雙線(xiàn)型脈沖調(diào)制系統(tǒng)中的雙開(kāi)關(guān)整形技術(shù)

周 相，潘子龍，陳絨，程新兵，楊建華，錢(qián)寶良，呂朋杰

(1.國(guó)防科技大學(xué)前沿交叉學(xué)科學(xué)院，湖南 長(zhǎng)沙 410005；2.湖南云箭集團(tuán)有限公司，湖南 長(zhǎng)沙 410000)

目前，脈沖功率技術(shù)正朝著固態(tài)化、高功率、高重復(fù)頻率和長(zhǎng)使用壽命等方向發(fā)展[1-7]。由于磁開(kāi)關(guān)具有重復(fù)頻率高(1～106Hz，與磁芯材料及復(fù)位系統(tǒng)有關(guān))、使用壽命長(zhǎng)(可達(dá)到108～109次)、耐壓高(最高工作電壓可達(dá)1 MV)、通流能力強(qiáng)(100～1000 kA)等優(yōu)點(diǎn)[8-12]，因而在脈沖功率技術(shù)中得到了廣泛的應(yīng)用。分?jǐn)?shù)比可飽和脈沖變壓器(Fractional-turn Ratio Saturable Pulse Transformer,FRSPT)兼具升壓和磁開(kāi)關(guān)的特性，使得磁場(chǎng)能量能夠被充分利用，是高功率脈沖調(diào)制器系統(tǒng)中替代開(kāi)放磁芯變壓器的潛在器件。一方面FRSPT能夠解決普通繞組形式的可飽和脈沖變壓器(Saturable Pulse Transformer,SPT)[13][14]不能兼顧高升壓比和低次級(jí)飽和電感的問(wèn)題，在大變比充電的同時(shí)保證輸出快前沿脈沖；另一方面，F(xiàn)RSPT能夠大大降低原邊充電電壓，使得原邊采用大功率半導(dǎo)體開(kāi)關(guān)如晶閘管等成為可能。

FRSPT應(yīng)用在微秒脈沖發(fā)生器中與脈沖形成模塊配合可以獲得高質(zhì)量的準(zhǔn)方波信號(hào)，但當(dāng)線(xiàn)繞式FRSPT應(yīng)用在百納秒的低阻高功率脈沖調(diào)制器中時(shí)，由于其次級(jí)繞組本身結(jié)構(gòu)電感的存在，F(xiàn)RSPT飽和電感較大，達(dá)到了幾個(gè)μH，難以獲得理想的脈沖整形效果。要想在采用FRSPT的百納秒高功率脈沖調(diào)制器中獲得大電壓升壓比的同時(shí)得到快前沿的脈沖，還需要探索基于FRSPT和脈沖形成模塊的新的整形技術(shù)。

本文針對(duì)上述問(wèn)題，提出并研究了一種基于FRSPT和低阻雙線(xiàn)型脈沖調(diào)制系統(tǒng)中的雙開(kāi)關(guān)整形技術(shù)，在FRSPT次級(jí)等效磁開(kāi)關(guān)的基礎(chǔ)上，加入了整形開(kāi)關(guān)，改變了脈沖形成的過(guò)程，能夠有效改善脈沖整形效果。雙開(kāi)關(guān)整形技術(shù)能夠有效應(yīng)用在分立雙線(xiàn)、同軸Blumlein線(xiàn)、層疊線(xiàn)等雙線(xiàn)型脈沖調(diào)制系統(tǒng)中。

1 理論分析與電路仿真

為了解決同軸Blumlein線(xiàn)中混合液的耐壓?jiǎn)栴}，克服同軸Blumlein線(xiàn)內(nèi)外線(xiàn)阻抗不一致帶來(lái)的弊端，國(guó)防科技大學(xué)楊建華研究員在2013年提出了分立雙線(xiàn)的想法[7]，即采用兩條分立的單脈沖形成線(xiàn)(Pulse Forming Line,PFL)構(gòu)成雙脈沖形成線(xiàn)(Pulse Double Forming Line,PDFL)，其結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 雙脈沖形成線(xiàn)結(jié)構(gòu)圖Fig.1 Structure diagram of PDFL

