宽平顶脉冲形成网络放电特性研究

朱枫+熊长征

摘 要：脉冲形成网络在雷达、高能电子、医疗和辐照等领域有着广泛应用，其研究向着快前沿、宽平顶、低抖动、高电压和高重复频率方向发展。文中分析了宽平顶脉冲形成网络的电路结构及其各项电路参数，通过电路仿真软件对其放电特性进行仿真，分析影响脉冲波形的因素。

关键词：脉冲形成网络；宽平顶脉冲；脉冲波形；仿真

中图分类号：TM834；TP39 文献标识码：A 文章编号：2095-1302（2017）05-00-04

0 引 言

脉冲形成网络（Pulse Forming Network，PFN）又称人工线、仿真线，是线型脉冲调制器的重要元件之一[1]。

PFN最初用于雷达发射机中，是产生宽度达数微秒长脉冲的主要技术途径[2]。用集总参数网络结构模拟无损耗传输线的传输特性给负载提供合乎要求的方波脉冲，在线型脉冲调制器中起到储能和放电的双重作用。

随着功率电力电子技术的快速发展，线型脉冲调制器也得到了长足发展。鉴于其效率较高的优点，不仅在雷达发射机中广泛应用，在加速器领域也备受青睐，如高能电子加速器、医疗加速器、工业辐照加速器和同步辐射加速器等[3]。随着加速器总体要求的提高，对脉冲形成网络技术指标的要求也越来越高，特别对脉冲波形提出了苛刻的要求，其研究向着快前沿、宽平顶、低抖动、高电压和高重复频率方向发展。

本文在简述PFN基本原理的基础上，针对驱动东芝E37308速调管的脉冲调制器，通过电路仿真探讨了链型结构的PFN节数、放电电感和首末链电感等电气参数对放电时脉冲波形的影响。

1 脉冲形成网络PFN

1.1 脉冲形成网络放电特性

图1所示为PFN放电等效电路。

图1 PFN放电等效电路

PFN用来模拟无损耗传输线，根据参数的选择可将其等效为一根几百米或几公里的传输线，因此波在上面传播需要一定时间。当t=0时，闭合开关S，PFN通过开关S向负载RL放电，在RL上产生电压，可表示为：

（1）

式中UN为PFN电压，ρ为PFN的特性阻抗，Ku为负载端N的电压反射系数：

（2）

同时，有一个电压入射波Uin从线的始端N向终端M传播，也有一个电流入射波：

（3）

由此可得：

（4）

Uin在PFN上传播时电压为UN-Uin。设波在线中单向传播的时间为τ/2，则在0～τ时间内RL上的电压为UL。

因为入射波Uin在t=0时，由线的始端N向终端M传播，此后经过t1=τ/2到达终端M，终端为开路，电压反射系数为1。于是入射波电压Uin同号等值反射回来，又经过t2=τ/2到达始端N。由于Uin两次通过PFN，线上剩余电压為：

（5）

假设S为双向开关，所以U'N在τ～2τ时间内重复上述过程。

在τ～2τ时间内的电压为：

（6）

以此类推，可以得到PFN进行放电的第n次时间内，负载电压表达式为：

（7）

Ku是负载端N的电压反射系数。如图2所示，分以下情况分析Ku对波形的影响：

（1）RL>ρ，Ku>0为正失配，此时U'N为正值，即在一个脉冲之后PFN上剩余的电压为正，由于闸流管为软开关，因此闸流管在下一个充电周期开始时仍处于导通状态，可能出现“连通”现象，损伤闸流管且得不到需要的脉冲波形。

（2）RL<ρ，Ku<0为负失配，此时U'N为负值，即在一个脉冲之后PFN上剩余的电压为负，有助于闸流管消电离，使闸流管迅速恢复截止状态。但闸流管在主脉冲过后可能承受过大的反向电压，导致反向拉弧，所以实际工程应用中常常设计反峰电路来限制过大的U'N，以起到保护闸流管的作用[4]。

