高功率磁脈沖壓縮器的設(shè)計(jì)及實(shí)驗(yàn)研究

孟志鵬， 李 嵩，楊 杰，張江華

(1.軍事科學(xué)院 國(guó)防科技創(chuàng)新研究院， 北京 100071；2.國(guó)防科技大學(xué) 前沿交叉學(xué)科學(xué)院，長(zhǎng)沙 410073)

隨著人工智能、大數(shù)據(jù)、云計(jì)算、自主控制、先進(jìn)平臺(tái)等前沿科技領(lǐng)域的突破創(chuàng)新，智能化裝備迎來(lái)了爆發(fā)式的研究和使用，重新定義著未來(lái)軍事力量運(yùn)用的形態(tài)。強(qiáng)電磁脈沖可通過(guò)孔縫、電纜、天線等途徑耦合到武器系統(tǒng)的電子線路上產(chǎn)生瞬態(tài)感應(yīng)電壓和電流，對(duì)電子電路中的敏感電子元器件的工作性能產(chǎn)生瞬態(tài)干擾或永久破壞，對(duì)智能化裝備形成嚴(yán)重的威脅。

高功率脈沖技術(shù)是產(chǎn)生強(qiáng)電磁脈沖的重要途徑，該技術(shù)除了繼續(xù)向獲得超高功率單次脈沖的方向發(fā)展，高平均功率重復(fù)率脈沖功率技術(shù)的發(fā)展日益加快，以滿足工業(yè)和軍事領(lǐng)域的需求。另外，對(duì)于可移動(dòng)平臺(tái)的實(shí)際應(yīng)用需求而言，還要求緊湊化、固態(tài)化[1-6]。磁脈沖壓縮器由于能夠?qū)崿F(xiàn)全固態(tài)運(yùn)行，具有功率容量大、工作穩(wěn)定性好、重復(fù)頻率高以及使用壽命長(zhǎng)等優(yōu)點(diǎn)，在高功率脈沖技術(shù)領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用，受到了國(guó)內(nèi)外研究人員的廣泛關(guān)注[7-18]。

本文對(duì)高功率磁脈沖壓縮器的作用過(guò)程進(jìn)行了介紹，在理論分析的基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)基于鐵基非晶態(tài)磁芯的兩級(jí)磁脈沖壓縮器，對(duì)其作用參數(shù)進(jìn)行了數(shù)值計(jì)算，并利用高壓脈沖驅(qū)動(dòng)源中進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，驗(yàn)證原理的可行性。

1 磁脈沖壓縮器的作用過(guò)程

以兩級(jí)磁脈沖壓縮器為例對(duì)其作用過(guò)程進(jìn)行說(shuō)明，等效電路如圖1所示，由初級(jí)能源、磁脈沖壓縮器和電容負(fù)載等組成，另外還包括控制電路和磁芯復(fù)位電路等，此處略去。其中，Power Supply為初級(jí)能源，包括初級(jí)儲(chǔ)能電容Ci和諧振電感L。Magnetic Pulse Compressor代表兩級(jí)磁脈沖壓縮器，由脈沖電容器C1、C2和磁開(kāi)關(guān)MS1、MS2構(gòu)成。load為電容負(fù)載Cp。為了提高能量效率，Ci、C1、C2和Cp通常為等值電容。

圖1 兩級(jí)磁脈沖壓縮器等效電路圖

為了充分利用磁性材料的可變化磁感應(yīng)強(qiáng)度，保證磁壓縮電路工作的穩(wěn)定性，在開(kāi)始工作之前，需使用復(fù)位電路使磁開(kāi)關(guān)MS1、MS2的磁芯偏置在負(fù)飽和態(tài)(-Bs)。兩級(jí)磁脈沖壓縮器的作用過(guò)程可以描述為，初始時(shí)刻，由初級(jí)能源對(duì)能量進(jìn)行調(diào)制和升壓后為磁脈沖壓縮器中的C1進(jìn)行充電，在此過(guò)程中MS1的磁芯處于未飽和狀態(tài)，且MS1的未飽和電感遠(yuǎn)大于充電電感L(通常要求在20倍以上)，可視為斷路狀態(tài)，初級(jí)能源上的能量由Ci轉(zhuǎn)移至C1上，C2不充電。通過(guò)合理的設(shè)計(jì)，當(dāng)C1上的電壓達(dá)到峰值時(shí)，MS1磁芯飽和并導(dǎo)通，能量開(kāi)始通過(guò)MS1諧振為C2充電，同樣的，在此過(guò)程中MS2的磁芯處于未飽和狀態(tài)，且MS2的未飽和電感遠(yuǎn)大于MS1的飽和電感，視為斷路狀態(tài)，這樣C1上的能量轉(zhuǎn)移至C2上，Cp不充電。過(guò)程相似，當(dāng)C2的充電電壓達(dá)到最大值時(shí)，MS2導(dǎo)通，能量繼續(xù)由C2傳遞至電容負(fù)載Cp。