為了在不增加形成線(xiàn)幾何長(zhǎng)度的情況下提高輸出脈沖寬度，采用了螺旋線(xiàn)。螺旋分立雙線(xiàn)由兩根獨(dú)立的單螺旋脈沖形成線(xiàn)PFL_A和PFL_B構(gòu)成，PFL_A和PFL_B的尺寸基本一致，以保證兩條單螺旋脈沖形成線(xiàn)阻抗與傳輸時(shí)延一致。其中，PFL_A和PFL_B的內(nèi)筒可等效為同軸Blumlein線(xiàn)的中筒，PFL_A的外筒等效為同軸Blumlein線(xiàn)的內(nèi)筒，PFL_B的外筒與同軸Blumlein線(xiàn)的外筒等效。與傳統(tǒng)的同軸Blumlein線(xiàn)相比，采用螺旋分立雙線(xiàn)結(jié)構(gòu)的脈沖形成線(xiàn)(Pulse Forming Line,PFL)能夠獲得更大的電脈沖功率、更高的能量效率和更好的波形質(zhì)量。

為了結(jié)合FRSPT和分立雙線(xiàn)的優(yōu)勢(shì)，本文提出并研究了一種基于FRSPT和低阻脈沖形成線(xiàn)的雙開(kāi)關(guān)整形技術(shù)，在FRSPT次級(jí)等效磁開(kāi)關(guān)的基礎(chǔ)上，加入了整形開(kāi)關(guān)，改變了脈沖形成的過(guò)程，有效改善脈沖整形效果。

1.1 理論計(jì)算

下面以螺旋分立雙脈沖形成線(xiàn)為例，對(duì)雙線(xiàn)型脈沖調(diào)制系統(tǒng)中的雙開(kāi)關(guān)整形技術(shù)進(jìn)行分析和計(jì)算。

圖2為設(shè)計(jì)的基于雙開(kāi)關(guān)整形技術(shù)的脈沖調(diào)制系統(tǒng)電路原理圖，其中C0為儲(chǔ)能電容，L0為充電電感，Lg為分立雙線(xiàn)的接地電感，為分立雙線(xiàn)提供充電回路，S1為整形開(kāi)關(guān)，Lc為整形開(kāi)關(guān)S1的結(jié)構(gòu)電感，Lk、Rk分別為回路中的雜散電感和雜散電阻。晶閘管開(kāi)關(guān)S0導(dǎo)通后，儲(chǔ)能電容C0通過(guò)FRSPT對(duì)分立雙線(xiàn)PFL_A與PFL_B充電，當(dāng)充電至一定電壓后，磁開(kāi)關(guān)飽和，PFL_A、PFL_B與接地電感Lg諧振，當(dāng)諧振電壓達(dá)到一定值后，整形開(kāi)關(guān)S1閉合，PFL_A與PFL_B開(kāi)始向負(fù)載R放電，輸出準(zhǔn)方波信號(hào)。整個(gè)整形過(guò)程分為3個(gè)階段：依次為充電階段、諧振階段以及波形成的放電階段。

圖2 基于雙開(kāi)關(guān)整形技術(shù)的脈沖調(diào)制系統(tǒng)電路圖Fig.2 Circuit diagram of pulse modulation system based on the dual-switch modulation technique

1.1.1 充電階段

(1)

其中UC0(t)、UC(t)與UC1(t)分別是電容C0、C和C1上的電壓，由于分立雙線(xiàn)是由兩根尺寸基本一致的單線(xiàn)構(gòu)成的，因此有C1=C。

圖3 充電階段等效電路圖Fig.3 Equivalent circuit diagram of charging period

列出圖3的回路方程：

(2)

滿(mǎn)足約束條件UC0(0)=U0，UC(0-)=UC(0+)=0，UC1(0-)=UC1(0+)=0，式中U0為儲(chǔ)能電容C0上的初始電壓。

通過(guò)Laplace變換求解可以得到：

(3)

其中

1.1.2 諧振階段

FRSPT磁芯飽和后，在其飽和電感較大的條件下，由于電路的時(shí)間常數(shù)遠(yuǎn)大于脈沖形成線(xiàn)的傳輸時(shí)延，因此，分立雙線(xiàn)仍然可做電容等效，此時(shí)等效電容C與FRSPT次級(jí)飽和電感LS、接地電感Lg構(gòu)成諧振電路，如圖4所示。其中，S為FRSPT次級(jí)等效磁開(kāi)關(guān)，LS為等效的FRSPT次級(jí)飽和電感，i2與i3分別為圖中所示兩個(gè)網(wǎng)絡(luò)的網(wǎng)口電流。