图2 PFN三种放电状态

1.2 链型脉冲形成网络及其电路参数计算

PFN种类很多，常用的有链型网络和反谐振网络（并联谐振网络）。链型网络每节电感和电容值相同，制作较为方便，使用最多[5]。并联谐振网络脉冲波形质量好于链型网络，但每节元件数值不一致，制作较困难，且只有首链电容耐高压，电感线圈承受的电压也较小，所以在一般的直线加速器调制器中，特别是高压大功率线型调制器中几乎都采用链型网络。

图1所示的链型网络的等效电路由N节集中参数的等电感和电容组成，可以根据传输线理论进行设计。

无损耗传输线是分布参数系统，在两根导线之间存在分布电容和分布电感。设长度为l的传输线总电感为L0，总电容为C0，则其特性阻抗和传播速度分别为：

（8）

在RL=ρ的情况下，可以得到一个矩形脉冲，宽度为τ=2l/v，用特性阻抗ρ和脉冲宽度τ代入式（8）可得：

（9）

（10）

设链型网络的节数为N，则有：

（11）

（12）

在ρ和τ一定的情况下，当节数无限多时，即N趋近于∞，L1和C1趋近于0。虽然有限数目的集中参数元件不能精确模拟真实传输线特性，但当网络元件的节数无限增加时，从直观上可以断定，它能更进一步的模拟传输线特性。可以预见，链型网络节数越多，产生的脉冲也越接近矩形波。

2 电路仿真及结果分析

2.1 电路参数计算及仿真设置

图3所示为链型网络节数N=10时的电路仿真示意图。20 kV直流电源给PFN供电，Lc为充电电感，Ldisc为放电电感，用机械开关模拟氢闸流管，通过合适的开关信号控制开关管的导通和关断。由于PFN对负载放电时，直流电源不对PFN充电，所以在仿真时设置另一个开关管控制直流电源的输出。

以某型号线性调制器PFN为例，计算PFN电气参数并进行放电特性仿真。由E37308速调管的典型工作参数 （245kV，255 A）和脉冲变压器的变比（1∶13）得到速调管在脉冲变压器的初级等效阻抗为：

（13）

考虑调制器一般工作在轻微负失配状态下，既可避免正失配造成的脉宽延长，又能防止闸流管连通，取ρ=6 Ω[6]。

由于对脉宽的要求为τ1≥7 μs，τ0.5≥9 μs，顶降≤4‰（5μs），取τ=10 μs，则PFN的电感LPFN和电容CPFN为：

（14）

（15）

图3中每一节电感及电容值都相等，如有N节，则每一节电感Ln（n=1，2，…，n）为总电感的平均值，即Ln=LPFN/n。同理，电容Cn=CPFN/n， Ldisc为放电电感，取值将在后面进行讨论。使用电路仿真软件Multisim进行电路仿真[7]，仿真时采用瞬态分析，交互仿真设置中最大时间步长设置越小得到的仿真结果越精确，本文仿真结果最大时间步长设为1×10-9 s，其他选项按需求设置。

2.2 仿真结果分析

2.2.1 节数N对放电波形的影响

图4所示的三条曲线分别代表PFN节数N为20、10、5时的放电波形，脉冲宽度均满足计算要求，取5 μs平坦处计算顶降，可得节数分别为20、10和5节时顶降为1.09%、3.08%和7.51%。由图可知，当PFN节数越大时平顶部分顶降越小，且脉冲前后沿越小，但节数从10增到20时，脉冲前沿减小的幅度远不如节数从5增到10的大。随着节数增大，出现的波峰波谷越多，且数量与节数相等，幅值依次递减。可以预见，PFN节数越多，产生的脉冲越接近矩形波。由于三个仿真电路都没有加放电电感，因此可以看到，无论节数多少，出现的第一个波峰有明显的过冲，且幅值与节数N无关。

