基于薄膜开关的全自动快前沿高压方波发生器研制

张国伟，陈志强，王海洋，陈维青，谢霖燊，何小平，赵 昕

（西北核技术研究所 强脉冲辐射环境模拟与效应国家重点实验室，陕西 西安 710024）

在高电压、脉冲功率技术、电力系统及电磁脉冲效应等研究领域，由于电流、电压等级较高，脉冲波形上升沿快，一般无标准的探测器件对这些脉冲进行测试，需根据具体波形和环境设计测量器件，在使用前需对这些器件进行标定。对高电压、大电流而言，若对分压器、分流器、罗科夫斯基线圈等测量系统进行方波响应校验，要求方波源不但有快前沿，而且有高幅值［1-2］。

常见的方波发生器有传输线型和电容放电型，利用传输线储能然后放电产生方波脉冲是常用的方法。威尔士大学的Hancock 等［3］设计的ns方波发生器采用同轴电缆单传输线和水银池簧片继电器开关，产生上升沿105ps、幅值大于1kV 的方波。日本熊本大学研制了一台平板传输线型方波发生器，通过场畸变开关控制脉冲输出，产生幅值30kV、脉宽45ns、上升时间2ns的方波脉冲［4］。清华大学研制了一台最高输出电压为10kV 的方波发生器，其上升时间为14.1～1.5ns，随气压的变化而变化［5］。华中科技大学研制了一台电容放电型方波发生器，以上升时间＜5ns的气体间隙作为陡化开关，研制了上升时间为ns级的高压方波发生器，该发生器的特点是脉宽较宽，达1μs［6］。高幅值快前沿方波发生器性能主要取决于放电开关的性能，需开关具备高耐压和低电感的特性。气体开关具有高耐压的特点，但开关结构尺寸偏大，前沿相对较慢。水银开关电感小、前沿快，但耐压低。西北核技术研究所的马连英等［7］研制了一台基于薄膜开关的方波发生器，幅值1.5～8kV、前沿1.5ns、脉宽40ns。薄膜开关具有耐压高、电感低的优点，但该设备每次放电后需手动更换绝缘膜。

本文拟研制一台基于薄膜开关的方波发生器，设计自动换膜结构和PLC 控制系统，以解决薄膜开关换膜不方便、效率低的问题。

1 电路仿真分析

图1为基于Blumlein传输线的方波发生器电路。高压电源通过充电电阻和负载电阻为同轴传输线充电，充电后触发薄膜开关，开关导通，电磁波在同轴传输线传输的过程为波过程，最终在负载上形成脉冲方波。负载上形成方波的前沿主要取决于放电回路的电感，电感越小，前沿越快。负载上电压波形除与负载本身的特性有关外，还与Blumlein传输线的阻抗有关，即决定于负载与Blumlein传输线的阻抗匹配情况［8］。

图1 基于Blumlein传输线的方波发生器电路Fig.1 Circuit of rectangular pulse generator based on Blumlein transmission line

图2、3分别示出了等效电路模拟图及模拟结果，理想状态下，当输出回路电感为10nH时，输出脉冲上升时间为1ns。

图2 等效电路模拟图Fig.2 Equivalent circuit simulated diagram

图3 方波发生器理想输出波形Fig.3 Ideal output voltage waveform of rectangular pulse generator

1.1 传输线特性阻抗和负载阻抗对输出波形的影响

当Blumlein传输线的特性阻抗与负载阻抗失配时，输出脉冲波形呈阶梯状，输出波形幅值也发生改变。当负载阻抗RT≠Z1＋Z2（Z1、Z2分别为两条传输线的阻抗）时，负载上输出波形幅值发生变化，出现阻尼或震荡衰减（图4）。当两条传输线长度l1、l2失配时，负载上波形出现严重的畸变，脉宽和后沿参数变化较大（图5）。因此，综合以上条件，欲产生方波脉冲，两传输线的长度必须相同，特性阻抗满足条件RT＝Z1＋Z2，且Z1＝Z2＝RT／2。

图4 阻抗失配（Z1＋Z2≠RT）条件下负载输出波形Fig.4 Output voltage waveform with impedance mismatch

图5 长度失配（l1≠l2）条件下负载输出波形Fig.5 Output voltage waveform with length mismatch

1.2 放电回路电感及杂散参数对输出波形的影响

放电回路电感包括传输线的电感、开关电感和连线电感。输出波形前沿由峰化回路电感与负载阻抗决定，电感过大会导致输出脉冲前沿变缓，同时使波形变差。放电回路电感对输出波形的影响示于图6。从图6 可看出，放电回路电感越小，输出波形前沿和后沿越陡，反之，则前沿变缓。

图7、8示出了输出回路杂散参数对输出波形的影响。从波形可看出，输出回路杂散电感引起输出脉冲产生过冲；输出回路杂散电容在一定范围内对波形影响不大。

图6 放电回路电感对输出波形的影响Fig.6 Influence of inductance of discharge circuit on output waveform