列出圖4所示電路的回路方程：

(4)

當(dāng)t=Ts時(shí)刻，F(xiàn)RSPT磁芯飽和，即圖4中開(kāi)關(guān)S閉合，滿(mǎn)足初始條件：

解方程組得：

(5)

其中

圖4 FRSPT飽和后分立雙線(xiàn)的等效諧振電路Fig.4 Equivalent resonant circuit of PDFL after FRSPT saturation

1.1.3 放電階段

大飽和電感下雙開(kāi)關(guān)整形技術(shù)放電的等效電路結(jié)構(gòu)如圖5所示，其中，Ls為磁開(kāi)關(guān)飽和電感，PFL_A與PFL_B為形成線(xiàn)，且具有相同的阻抗Z0和傳輸時(shí)延τ0，R為負(fù)載，滿(mǎn)足R=2Z0，S1為整形開(kāi)關(guān)。

圖5 放電階段等效電路圖Fig.5 Equivalent circuit diagram of discharging period

S1閉合前，形成線(xiàn)在磁開(kāi)關(guān)閉合后與接地電感諧振，理想情況下，PFL_A內(nèi)芯兩端充電電壓均為-V0，外芯均接地，電勢(shì)為0；PFL_B左側(cè)內(nèi)芯充電電壓為-V0，外芯充電電壓為-2V0，右側(cè)內(nèi)芯不參與諧振，電壓仍為V0，外芯懸空，電勢(shì)為懸空零電勢(shì)，PFL_B左右兩側(cè)電勢(shì)差均為V0，PFL_B中無(wú)靜電荷流動(dòng)。S1閉合前，負(fù)載R上無(wú)靜電流通過(guò)，S1閉合后，可以利用行波傳播的觀點(diǎn)分析兩條形成線(xiàn)的放電過(guò)程。

S1閉合后，由于飽和電感Ls很大，對(duì)于幾十納秒前沿的高頻脈沖信號(hào)來(lái)說(shuō)PFL_A左側(cè)端口可以視作開(kāi)路，PFL_B右側(cè)也是開(kāi)路，則二者的端口反射因子ρ均為+1；負(fù)載阻抗匹配，則R=2Z0，R左右兩側(cè)行波輸入R的反射因子均為(3Z0-Z0)/(3Z0+Z0)=1/2。值得注意的是，當(dāng)ωLs與Z0可比擬或遠(yuǎn)大于Z0時(shí)，PFL_A與PFL_B的反射系數(shù)、透射系數(shù)關(guān)于負(fù)載R對(duì)稱(chēng)。

設(shè)當(dāng)t=Ts+t_delay，開(kāi)關(guān)S1閉合，PFL_B左側(cè)內(nèi)外芯電壓波在負(fù)載處發(fā)生透反射，PFL_B內(nèi)芯幅值為-V0的電勢(shì)在負(fù)載右側(cè)產(chǎn)生-V0/2的一級(jí)電壓波向PFL_B方向傳播；PFL_B外芯幅值為-2V0的電勢(shì)在負(fù)載右側(cè)產(chǎn)生-V0的一級(jí)電壓波向PFL_B方向傳播；事實(shí)上，即等效為負(fù)載處產(chǎn)生透反射的電壓波幅值為V0。反射波幅值為V0/2，透射波的幅值為入射波和反射波幅值之和，即V0+V0/2=3V0/2。此時(shí)，由于負(fù)載R與PFL_A分壓，則進(jìn)入PFL_A的透射波幅值為V0/2，R兩端的電勢(shì)差為V0(由于R左側(cè)接地，負(fù)載兩端電壓為-V0)。