在整個(gè)能量傳遞過(guò)程中，由于諧振電感L、MS1的飽和電感、MS2的飽和電感依次減小，而儲(chǔ)能電容保持不變，因此諧振周期逐漸縮短，脈沖得到壓縮。

2 兩級(jí)磁脈沖壓縮器的設(shè)計(jì)

根據(jù)實(shí)際應(yīng)用需求，首先明確了兩級(jí)磁脈沖壓縮器的電參數(shù)設(shè)計(jì)要求如表1所示。

表1 兩級(jí)磁脈沖壓縮器部分電參數(shù)

磁脈沖壓縮器由磁開(kāi)關(guān)和脈沖電容器組成，其中磁開(kāi)關(guān)由磁芯和繞組構(gòu)成。磁芯是磁開(kāi)關(guān)的核心組成部分，直接決定了開(kāi)關(guān)的工作能力。鐵基非晶態(tài)磁芯[16-19]具有高的飽和磁感應(yīng)強(qiáng)度和優(yōu)異的軟磁性能，其典型帶材本身以及帶材間絕緣介質(zhì)的均勻性較好，疊片系數(shù)可達(dá)到80%以上，能夠保證磁芯在快脈沖激勵(lì)下的磁化質(zhì)量，且制作工藝成熟，已廣泛應(yīng)用于脈沖功率技術(shù)領(lǐng)域。因此這里選擇鐵基非晶態(tài)磁芯作為磁開(kāi)關(guān)磁芯。其實(shí)物如圖2，磁芯本體實(shí)物如圖3。

圖2 鐵基非晶態(tài)磁芯實(shí)物

圖3 鐵基非晶態(tài)磁芯本體實(shí)物

通過(guò)設(shè)計(jì)合理的測(cè)試回路可以得到該磁芯材料的動(dòng)態(tài)磁滯回線，如圖4所示，由圖可以看出：磁芯可利用的磁感應(yīng)強(qiáng)度變化量約3.2 T，矯頑力約500 A/m。因此，此時(shí)的平均相對(duì)磁導(dǎo)率大于2 000。

圖4 鐵基非晶態(tài)磁芯動(dòng)態(tài)磁滯回線

為了提高脈沖壓縮比，降低第二級(jí)壓縮單元飽和電感，增大輸出電脈沖的電流上升速率(di/dt)，研制的兩級(jí)磁脈沖壓縮器采用了兩種不同規(guī)格的鐵基非晶態(tài)環(huán)形磁芯(制作工藝等相同)，表2給出了上述兩種規(guī)格磁芯的關(guān)鍵參數(shù)。

表2 磁芯關(guān)鍵參數(shù)

設(shè)計(jì)的兩級(jí)磁脈沖壓縮器布局圖如圖5所示，由磁壓縮單元MU1和MU2構(gòu)成。其中，C1和C2分別為MU1和MU2中的脈沖電容器，MS1和MS2為MU1和MU2中的磁開(kāi)關(guān)。

圖5 兩級(jí)磁壓縮系統(tǒng)布局示意圖

綜合考慮脈沖電容器和磁芯的結(jié)構(gòu)尺寸，分別設(shè)計(jì)兩級(jí)脈沖電容器處于磁芯內(nèi)部和外部。為了盡可能減小雜散電感，每級(jí)磁壓縮單元使用10只電容值相等的脈沖電容器并聯(lián)而成。同時(shí)，多只脈沖電容器以裝置整體的中軸線為中心，呈圓周均勻排列。

由于磁開(kāi)關(guān)中磁芯的重量較大，各級(jí)磁芯均用高性能絕緣材料進(jìn)行支撐和保護(hù)，在保證一定機(jī)械強(qiáng)度的同時(shí)，增強(qiáng)絕緣性能，并對(duì)分立式繞組進(jìn)行定位。采用分立式繞組結(jié)構(gòu)，設(shè)計(jì)的兩級(jí)磁脈沖壓縮器具有電參數(shù)可調(diào)的能力。

(1)

(2)

根據(jù)磁通守恒定律

(3)

