FLTD大規(guī)模氣體開(kāi)關(guān)同步觸發(fā)技術(shù)研究

王志國(guó)，孫鳳舉，姜曉峰，降宏瑜，魏 浩，邱愛(ài)慈，樓 成，文振明

(1. 西北核技術(shù)研究所，西安 710024; 2. 西安交通大學(xué)，西安 710049)

快直線(xiàn)型變壓器脈沖功率驅(qū)動(dòng)源(fast linear transformer driver,FLTD)可直接產(chǎn)生百納秒級(jí)電脈沖，無(wú)須脈沖壓縮，是下一代快Z 箍縮驅(qū)動(dòng)源中最有前景的技術(shù)路線(xiàn)[1-2]。為獲得高峰值功率，F(xiàn)LTD需要數(shù)目龐大的開(kāi)關(guān)同步工作，對(duì)開(kāi)關(guān)提出了非常嚴(yán)苛的低抖動(dòng)同步觸發(fā)要求。大型FLTD脈沖源包含數(shù)萬(wàn)至數(shù)十萬(wàn)只的高功率氣體開(kāi)關(guān)，大規(guī)模氣體開(kāi)關(guān)同步觸發(fā)是制約FLTD技術(shù)工程應(yīng)用的瓶頸之一[3-4]。

目前，F(xiàn)LTD常規(guī)觸發(fā)方法為單級(jí)模塊引入4路觸發(fā)脈沖，每路脈沖觸發(fā)6～10只氣體開(kāi)關(guān)[5-7]，為獲得低抖動(dòng)，觸發(fā)脈沖幅值一般大于120 kV[8]。美國(guó)圣地亞國(guó)家實(shí)驗(yàn)室提出的Z-300(48 MA)，Z-800裝置(60 MA)概念設(shè)計(jì)[9]，中國(guó)工程物理研究院提出的50 MA電磁驅(qū)動(dòng)聚變大科學(xué)裝置(50 MA、150 ns)概念設(shè)計(jì)均采用上述同步觸發(fā)方式[10-14]，需要引入數(shù)目龐大的高電壓觸發(fā)電纜，觸發(fā)系統(tǒng)龐大、復(fù)雜，觸發(fā)電纜可靠性難以保證。

針對(duì)上述問(wèn)題，本文提出一種單級(jí)FLTD模塊內(nèi)置觸發(fā)支路[15]、共用腔體FLTD組件觸發(fā)延時(shí)線(xiàn)觸發(fā)、單路FLTD級(jí)聯(lián)觸發(fā)的內(nèi)置級(jí)聯(lián)同步觸發(fā)新方法，可大幅降低引入觸發(fā)脈沖數(shù)目和觸發(fā)系統(tǒng)規(guī)模；建立了12級(jí)串聯(lián)共用腔體FLTD實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了內(nèi)置同步觸發(fā)方法可行性，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，內(nèi)置級(jí)聯(lián)觸發(fā)方法可實(shí)現(xiàn)單路FLTD觸發(fā)時(shí)序調(diào)控，各級(jí)觸發(fā)支路開(kāi)關(guān)抖動(dòng)小于2 ns。

1 內(nèi)置級(jí)聯(lián)觸發(fā)原理

圖1為多級(jí)串聯(lián)FLTD內(nèi)置級(jí)聯(lián)觸發(fā)原理示意圖。多級(jí)FLTD模塊共用一個(gè)外腔體，每級(jí)通過(guò)多根均勻分布的金屬連接桿回流，每級(jí)FLTD單獨(dú)放置一個(gè)支路用于觸發(fā)其他并聯(lián)支路，該支路稱(chēng)為觸發(fā)支路，其他支路稱(chēng)為主放電支路。外部引入1路脈沖實(shí)現(xiàn)觸發(fā)支路開(kāi)關(guān)放電，觸發(fā)支路產(chǎn)生電脈沖用于觸發(fā)模塊內(nèi)主放電支路；4～6級(jí)FLTD模塊串聯(lián)構(gòu)成1個(gè)FLTD組件，外觸發(fā)脈沖經(jīng)觸發(fā)延時(shí)線(xiàn)觸發(fā)組件內(nèi)部的每級(jí)觸發(fā)支路開(kāi)關(guān)，觸發(fā)延時(shí)線(xiàn)時(shí)延與次級(jí)電脈沖傳輸時(shí)間相同，實(shí)現(xiàn)組件內(nèi)各級(jí)FLTD電脈沖按理想時(shí)序疊加；各個(gè)FLTD組件由前一個(gè)組件內(nèi)部觸發(fā)支路引出1路脈沖觸發(fā)后一個(gè)組件內(nèi)各級(jí)觸發(fā)支路，實(shí)現(xiàn)單路FLTD的依次級(jí)聯(lián)觸發(fā)。