進(jìn)入PFL_A的一級(jí)電壓波向PFL_A左端傳播，由于PFL_A上原本存在-V0的電勢(shì)，當(dāng)t=Ts+t_delay+τ0時(shí)(τ0為單根形成線(xiàn)的傳說(shuō)時(shí)延)，PFL_A的電勢(shì)為-V0+V0/2=-V0/2，此時(shí)，幅值為V0/2的一級(jí)電壓波在PFL_A左側(cè)開(kāi)路端口發(fā)生透反射，產(chǎn)生幅值為V0/2的二級(jí)電壓波，向負(fù)載R傳播，并將PFL_A上原有的-V0/2電勢(shì)抵消；在另一方向，幅值為-V0/2的一級(jí)電壓波逐漸將PFL_B內(nèi)芯電勢(shì)變化為V0/2，并在PFL_B右側(cè)產(chǎn)生透反射，由于PFL_B右側(cè)為開(kāi)路，外芯為懸空零電勢(shì)，于是在PFL_B右側(cè)產(chǎn)生了幅值為-V0/2的二級(jí)電壓波，并向負(fù)載R傳播，同時(shí)將PFL_B上原有的V0/2電勢(shì)抵消；當(dāng)t=Ts+t_delay+2τ0時(shí)，這兩支二級(jí)電壓波到達(dá)負(fù)載，并相互抵消，放電過(guò)程結(jié)束。

在t=T0至t=T0+2τ0內(nèi)，負(fù)載R上獲得了幅值為-V0，脈寬為2τ0的方波信號(hào)。

通過(guò)以上分析可以得知：由于兩條形成線(xiàn)內(nèi)芯為電連接，外皮為負(fù)載的兩端，且PFL_A與PFL_B的反射系數(shù)、透射系數(shù)與波過(guò)程均關(guān)于負(fù)載R對(duì)稱(chēng)，可等效為負(fù)載兩端加載了幅值為-2V0的電脈沖；從電路的角度分析，PFL_A與PFL_B在整形開(kāi)關(guān)S1閉合前分別有幅值為-V0的電脈沖加載，在整形開(kāi)關(guān)S1閉合后PFL_A與PFL_B作為單脈沖形成線(xiàn)分別向負(fù)載放電，負(fù)載上的輸出電壓波為兩條單線(xiàn)放電的疊加波形。整體來(lái)看，基于雙脈沖形成線(xiàn)的雙開(kāi)關(guān)整形技術(shù)，其放電過(guò)程可等效為電壓幅值為-2V0的單脈沖形成線(xiàn)放電過(guò)程。

1.2 電路仿真

采用如圖2所示的基于雙開(kāi)關(guān)整形的長(zhǎng)脈沖調(diào)制器電路，設(shè)開(kāi)關(guān)結(jié)構(gòu)電感Lc=60 nH，初級(jí)儲(chǔ)能電容C0=280 μF，充電電感L0=0.08 μH，變壓器初次級(jí)繞組電感分別為L(zhǎng)1=1 μH，L2=4 mH，耦合系數(shù)keff=0.99，設(shè)計(jì)的單根PFL阻抗Z0=2.8 Ω，傳輸時(shí)延τ0=50 ns，則等效電容C=17.85 nF，若零時(shí)刻電容C0充電至U0=1100 V，得到電路仿真結(jié)果如圖6所示。

由圖6可知，初始時(shí)刻，儲(chǔ)能電容通過(guò)FRSPT對(duì)分立雙線(xiàn)充電，t=Ts時(shí)刻FRSPT次級(jí)繞組飽和，電路開(kāi)始進(jìn)入諧振階段，經(jīng)過(guò)t_delay的時(shí)間，整形開(kāi)關(guān)S1導(dǎo)通，從電路形式上看，分立雙線(xiàn)可等效為單線(xiàn)向負(fù)載放電，負(fù)載上得到的電壓幅值為諧振電壓的一半，脈寬為兩倍傳輸時(shí)延。上述仿真結(jié)果與理論分析一致，再次驗(yàn)證了雙開(kāi)關(guān)整形技術(shù)理論計(jì)算的正確性。

為了對(duì)比說(shuō)明大飽和電感下雙開(kāi)關(guān)整形技術(shù)相對(duì)于傳統(tǒng)單開(kāi)關(guān)調(diào)制的優(yōu)越性，對(duì)于圖2所示的電路，將整形開(kāi)關(guān)S1去掉即為傳統(tǒng)的單開(kāi)關(guān)調(diào)制電路，保持仿真參數(shù)一致，調(diào)節(jié)FRSPT次級(jí)飽和電感值Ls的值，得到負(fù)載上的輸出波形如圖7(a)所示。

