖710 GW脈沖發(fā)生器輸出電壓波形Fig.7Output waveform of 10 GW pulse generator

4 結(jié)論

提出了基于磁開關(guān)的近方波LC-Marx發(fā)生器技術(shù)路線，該路線的主要優(yōu)勢在于結(jié)構(gòu)簡單，實現(xiàn)了所有開關(guān)的固態(tài)化，免去了專門的觸發(fā)系統(tǒng)，基于同一套磁芯控制系統(tǒng)以保證各級導(dǎo)通放電的同步性。發(fā)生器基于多倍頻電壓脈沖疊加的原理，實現(xiàn)了近似方波脈沖的輸出。設(shè)計了具備10 GW方波脈沖輸出能力的Marx發(fā)生器電路結(jié)構(gòu)。結(jié)果表明，輸出脈沖能夠滿足要求。下一步工作主要是完善所提出的近似方波脈沖Marx發(fā)生器的理論分析，進行結(jié)構(gòu)設(shè)計與場分布模擬研究，為實際裝置的構(gòu)建奠定基礎(chǔ)。