圖1 多級(jí)串聯(lián)FLTD內(nèi)置級(jí)聯(lián)觸發(fā)原理示意圖Fig.1 Schematic of inter-cascade trigger of multi-stage series FLTD

2 內(nèi)置級(jí)聯(lián)觸發(fā)仿真模型

2.1 單級(jí)FLTD內(nèi)置觸發(fā)仿真模型

根據(jù)內(nèi)置觸發(fā)支路及角向傳輸線(xiàn)結(jié)構(gòu)，建立場(chǎng)-路協(xié)同仿真模型如圖2所示。其中，觸發(fā)支路、主放電支路、觸發(fā)隔離電阻及置地電阻等部分使用電路模型，元件參數(shù)均通過(guò)實(shí)際放電回路測(cè)量獲得；角向傳輸線(xiàn)、中間絕緣板及外腔體等結(jié)構(gòu)使用3維電磁模型，按器件實(shí)際材料及3維尺寸設(shè)置參數(shù)。其中：觸發(fā)支路電容C2為50 nF；觸發(fā)回路等效電感L為200 nH；觸發(fā)回路等效電阻R4為0.3 Ω；置地電阻R2取2 kΩ；主放電支路等效為開(kāi)關(guān)分布電容與主支路電容串聯(lián)，開(kāi)關(guān)等效電容C2為3 pF；發(fā)隔離電阻R3為300 Ω；發(fā)隔離電感L3為2 μH。

(b) Field-cricuit co-simulation model

利用建立的場(chǎng)-路協(xié)同仿真模型分別獲得了內(nèi)置及常規(guī)觸發(fā)方式下主支路開(kāi)關(guān)的觸發(fā)脈沖波形，如圖3所示。內(nèi)置觸發(fā)方式觸發(fā)支路充電電壓為±80 kV，常規(guī)觸發(fā)方式引入電脈沖140 kV/20 ns。常規(guī)觸發(fā)方式下觸發(fā)脈沖陡度為7.0 kV·ns-1，內(nèi)置觸發(fā)方式下觸發(fā)脈沖陡度為7.4 kV·ns-1，且觸發(fā)脈沖幅值更高(約為280 kV，是常規(guī)觸發(fā)方式2倍)，有利于主支路開(kāi)關(guān)同步[16]。

圖3 內(nèi)置及常規(guī)觸發(fā)方式下觸發(fā)脈沖波形Fig.3 Waveforms of trigger pulses under inter and general trigger methods

2.2 FLTD組件觸發(fā)延時(shí)線(xiàn)仿真模型

建立觸發(fā)延時(shí)線(xiàn)觸發(fā)場(chǎng)-路協(xié)同仿真模型，如圖4所示。其中，觸發(fā)器及高壓電纜、延時(shí)線(xiàn)末端電阻、觸發(fā)隔離電阻及4級(jí)觸發(fā)支路等部分使用電路模型，觸發(fā)延時(shí)線(xiàn)使用3維電磁模型。電路模型中：觸發(fā)器電容C1為25 nF；觸發(fā)器回路電感L1為140 nH；等效回路電阻R1為0.1 Ω；觸發(fā)高壓電纜長(zhǎng)度為10 m，阻抗為50 Ω；觸發(fā)支路等效為開(kāi)關(guān)分布電容與觸發(fā)支路電容串聯(lián)，等效電容C2為10 pF，觸發(fā)隔離電阻R2為1 kΩ。

(a) Schematic of three-dimensional structure

(b) Field-cricuit co-simulation model

利用建立的場(chǎng)-路協(xié)同仿真模型獲得了觸發(fā)延時(shí)線(xiàn)觸發(fā)方式下觸發(fā)脈沖波形，如圖5所示。

(a) Voltage and current waveforms of trigger delay line

(b) Trigger voltage waveforms of 4 stages

觸發(fā)器輸出前行波電壓為60 kV時(shí)，觸發(fā)延時(shí)線(xiàn)末端可獲得幅值約為100 kV，前沿小于20 ns的觸發(fā)脈沖，觸發(fā)電流約為0.53 kA，計(jì)算觸發(fā)延時(shí)線(xiàn)等效阻抗Z約為190 Ω。各級(jí)觸發(fā)支路開(kāi)關(guān)獲得的觸發(fā)脈沖幅值及前沿基本相同，各級(jí)延時(shí)約為6.0 ns，每級(jí)觸發(fā)延時(shí)線(xiàn)長(zhǎng)度為1.5 m，可得觸發(fā)脈沖在觸發(fā)延時(shí)線(xiàn)中的傳輸速率為0.25 m·ns-1。