图7 输出回路杂散电容对输出波形的影响Fig.7 Influence of stray capacitor on output waveform

图8 输出回路杂散电感对输出波形的影响Fig.8 Influence of stray inductance on output waveform

2 薄膜开关设计

薄膜开关性能直接决定输出方波脉冲的性能参数。薄膜开关的电感决定输出脉冲的前沿，薄膜开关阻抗是否连续决定输出方波脉冲波形是否畸变。基于上述电路仿真分析，薄膜开关设计应遵循以下原则：1）开关电感尽可能小，以满足快上升沿要求；2）合理设计开关结构，使过渡段阻抗尽可能连续；3）开关在满足绝缘条件下结构尽可能紧凑。

薄膜开关的结构如图9所示，包括阳极、阴极、绝缘子、触发结构及电缆连接结构等。开关阳极和阴极之间由绝缘膜隔开，绝缘膜可采用聚丙烯薄膜、聚酯薄膜等耐压强度较高的复合绝缘材料，绝缘膜厚度约10～50μm，传输线充电达到预设电压后，由触发结构戳破绝缘膜产生快速放电，薄膜开关属于传输线的一部分，为保证阻抗连续，薄膜开关采用同轴结构设计，开关过渡段尺寸严格控制，保证阻抗50Ω。由于开关采用紧凑的同轴变直径结构，尽可能减小了开关的结构电感。

图9 薄膜开关结构Fig.9 Structure diagram of dielectric foil switch

放电回路电感由放电通道火花电感和开关结构电感两部分组成。由于薄膜厚度仅10μm量级，薄膜击穿后放电通道非常短，放电通道距离约0.1 mm，根据火花电感计算公式L0＝14d0（d0为火花通道 长度）［9-10］，计算得到火花通道电感约1.4nH。放电回路电感主要是由开关结构电感决定，开关阴阳极之间通过一宽度约5mm的铜片相连，铜片和阳极可等效为带状传输线，传输线长度约5mm，铜片与阳极之间的距离约为10mm，根据带状传输线电感计算公式L1＝μ0μrd1／b1（L1为 开 关 结 构 电 感，μ0为真空磁导率，μr 为相对磁导率，b1为带宽，d1为两带间距离）［9-10］可得到开关结构电感约12.5nH，因此薄膜开关总电感估算为L＝L0＋L1＝13.9nH。

3 自动换膜系统设计

3.1 自动换膜结构设计

薄膜开关使用的绝缘膜为消耗品，每次击穿后需更换新的薄膜，若手动更换，将严重影响装置工作效率。本装置研制的另一个关键的环节就是开发自动换膜装置。设计基于步进电机的自动换膜装置，每次薄膜击穿后，换膜装置自动将新的薄膜向前拖动，在合适的位置停止，等待下一次操作。

图10示出了换膜结构，图10中卷膜机构采用步进电机作为驱动，带动卷轴，当需换膜时，首先由PLC 控制电磁阀将薄膜开关阴极与阳极拉开，然后步进电机转动，将薄膜拉动一定长度，最后电磁阀关闭，阴阳极压紧，完成换膜。

图10 方波发生器自动换膜结构Fig.10 Structure diagram of automatical change dielectric foil of rectangular pulse generator

3.2 自动换膜PLC程序设计

为实现全自动操作，换膜动作采用PLC 程序自动控制，程序流程如图11所示。

方波发生器工作模式分自动和手动两种。两种模式均采用触摸屏作为人机界面，手动实验时，首先在触摸屏上设置实验电压，然后点击换膜按钮，PLC 模块控制自动换膜结构完成换膜，之后点击升压按钮，PLC 模块控制高压电源升至预设电压，最后点击放电按钮，完成放电。自动实验时，首先在触摸屏上设置好电压、实验次数等参数，点击放电按钮，程序将自动完成预设次数的实验。该装置工作频率约0.1 Hz。

4 测试结果

采用带宽2GHz的衰减器和示波器对方波发生器的输出波形进行测试。

图12为发生器加压6kV 时获得的典型方波波形，图13 为波形前沿细节，方波上升沿为1.25ns。

图11 方波发生器自动换膜程序流程图Fig.11 Flow chart of automatical change dielectric foil program

根据前沿计算公式tr＝2.2L／R（R 为传输线阻抗，取25 Ω）反推得到回路电感L＝14.2nH，与前面的电感估算值相当。对方波发生器进行调试，最高输出电压10kV，幅值可调范围2～8kV。方波脉宽可通过更换电缆长度改变，脉宽可调范围20～100ns。

5 结论

本文设计了10kV ns前沿全自动方波发生器，采用薄膜开关作为主放电开关，薄膜开关设计结构紧凑、阻抗连续，有效降低了放电回路电感。采用步进电机驱动自动换膜结构以及触摸屏PLC控制，实现了全自动换膜，解决了薄膜开关使用不方便的问题。输出电压幅值2～8kV可调，前沿1.25ns，脉宽20～100ns可调。该方波发生器具有输出电压高、前沿快、结构紧凑、外观简洁大方、操作简单方便等特点。

图13 加压6kV 时输出波形前沿Fig.13 Risetime of output waveform with 6kV

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