基于多針電暈穩(wěn)定開關(guān)Marx發(fā)生器特性

邱 云

（西南交通大學(xué) 希望學(xué)院，四川 南充 637900）

0 引言

本文是在對單針電暈穩(wěn)定開關(guān)的導(dǎo)通時(shí)延和抖動性能研究基礎(chǔ)上[1]，利用針板多針電暈穩(wěn)定開關(guān)作為Marx發(fā)生器開關(guān)元件，實(shí)驗(yàn)研究其在高能量和高脈沖輸出幅值運(yùn)行時(shí)的穩(wěn)定性，為進(jìn)一步探索其重復(fù)頻率實(shí)驗(yàn)研究打下基礎(chǔ)。為此，設(shè)計(jì)了一套三針觸發(fā)和三套六針自觸發(fā)電暈穩(wěn)定開關(guān)，搭建了一臺四級Marx發(fā)生器，對發(fā)生器在單次運(yùn)行下的穩(wěn)定性進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究，并將其和等效電路模擬結(jié)果進(jìn)行了比較。

1 實(shí)驗(yàn)裝置

搭建的四級全電感隔離型Marx發(fā)生器實(shí)驗(yàn)原理如圖1。采用正極性恒流充電方式，電源輸出電壓最高可達(dá)～50kV，觸發(fā)信號由正負(fù)100kV脈沖觸發(fā)源（觸發(fā)脈沖上升沿為100ns）提供。觸發(fā)源通過隔離電容Ct給觸發(fā)開關(guān)S1一個(gè)觸發(fā)信號。開關(guān)S1導(dǎo)通后，自擊穿開關(guān)S2、S3、S4先后依次擊穿對負(fù)載R輸出脈沖能量。其中Ct為1.1nF/50kV陶瓷高壓電容器，C0為12.5nF/50kV的塑殼陶瓷高壓電容器，充電電感Lc和隔離電感L0都為200uH，引入Lc目的在于當(dāng)開關(guān)S1瞬間導(dǎo)通時(shí)對電源的保護(hù)。負(fù)載上輸出電壓測量是通過高壓探頭與示波器（Lecroy 6100A）測得，根據(jù)需要試驗(yàn)中用到的探頭分別為Tek P6015A和分壓比為5000倍的電阻分壓器。

圖1 四級Marx發(fā)生器實(shí)驗(yàn)線路圖

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析

實(shí)驗(yàn)?zāi)康脑谟跈z驗(yàn)不同負(fù)載下發(fā)生器運(yùn)行的穩(wěn)定性、輸出脈沖波形特征以及檢驗(yàn)開關(guān)的通流能力等。在多次調(diào)試后，發(fā)現(xiàn)開關(guān)腔體內(nèi)充入一定量SF6氣體混合后工作比較穩(wěn)定。以下實(shí)驗(yàn)均在充電30kV，脈沖能量達(dá)到22J時(shí)測得。模擬時(shí)充分考慮儲能電容、開關(guān)各種雜散參數(shù)，用等效電路進(jìn)行了模擬，下面是負(fù)載分別為1Ω、5Ω、50Ω、100Ω和300Ω的Pspice模擬與實(shí)驗(yàn)結(jié)果，如圖2和表1所示。

圖2 當(dāng)負(fù)載為1Ω時(shí)實(shí)驗(yàn)與模擬波形

表1 不同負(fù)載下脈沖前沿和電壓輸出模擬與實(shí)驗(yàn)結(jié)果

圖2（a）和（b）是在負(fù)載為1Ω時(shí)的實(shí)驗(yàn)波形與模擬結(jié)果（模擬時(shí)線路建立電感值為935.7nH），實(shí)驗(yàn)波形測得周期為367ns，比近似模擬值350ns稍大。當(dāng)回路中電阻小到可忽略時(shí)，回路實(shí)際建立電流表達(dá)式近似為

將發(fā)生器建立電容 Cm=3.125nF，T=367ns代入（2）式，可近似得到回路中實(shí)際電感值Lm=1092nH，大小比模擬采用理論值大但較接近，說明電路模型很好反映了發(fā)生器運(yùn)行過程。圖3（a）比（b）衰減快，反映了實(shí)際線路中電阻要高于1Ω。

表1中值反映了在脈沖前沿與電壓輸出幅值方面的實(shí)驗(yàn)與模擬值，其中脈沖前沿與模擬差別較大，而脈沖幅值比較接近，這可以從圖3（實(shí)驗(yàn)波形采用分壓比為5000的高壓探頭測得）中反映出來。脈沖前沿較大差異原因在于兩點(diǎn):一是回路中建立電感實(shí)際要大于模擬時(shí)取值，二是開關(guān)針板間隙比較大，導(dǎo)通時(shí)延在30～40ns[1]范圍內(nèi)，導(dǎo)致了發(fā)生器脈沖前沿比模擬值大（沒有考慮開關(guān)導(dǎo)通時(shí)延）。另外，表1負(fù)載為5Ω時(shí)，與其它負(fù)載值脈沖前實(shí)驗(yàn)結(jié)果變化趨勢不一致，且測量到波形震蕩比較大，穩(wěn)定性不如較高負(fù)載。此時(shí)回路中電流峰值達(dá)到6kA，遠(yuǎn)大于2kA(目前國外報(bào)道電暈穩(wěn)定開關(guān)穩(wěn)定工作電流也即是2kA[3])。這種小幅的抖動跟電暈穩(wěn)定開關(guān)電極的加熱和燒蝕、電暈的活動有關(guān)。

圖3 當(dāng)負(fù)載為100Ω時(shí)實(shí)驗(yàn)與模擬波形

3 總結(jié)

本文搭建了一臺四級多針電暈穩(wěn)定Marx發(fā)生器，首先對各個(gè)元件在等效處理后進(jìn)行了Pspice模擬，將模擬結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行比較，得到了比較一致的結(jié)論:在充電電壓為30kV、脈沖能量達(dá)到22J、峰值電流小于0.5kA時(shí)，4級Marx發(fā)生器能夠穩(wěn)定運(yùn)行。進(jìn)一步的工作是開展重復(fù)頻率實(shí)驗(yàn)，研究電暈穩(wěn)定開關(guān)對提高發(fā)生器的運(yùn)行頻率方面的性能。

［1］邱云,金曉,宋法倫,等.針板型觸發(fā)電暈穩(wěn)定開關(guān)的特性[J].強(qiáng)激光與粒子束,2011,1(23):244-248.

［2］P.Sarkar,B.M.Novac,I.R.Smith etc..A high-repetition rate closing switch for EPM application[J].IEEE Pulsed Power Conference Digests of Technical Papers,2007:97-100.