2.3 多級(jí)串聯(lián)FLTD級(jí)聯(lián)觸發(fā)仿真模型

建立了多級(jí)串聯(lián)FLTD級(jí)聯(lián)觸發(fā)電路仿真模型，如圖6所示。

圖6 多級(jí)串聯(lián)FLTD級(jí)聯(lián)觸發(fā)電路仿真模型Fig.6 Cricuit simulation model of multi-stage series FLTD

由圖6可見(jiàn)，模型包括上游共用腔體單元內(nèi)的觸發(fā)支路、角向傳輸線(xiàn)、隔離電阻及主放電支路、高壓引出線(xiàn)、下游共用腔體單元內(nèi)的觸發(fā)延時(shí)線(xiàn)、隔離電阻及觸發(fā)支路等部分。內(nèi)置觸發(fā)支路參數(shù)與單級(jí)FLTD仿真模型相同，6個(gè)主支路參數(shù)等效為1個(gè)支路(其中1個(gè)支路為5個(gè)主支路參數(shù)等效)，置地電阻R為2 kΩ，角向傳輸線(xiàn)阻抗Z1為60 Ω，高壓引出線(xiàn)傳輸時(shí)間為5 ns，阻抗Z2與觸發(fā)延時(shí)線(xiàn)阻抗Z3均為190 Ω。觸發(fā)支路開(kāi)關(guān)分布電容C2為10 pF，觸發(fā)隔離電阻R2為1 kΩ。

利用電路仿真模型獲得了多級(jí)串聯(lián)FLTD級(jí)聯(lián)觸發(fā)仿真波形，如圖7所示。上游觸發(fā)支路充電電壓為±80 kV，經(jīng)級(jí)聯(lián)高壓線(xiàn)饋入下游觸發(fā)延時(shí)線(xiàn)的觸發(fā)脈沖幅值約為225 kV，是觸發(fā)支路充電電壓的2.8倍，脈沖上升時(shí)間(0～100%)約為50 ns，在電壓為120 kV處出現(xiàn)約10 ns的平頂。為獲得較小的開(kāi)關(guān)抖動(dòng)，應(yīng)使下游觸發(fā)支路開(kāi)關(guān)在觸發(fā)脈沖到達(dá)120 kV之前導(dǎo)通。估算高壓引出線(xiàn)傳輸時(shí)間為5 ns，次級(jí)電脈沖傳輸時(shí)間為39 ns(1.3 m水介質(zhì)傳輸線(xiàn))，則下游觸發(fā)支路開(kāi)關(guān)導(dǎo)通時(shí)延為34 ns時(shí)，可實(shí)現(xiàn)多級(jí)串聯(lián)FLTD次級(jí)電脈沖的理想時(shí)序疊加。

圖7 多級(jí)串聯(lián)FLTD級(jí)聯(lián)觸發(fā)仿真波形Fig.7 Simulation waveforms of cascade trigger pulses of multi-stage series FLTD

2.4 12級(jí)串聯(lián)FLTD級(jí)聯(lián)觸發(fā)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

建立了采用內(nèi)置級(jí)聯(lián)觸發(fā)方法的12級(jí)串聯(lián)共用腔體FLTD實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，如圖8所示。這是國(guó)際上首臺(tái)采用水介質(zhì)傳輸線(xiàn)的太瓦級(jí)FLTD裝置，總長(zhǎng)度4.8 m，直徑2.5 m，包含3個(gè)FLTD組件，276個(gè)主放電支路、12個(gè)觸發(fā)支路，其中主放電支路電容器參數(shù)為100 kV/100 nF，觸發(fā)支路電容器參數(shù)為100 kV/50 nF，每個(gè)組件由4級(jí)FLTD模塊串聯(lián)構(gòu)成，每個(gè)FLTD模塊采用內(nèi)置觸發(fā)支路觸發(fā)，每個(gè)FLTD組件內(nèi)部采用觸發(fā)延時(shí)線(xiàn)觸發(fā)，延時(shí)間隔固定為7.5 ns，F(xiàn)LTD組件之間采用級(jí)聯(lián)觸發(fā)，通過(guò)調(diào)節(jié)觸發(fā)支路開(kāi)關(guān)工作系數(shù)可在一定范圍內(nèi)調(diào)控觸發(fā)時(shí)延。研制的12級(jí)串聯(lián)FLTD裝置僅需引入1路觸發(fā)脈沖，6路充電電纜(正負(fù)各3路)和1路氣路，大幅簡(jiǎn)化了輔助系統(tǒng)規(guī)模，同時(shí)可實(shí)現(xiàn)放電支路的原位在線(xiàn)維修替換。

