组合开关高功率脉冲调制电路的研究

朱翼超 陈 宇 高 成 罗根新 邱 爽

（1.解放军理工大学工程兵工程学院，江苏 南京210007；2.总装工程兵技术装备研究所，江苏 无锡214007）

引 言

脉冲功率技术在强电磁脉冲辐射、等离子体物理、电磁驱动、大功率激光器等现代科学技术领域中都有着极为重要的应用［1－2］。爆磁压缩发生器，作为脉冲功率驱动源，具有很高的储能密度，输出电流可达兆安量级，但输出电压较低。所以，对于脉冲功率调制电路，驱动高阻抗负载是必不可少的。

以往的脉冲调制电路主要包括起升压和阻抗匹配作用的电感储能元件和脉冲变压器［3］。脉冲变压器设计时，不论是初级绕组还是次级绕组，其线径要足够大以避免熔化，绕组之间应保持一定的距离以防止击穿，从而给脉冲调制电路结构紧凑化设计带来较大的难度［4］。而文中采用电爆炸丝和气体开关的组合式高功率调制电路，替代脉冲变压器，实现了将爆磁压缩发生器产生的信号进行压缩和陡化。在确保其输出强度和频率的前提下，该电路便于结构的紧凑化设计，适合在系统的小型化设计中开展应用研究。

1.气体开关

目前，自击穿式气体开关的种类繁多，主要有球形和平面形，而平面电极的电场分布较均匀，放电通道的形成比较分散，不太稳定；球形电极放电通道集中在球形电极的中心面积上，稳定性很好，但开关导通时，通道集中在球头，烧蚀面积较小，使每个点的烧蚀情况加重，导致使用寿命缩短［5］。因此，采用的环形结构气体开关，理论上既能在一定程度上确保放电通道集中在外环的边缘上，又能保证一定的使用寿命，兼顾了球形和平面形电极的性能。

为研究三种结构电极的实际击穿特性，掌握气体开关快速闭合的电气特性，结合实验室现有条件，进行了自击穿静态实验和高压陡化性能实验，并对三种结构开关在工作上百次之后的使用寿命进行了比较。

实验装置包括直流高压源、高压电容器、气体开关、负载、气压泵、示波器以及分压器。图1、图2、图3分别是实验原理图和实验装置实物图。直流高压源的充电电压可调，通过读取充入的电压值，方便分析电极的放电电压；分压器采用水阻式硫酸铜，具有功率容量大、配置简单等特点，经标定其分压比为1 249：1；分压器采集的电压信号经40dB衰减器后接入示波器，最终得到放电电压波形。

1.1 自击穿实验研究

该实验的工作过程是：直流高压源对高压电容器充电，当电容器两端（即开关两端）电压达到自击穿电压时，气体开关导通，电容器对负载放电，通过直流高压源可得到电容器的放电电压。其中，电容器的电容值为8 000pF，负载的电阻为130Ω.三种开关电极的间隙均为6mm.为了分析开关电极最大电场和平均电场对自击穿电压的影响，将球形电极的最大电场值作为其他两种电极的最大电场，可求出环形和平面电极的间隙分别为7.1mm和5.24mm.

为了使电极在较稳定的条件下实验，先将开关在自击穿条件下工作大约一百次，然后对开关进行实验，每种情况测量三次，便可以得到不同结构、不同间隙下的击穿电压，实验数据如表1所示。

从表1可以发现：

1）三种结构电极的自击穿电压主要由电极的间隙决定，与电极的最大场强值关系不大，也就是说，不同结构电极的间距相同，自击穿电压也相同，受电极结构的影响较小；

2）在自击穿情况下，若电极间隙均为6mm，环形电极和球形电极产生的电压波形上升前沿相对较短，相比之下更适合作为陡化开关的电极结构；

3）随着电极间距的减小，形成的脉冲波形峰值越高，这可能是不同的自击穿电压导致的，因此，下一步针对相同的放电电压，分析这三种结构电极产生的电压脉冲波形。

表1 开关电极自击穿实验数据

1.2 高压陡化实验研究

为了分析三种电极在高压状态下对电压的陡化程度以及电极间隙对脉冲波形的影响，开展了实验研究，其工作流程是：首先，气压泵对气体开关内部充入6MPa氮气，直流高压源对电容器充电，当电压达到40kV时，气压泵放气，开关导通，电容器对负载放电。其中，电容器的电容值为8 000pF，负载阻值为2kΩ；开关电极间隙为2.3mm；示波器测得的陡化波形如图4所示。