其中:Φ為磁開(kāi)關(guān)內(nèi)部的磁通量；V(t)為加載到磁芯上的電壓；Nt為繞組匝數(shù)；ΔB為磁感應(yīng)強(qiáng)度變化量；Ac為磁芯截面積。假設(shè)τ為磁開(kāi)關(guān)的飽和時(shí)間(即電脈沖上升時(shí)間)；n為磁開(kāi)關(guān)中磁芯塊數(shù)；μ0和μr分別為真空和磁性材料的相對(duì)磁導(dǎo)率；C為脈沖電容器電容值；Hc為磁開(kāi)關(guān)軸向長(zhǎng)度?？紤]初級(jí)能源等效回路參數(shù)，取諧振電感L為366 μH，通過(guò)以下公式能夠得到高功率磁脈沖壓縮器部分設(shè)計(jì)參數(shù)，如表3所示。

表3 兩級(jí)磁脈沖壓縮器部分設(shè)計(jì)參數(shù)

(4)

(5)

(6)

MS1采用10塊No.2規(guī)格磁芯，繞組為17圈，對(duì)應(yīng)的飽和電感為22.89 μH，MS2采用25塊No.1規(guī)格磁芯，繞組為6圈，對(duì)應(yīng)的飽和電感為1.08 μH。脈沖電容器和磁開(kāi)關(guān)之間采用具有一定厚度的銅板進(jìn)行連接，可進(jìn)一步減小雜散電阻和電感。設(shè)計(jì)所有器件在工作時(shí)均處于變壓器油中以增強(qiáng)絕緣和散熱能力。圖6為第二級(jí)磁脈沖壓縮單元實(shí)物圖。

圖6 第二級(jí)磁脈沖壓縮單元(MU2)實(shí)物圖

3 PSpice模擬

根據(jù)以上設(shè)計(jì)和分析，建立如圖1所示的兩級(jí)磁脈沖壓縮器等效電路，取諧振電感L為366 μH，初始電容Ci、脈沖電容器C1和C2負(fù)載電容Cp的容值均設(shè)計(jì)為200 nF。根據(jù)后續(xù)應(yīng)用實(shí)際，設(shè)置電容Ci上的初始電壓為110 kV，利用PSpice軟件進(jìn)行模擬得到各級(jí)電容器上的典型輸出電壓波形如圖7所示?？梢钥闯?，兩級(jí)磁脈沖壓縮器工作峰值電壓約105 kV，C1上電壓上升時(shí)間約19 μs，C2上電壓上升時(shí)間約4.5 μs，Cp上電壓上升時(shí)間約1 μs，脈沖壓縮比為19。

圖7 各級(jí)電容器典型輸出電壓波形

仿真結(jié)果表明：該磁脈沖壓縮器能夠滿足預(yù)期的設(shè)計(jì)指標(biāo)，輸出電脈沖波形與設(shè)計(jì)指標(biāo)相符。

4 實(shí)驗(yàn)研究

以研制的兩級(jí)磁脈沖壓縮器作為充電電源核心器件，選用1臺(tái)固態(tài)長(zhǎng)脈沖高壓驅(qū)動(dòng)源作為負(fù)載進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究，如圖8所示。

圖8 實(shí)驗(yàn)裝置示意圖

得到20 Hz重復(fù)頻率下負(fù)載上的輸出脈沖序列波形以及單個(gè)脈沖波形如圖9、圖10所示?？梢钥闯觯涸O(shè)計(jì)的兩級(jí)磁脈沖壓縮器能夠?qū)⑸仙龝r(shí)間為19 μs的正弦波電脈沖壓縮至上升沿約1 μs，峰值電壓約100 kV。輸出電壓的上升沿“凹陷”經(jīng)分析，來(lái)源于脈沖驅(qū)動(dòng)源電路設(shè)計(jì)中的不對(duì)稱性，并不影響磁脈沖壓縮器和驅(qū)動(dòng)源工作性能。同時(shí)，該磁脈沖壓縮器在重復(fù)頻率為20 Hz的情況下工作穩(wěn)定，波形一致性較好，滿足脈沖功率器件穩(wěn)定、可靠的技術(shù)要求。

圖9 20 Hz重復(fù)頻率下兩級(jí)磁脈沖壓縮器輸出脈沖序列波形

圖10 兩級(jí)磁脈沖壓縮器單個(gè)輸出脈沖波形

5 結(jié)論

本文研制了基于環(huán)形鐵基非晶態(tài)磁芯的高功率磁脈沖壓縮器，對(duì)其作為充電電源的核心器件在高壓脈沖驅(qū)動(dòng)源中的應(yīng)用進(jìn)行了研究。結(jié)果表明：研制的磁脈沖壓縮器能夠穩(wěn)定輸出百千伏量級(jí)，上升時(shí)間1 μs，重復(fù)頻率20 Hz的電脈沖，可以廣泛應(yīng)用于高功率微波驅(qū)動(dòng)、高能激光泵浦以及等離子體物理等方面。