(a) 充電階段

(b) 諧振階段

(c) 放電階段圖6 模擬仿真結(jié)果Fig.6 Results of simulation

在傳統(tǒng)的單開(kāi)關(guān)調(diào)制電路中，以FRSPT次級(jí)等效磁開(kāi)關(guān)為放電主開(kāi)關(guān)時(shí)，由圖7(a)可知，即使FRSPT次級(jí)飽和電感Ls=50 nH時(shí)，負(fù)載輸出波形前后沿依然很長(zhǎng)，超過(guò)了50 ns，且?guī)缀鯖](méi)有脈沖平頂。若次級(jí)飽和電感Ls達(dá)到μH量級(jí)，則負(fù)載波形完全成為三角波。一般而言，在變壓器對(duì)形成線(xiàn)充電的電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)中，采用氣體開(kāi)關(guān)作為傳統(tǒng)單開(kāi)關(guān)調(diào)制技術(shù)的主開(kāi)關(guān)時(shí)，將開(kāi)關(guān)電感減小至幾十nH是可能的。但對(duì)于FRSPT來(lái)說(shuō)，它在作為磁開(kāi)關(guān)的同時(shí)，也是調(diào)制器系統(tǒng)中的升壓元件，在保證變壓器大變比的同時(shí)，要想將其飽和電感減小至50 nH以下是十分困難的。

圖7(b)給出了次級(jí)飽和電感Ls=2μH時(shí)兩種調(diào)制方式的對(duì)比，可以明顯看到，加入了整形開(kāi)關(guān)S1的雙開(kāi)關(guān)整形技術(shù)能夠獲得更好的整形效果。

(a) 不同飽和電感下單開(kāi)關(guān)調(diào)制的輸出波形

(b) 相同飽和電感下的兩種調(diào)制方式對(duì)比圖7 單、雙開(kāi)關(guān)整形仿真結(jié)果Fig.7 Simulation results of single and dual switch modulation

2 實(shí)驗(yàn)研究

為了驗(yàn)證雙開(kāi)關(guān)整形技術(shù)在不同雙線(xiàn)型脈沖調(diào)制系統(tǒng)的可行性，實(shí)驗(yàn)分為兩個(gè)部分：一是基于螺旋分立雙線(xiàn)的雙線(xiàn)型脈沖調(diào)制系統(tǒng)，二是基于Blumlein型平板脈沖形成網(wǎng)絡(luò)(Pulse Forming Network,PFN)的雙線(xiàn)型脈沖調(diào)制系統(tǒng)?；诼菪至㈦p線(xiàn)的雙線(xiàn)型脈沖調(diào)制系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)裝置電路結(jié)構(gòu)如圖1所示，基于Blumlein型平板PFN的雙線(xiàn)型脈沖調(diào)制系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)裝置電路結(jié)構(gòu)如圖8所示。

圖8 實(shí)驗(yàn)裝置電路結(jié)構(gòu)圖Fig.8 Circuit diagram of experimental device

兩個(gè)實(shí)驗(yàn)裝置都采用高壓硅堆D作為隔離元件，氣體開(kāi)關(guān)S1作為整形開(kāi)關(guān)。

2.1 基于分立雙線(xiàn)的實(shí)驗(yàn)裝置及結(jié)果

基于螺旋分立雙線(xiàn)脈沖調(diào)制系統(tǒng)的雙開(kāi)關(guān)整形實(shí)驗(yàn)裝置如圖9所示，濾波電容Cf采用兩個(gè)400V/6.8 mF的電解電容串聯(lián)而成；原邊電容C0采用4個(gè)3 kV/70 μF的脈沖電容器并聯(lián)，原邊開(kāi)關(guān)S0為兩個(gè)1600 V/1200 A的快速晶閘管并聯(lián)而成。在觸發(fā)主開(kāi)關(guān)后直接連接6 Ω水電阻負(fù)載。

圖9 基于分立雙線(xiàn)的雙開(kāi)關(guān)整形系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)裝置圖Fig.9 Experimental device of dual switch modulation system based on PDFL

變壓器采用表1所示的FRSPT[15]，將其封裝在不銹鋼外殼中，并通入SF6氣體，其幾何尺寸為Φ258 mm×316 mm；分立雙線(xiàn)采用單股帶繞式螺旋線(xiàn)，參數(shù)如表2所示。