对以上波形的参数进行平均化后的结果，如表2所示。

表2 电压陡化波形相关参数

由表2可以看出，在相同放电电压的情况下，三种电极产生的脉冲波形幅值相差不大，脉冲前沿存在一定的差异。其中，平面电极电场分布均匀，放电路径较分散，火花通道电感较大，形成的脉冲前沿相对较宽，且较不稳定；球形电极虽陡化性能适中，但由于通道集中在球形顶端，烧蚀面积较小，使每个点的烧蚀情况加重，导致使用寿命缩短［6］；相比之下，环形电极间隙场强最大值相对较大，有利于场值发射和多通道产生，且电极流柱来自环状边缘，火花通道所处位置半径较大，有利于减小火花通道电感，陡化波形的上升前沿最短，这与试验结果一致。因此，综合以上的仿真和实验分析结果，作为功率调制电路中陡化脉冲、拓宽频谱的电极而言，采用环形结构最为合适。

2.电爆炸丝

电爆炸丝是金属丝在极短的时间内注入较大的电流，经过加热、液化、气化、等离子体形成等状态，电爆炸丝的电气特性将发生剧烈变化，电阻随着物理状态的变化而不断上升，其阻值可增加数百、甚至上千欧姆，使回路由短路状态迅速转换为开路，这一特性可用来产生高电压［7］。为此，采用Pspice通用电路仿真软件，针对电爆炸丝的快速断路特性开展仿真和实验研究，如图5所示。其中，C1为放电电容器，L3为储能电感，L4为连接导线的电感，EEOS2为电爆炸丝，它由七根铜丝并联而成，长度l＝500mm，直径d＝0.05mm.

电爆炸丝的阻值是影响回路电流电压波形的主要因素。本仿真模型中采用文献［8］给出的数据，利用该曲线把该金属制成的电爆炸丝断路开关在Pspice软件中生成一个表格模型，这样在电路参数发生变化的情况下，可以对该电路进行模拟。在图5所示的电路基础上开展了系统实验研究。其中，电爆炸丝两端的电压由电容分压器和示波器测得。图6为分别通过仿真和实验获得的电爆炸丝两端电压波形。

从图6中可以看出，实际测得的波形在上升阶段呈现阶梯状，其主要原因是电爆炸丝经历了熔化、汽化的相变过程，这需要能量的注入才能完成，而实验波形中脉冲前沿平顶阶段的能量就是被爆炸丝的相变所吸收。因此，实验波形与仿真结果存在一定的误差，但电爆炸的整个时间流程比较一致。

3.组合开关脉冲调制电路

在对电爆炸丝和气体开关进行充分理论分析和实验研究后，设计了组合开关脉冲调制两级陡化电路，如图7所示。首先，放电电容C1存储的电压对电路放电，产生的脉冲电流通过储能电感L2和电爆炸丝EEOS1，电爆炸丝被加热，电阻率不断增加，当电爆炸丝发生爆炸形成等离子体时，电阻率产生突变性的增加，引起储能电感中电流的剧烈变化，根据VL＝Ldi/dt，电感上产生数十万伏的脉冲高压。此时，由于初始能源已转换为电感中的磁场能，且电爆炸过程很短，故该脉冲高压加到气体开关GAP2上，当电压高于气体开关的击穿阈值时，开关GAP2导通，储能电感L2中的磁场能快速转换成电能，输送到负载R1，此处气体开关用于陡化由电爆炸丝开关产生的脉冲的上升沿，最终在负载R1两端输出高电压、快前沿的高功率脉冲。此外，L1、L3为附加电感，C2为附加电容。

结合以上的仿真结果开展脉冲调制电路的实验研究，电爆炸丝开关与气体开关配合使用，需要进行充电电压、电爆炸丝数量、气体开关气压等参数的多次调整，部分测试数据如表3所示。

表3 部分实验数据

从表3数据可以看出，在不改变气体开关气压的条件下，随着电压的提升，合理改变电爆炸丝的数量参数，压缩能力得到明显的提高。在充电电压不变并确保气体开关击穿的条件下，随着气体开关压力的逐渐提高，通过合理设置电爆炸丝数量，可使能量得到较为充分的压缩。

经过对各参数不断的调整，结果表明在电爆炸丝为6根，充电为35kV，气体开关充气2Mpa情况下，陡化效果非常明显，实测波形如图8所示，其上升前沿最大上升时间为1.68ns，根据测量的幅值换算，压缩得到的脉冲电压峰值为197kV，压缩能量达到5倍以上。

4.结 论

采用环形电极气体开关和电爆炸丝断路开关设计了一种高功率脉冲调制电路，分别针对气体开关和电爆炸丝开展了仿真和实验研究，通过合理设置气体开关气压、间隙和电爆炸丝根数等参数，压缩能力得到明显提高，实现了组合开关与较大体积的脉冲变压器的替换。在保证较稳定的输出高频率、高功率脉冲要求的同时，使得系统的体积得到有效压缩，解决了脉冲调制系统小型化设计的问题。实验中采用的电容仅按1/30比例模拟爆磁压缩发生器产生的电流，下一步将开展爆炸磁频率压缩发生器与该脉冲调制电路的联合调制实验，以获得更高功率的脉冲输出。

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