(a) Design

(b) Picture

利用12級(jí)共用腔體串聯(lián)FLTD實(shí)驗(yàn)平臺(tái)開(kāi)展了內(nèi)置級(jí)聯(lián)觸發(fā)方法的可行性驗(yàn)證。通過(guò)每級(jí)觸發(fā)支路開(kāi)關(guān)上布置的B-dot探頭，測(cè)量獲得了±(60～80) kV充電電壓、60%～80%工作系數(shù)下，12級(jí)FLTD模塊觸發(fā)支路開(kāi)關(guān)時(shí)延與抖動(dòng)如圖9所示。由圖9可見(jiàn)，12級(jí)FLTD模塊可實(shí)現(xiàn)按理想時(shí)序依次觸發(fā)放電，觸發(fā)支路開(kāi)關(guān)抖動(dòng)小于2 ns。通過(guò)調(diào)節(jié)觸發(fā)支路開(kāi)關(guān)工作系數(shù)，可實(shí)現(xiàn)3個(gè)FLTD組件導(dǎo)通時(shí)序調(diào)控，第3個(gè)組件導(dǎo)通時(shí)刻最大調(diào)控范圍約為20 ns，等效觸發(fā)時(shí)序系數(shù)[12](相鄰2級(jí)模塊導(dǎo)通時(shí)間間隔與對(duì)應(yīng)電磁脈沖傳輸時(shí)間的比值)為0.83～1.17。

(a) Trigger timing under ±60 kV charge voltage

(b) Trigger timing under ±70 kV charge voltage

(c) Trigger timing under ±80 kV charge voltage

不同充電電壓下，負(fù)載電流波形如圖10所示。采用水電阻負(fù)載，近似匹配阻抗設(shè)計(jì)。由圖10(a)可見(jiàn)，充電電壓為±83 kV時(shí)，負(fù)載端可獲得電壓峰值約為1.1 MV、電流峰值約為1.0 MA、前沿約為74 ns的脈沖電流輸出；由圖10(b)可見(jiàn)，負(fù)載電流峰值隨充電電壓近似線(xiàn)性增加，表明FLTD裝置內(nèi)部開(kāi)關(guān)觸發(fā)放電同步性較好。

(a) Load current vs. time under different charging voltages

(b) Load peak current vs. charging voltage

3 結(jié)論

針對(duì)FLTD型驅(qū)動(dòng)源大規(guī)模氣體開(kāi)關(guān)同步觸發(fā)問(wèn)題，本文提出了一種內(nèi)置級(jí)聯(lián)同步觸發(fā)新方法，采用單級(jí)FLTD模塊內(nèi)置觸發(fā)支路、共用腔體FLTD組件觸發(fā)延時(shí)線(xiàn)觸發(fā)及單路FLTD級(jí)聯(lián)觸發(fā)方法，可大幅降低引入觸發(fā)脈沖數(shù)目和觸發(fā)系統(tǒng)規(guī)模。建立了基于內(nèi)置觸發(fā)的FLTD 3維電磁及電路仿真模型，仿真結(jié)果表明：內(nèi)置觸發(fā)方式產(chǎn)生的觸發(fā)脈沖陡度與常規(guī)觸發(fā)方式相當(dāng)，但觸發(fā)脈沖幅值更高，是常規(guī)觸發(fā)方式的2倍，更有利于主支路開(kāi)關(guān)同步；觸發(fā)延時(shí)線(xiàn)等效阻抗Z約為190 Ω，觸發(fā)延時(shí)線(xiàn)中觸發(fā)脈沖的傳輸速率約為0.25 m·ns-1，且各級(jí)觸發(fā)脈沖幅值及前沿基本相同；級(jí)聯(lián)觸發(fā)脈沖幅值是觸發(fā)支路充電電壓的約2.8倍，上升時(shí)間約為50 ns，次級(jí)采用水介質(zhì)傳輸線(xiàn)時(shí)可實(shí)現(xiàn)理想時(shí)序觸發(fā)。

建立了12級(jí)串聯(lián)共用腔體FLTD實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了內(nèi)置同步觸發(fā)方法可行性，實(shí)現(xiàn)了引入1路脈沖同步觸發(fā)12級(jí)串聯(lián)FLTD，大幅降低了引入觸發(fā)脈沖數(shù)目和觸發(fā)系統(tǒng)規(guī)模。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：內(nèi)置級(jí)聯(lián)觸發(fā)方法可實(shí)現(xiàn)單路FLTD內(nèi)氣體開(kāi)關(guān)按理想時(shí)序依次導(dǎo)通，各級(jí)觸發(fā)支路開(kāi)關(guān)抖動(dòng)小于2 ns，通過(guò)調(diào)節(jié)觸發(fā)支路開(kāi)關(guān)工作系數(shù)，可實(shí)現(xiàn)單路FLTD導(dǎo)通時(shí)序調(diào)控，時(shí)序系數(shù)范圍為0.83～1.17。