表1 FRSPT參數(shù)Tab.1 Parameters of FRSPT

表2 單根形成線(xiàn)參數(shù)Tab.2 Parameters of single PFL

當(dāng)原邊電容C0充電至350 V時(shí)，通過(guò)調(diào)整主開(kāi)關(guān)的導(dǎo)通時(shí)刻，得到分立雙線(xiàn)充電端、主開(kāi)關(guān)高壓端以及負(fù)載高壓端的電壓波形如圖10所示。

由圖10可知，分立雙線(xiàn)充電電壓為19.7 kV，充電時(shí)間為28.8 μs，負(fù)載上輸出的電壓幅值為14.1 kV，輸出電壓比充電電壓低的原因有以下三點(diǎn)：一是磁芯未完全磁化造成的電壓損耗，具體表現(xiàn)在磁芯飽和時(shí)間較長(zhǎng)；二是磁芯飽和過(guò)程中的固有損耗；三是雙開(kāi)關(guān)整形技術(shù)中諧振階段FRSPT次級(jí)飽和電感與隔離電感的分壓作用。由于整個(gè)系統(tǒng)阻抗較低，僅6 Ω，因而輸出波形受開(kāi)關(guān)結(jié)構(gòu)電感與電路雜散電感影響較大，輸出脈寬較設(shè)計(jì)值略長(zhǎng)，為115 ns。上述實(shí)驗(yàn)結(jié)果驗(yàn)證了雙開(kāi)關(guān)整形技術(shù)在基于螺旋分立雙線(xiàn)的脈沖調(diào)制系統(tǒng)中的可行性。

(a) 充電與諧振電壓波形

(b) 負(fù)載輸出波形圖10 實(shí)驗(yàn)輸出波形Fig.10 Experimental output waveform

2.2 基于Blumlein型平板PFN的實(shí)驗(yàn)裝置及結(jié)果

接下來(lái)，實(shí)驗(yàn)采用了基于Blumlein型平板PFN的雙線(xiàn)型脈沖調(diào)制系統(tǒng)來(lái)驗(yàn)證雙開(kāi)關(guān)整形技術(shù)的可行性，其中Blumlein型平板PFN由平板電感和陶瓷電容構(gòu)成，其實(shí)物如圖11所示，它由3塊金屬銅板和多個(gè)陶瓷電容組成，其中金屬銅板構(gòu)成了單元電感，基本尺寸為長(zhǎng)500 mm、寬120 mm、厚3 mm；多個(gè)50 kV/2 nF的陶瓷電容并聯(lián)構(gòu)成6個(gè)單元電容，分別對(duì)應(yīng)圖8中的C1～C6，其中C1=C3=C4=8 nF，C2=C5=C6=4 nF；Blumlein型平板PFN的總高度為69 mm。設(shè)計(jì)該Blumlein型平板PFN的波阻抗為4.5 Ω，傳輸時(shí)延為90 ns。

圖11 Blumlein型平板PFN實(shí)物圖Fig.11 Physical drawing of Blumlein flat PFN

原邊儲(chǔ)能電容采用4個(gè)3 kV/50 μF的自愈式脈沖電容器并聯(lián)，負(fù)載采用5 Ω大功率固態(tài)電阻，隔離元件采用一個(gè)單體50 kV/1kA的圓柱形高壓硅堆。

調(diào)整開(kāi)關(guān)S1氣體間隙的距離，得到了如圖12所示的實(shí)驗(yàn)結(jié)果。當(dāng)儲(chǔ)能電容充電700 V時(shí)，Blumlein

(a) 充電與諧振電壓波形

(b) 負(fù)載輸出波形圖12 實(shí)驗(yàn)輸出波形Fig.12 Experimental output waveform

型平板PFN充電至6.7 kV，充電時(shí)間為1.9 μs；此后磁開(kāi)關(guān)飽和，電路進(jìn)入諧振階段，電壓諧振至12.2 kV時(shí)氣體間隙導(dǎo)通，此時(shí)距磁開(kāi)關(guān)飽和(即t_delay)約475 ns，電路進(jìn)入放電階段；最終在5 Ω大功率固態(tài)電阻上獲得了電壓幅值為6.4 kV，脈寬約200 ns，前沿小于30 ns的準(zhǔn)方波信號(hào)。

將圖8中的整形開(kāi)關(guān)S1去掉，采用傳統(tǒng)的單開(kāi)關(guān)Blumlein型平板PFN電路調(diào)制方式，保持其他參數(shù)不變，將得到的實(shí)驗(yàn)結(jié)果與圖12所示的結(jié)果對(duì)比，得到圖13。

由于Blumlein線(xiàn)的輸出脈沖前沿正比于回路電感，與負(fù)載阻抗成反比，因此，在低阻系統(tǒng)中，回路電感對(duì)于準(zhǔn)方波脈沖的形成顯得尤為重要。線(xiàn)繞式FRSPT由于飽和電感較大，使得其應(yīng)用在低阻百納秒系統(tǒng)中時(shí)會(huì)嚴(yán)重影響輸出脈沖的波形，且能量大部分損耗在飽和電感上，輸出電壓幅值也大打折扣。根據(jù)圖13，在不引入整形開(kāi)關(guān)S1時(shí)，負(fù)載上輸出類(lèi)三角波，半高寬為380 ns，上升前沿大于180 ns；采用雙開(kāi)關(guān)整形后，負(fù)載上輸出的方波質(zhì)量得到了明顯的改善，脈寬約200 ns，前沿小于30 ns。實(shí)驗(yàn)結(jié)果再次驗(yàn)證了雙開(kāi)關(guān)整形技術(shù)的可行性與必要性。

圖13 整形開(kāi)關(guān)S1對(duì)輸出波形的影響Fig.13 Influence of modulation switch S1 on output waveforms

綜上所述，可以總結(jié)在不同類(lèi)型的雙線(xiàn)型脈沖調(diào)制系統(tǒng)中，采用基于FRSPT的雙開(kāi)關(guān)整形技術(shù)具有以下幾點(diǎn)優(yōu)勢(shì)：一是能夠解決在應(yīng)用FRSPT的低阻單開(kāi)關(guān)調(diào)制系統(tǒng)中FRSPT較大的飽和電感與高質(zhì)量快前沿準(zhǔn)方波輸出之間的矛盾，獲得優(yōu)良的準(zhǔn)方波輸出；二是相比傳統(tǒng)開(kāi)放磁芯變壓器，F(xiàn)RSPT的應(yīng)用可以減小形成線(xiàn)的充電時(shí)間，降低形成線(xiàn)的絕緣壓力；三是對(duì)比應(yīng)用氣體開(kāi)關(guān)的傳統(tǒng)單開(kāi)關(guān)調(diào)制技術(shù)，雙開(kāi)關(guān)整形技術(shù)的主開(kāi)關(guān)耐高壓時(shí)間僅為整形過(guò)程中的諧振階段(百ns-μs時(shí)間量級(jí))，遠(yuǎn)小于單開(kāi)關(guān)調(diào)制技術(shù)中氣體開(kāi)關(guān)的耐高壓時(shí)間(幾十μs時(shí)間量級(jí))，減小了開(kāi)關(guān)的設(shè)計(jì)難度。

3 結(jié)論

本文對(duì)雙線(xiàn)型脈沖調(diào)制系統(tǒng)的雙開(kāi)關(guān)整形技術(shù)進(jìn)行了研究和初步實(shí)驗(yàn)，得出主要結(jié)論如下：

(1)對(duì)大飽和電感下的雙開(kāi)關(guān)整形技術(shù)進(jìn)行了理論計(jì)算與仿真分析，重點(diǎn)對(duì)充電、諧振以及放電三個(gè)階段進(jìn)行了計(jì)算和分析，在大飽和電感下，在PFL充電階段與諧振階段均可做電容等效，于是充電與諧振階段可用電路理論進(jìn)行計(jì)算，得到相應(yīng)的解析表達(dá)式；基于雙線(xiàn)型脈沖調(diào)制系統(tǒng)的雙開(kāi)關(guān)整形技術(shù)，其放電過(guò)程可等效為電壓幅值為-2V0的單脈沖形成線(xiàn)放電過(guò)程。

(2)在不同類(lèi)型的雙線(xiàn)型脈沖調(diào)制系統(tǒng)中，采用雙開(kāi)關(guān)整形技術(shù)可明顯改善輸出波形的方波質(zhì)量，有效解決線(xiàn)繞式FRSPT較大次級(jí)飽和電感與輸出百納秒快前沿信號(hào)之間的矛盾，該技術(shù)具有廣泛的應(yīng)用前景。