图4 不同节数时PFN脉冲波形

2.2.2 放电电感大小对放电波形的影响

图5所示为PFN节数N=20，放电电感Ldisc不同时间的放电波形，取5 μs平坦处计算顶降，可得放电电感分别为0、1.5 μH和3.0 μH时的顶降为1.09%、4.84‰和2.57‰。由图可知，随着放电电感增大，第一个波峰幅值减小，同时其他波峰波谷幅值也相应减小，得到的波形顶部波动减小，但会导致脉冲前沿和后沿增大，即通过牺牲脉冲前后沿来换取顶部平坦度。放电电感Ldisc=1.5 μH时，其值等于PFN每一节电感数值，脉冲已无明显过冲且顶部波动较小，通过测量可知此时脉冲前沿小于0.5 μs，符合设计要求。

2.2.3 首末链电感大小对放电波形的影响

放电电感Ldisc在放电电路中起到对首链电感L1的补偿作用，其值将在设计人工线时定好，一旦安装好后将不可改变。实际的调试过程中往往采用对首链电感L1微调的方法以使脉冲波形达到指标要求。图6所示PFN节数N=20，放电电感Ldisc=1.5 μH，首链电感L1不同时的放电波形。经对比可知，微调首链电感L1时，对脉冲第一个波峰之后部分几乎没有影响，实际调试中可不予考虑；但其对第一个波峰有较大影响且电感量越小，波峰越陡，会出现顶部过冲，且脉冲前沿小。在PFN节数N确定后，顶部过冲和脉冲前沿两个指标不可兼得，需根据实际情况进行调整。

图5 不同放电电感时PFN脉冲波形

图6 不同首链电感时PFN放电波形

末链电感对脉冲波形的影响较小。图7所示为PFN节数N=20，放电电感Ldisc=1.2 μH，末链电感L20不同时的放电波形。经对比可知，末链电感L20作大幅调整时，对脉冲波形的影响有限，且只对脉冲尾部有影响，电感量越小，脉冲后沿越短，但也会带来一定量的过冲，可以根据实际需求调整。

由上述仿真结果可以得出如下结论：

（1）增大PFN的节数N：脉冲前后沿均减小，但节数超过10节后，效果不显著；脉冲过冲与节数N无关，只与放电电感大小有关；脉冲顶部平坦度改善很多，但脉冲前段部分仍会出现明显的波峰波谷。

（2） 在PFN前串接放电电感：脉冲顶部平坦度有较大改善；放电电感足够大时，脉冲顶降几乎完全消失，但脈冲前后沿会变差。

（3）调节首末链电感：首末链电感均只对脉冲前后沿和相应的波峰波谷产生影响，首链电感减小会使脉冲前沿减小，但也会导致第一个波峰增大；末链电感减小会使脉冲后沿减小，但也会导致最后一个波谷出现过冲情况，且首链电感只能微调而末链电感做出较大调整的影响较小。

图7 不同末链电感时PFN放电波形

3 结 语

本文分析了宽平顶脉冲形成网络的电路结构及电容、电感参数计算，通过电路仿真软件对其放电特性进行仿真，分析了影响脉冲波形的因素。

在线性脉冲调制器实际设计过程中，要根据指标要求和整体结构确定PFN的类型和节数；节数越大，脉冲波形越接近矩形，当节数N确定时，前后沿的极小值被确定。通过增加放电电感可以有效改善脉冲顶部平坦度但要以牺牲脉冲前后沿作为前提。改变首末链电感可以微调脉冲前后沿和对应波峰波谷幅值，电感量越小，前后沿越小，波峰波谷幅值越大。在工程应用中需根据实际需求进行综合考虑，并调节各参数以满足要求。

参考文献

[1]王维昌，赵锦成.脉冲形成网络（PFN）放电特性研究[J].现代电子技术，2015，38（1）：144-146.

[2]夏连胜.宽平顶高电压长脉冲形成技术研究[D].绵阳：中国工程物理研究院，2001.

[3]刘锡三.高功率脉冲技术[M].北京：国防工业出版社，2005.

[4]魏智.发射机高压脉冲调制器的设计与实践[M].北京：电子工业出版社，2009.

[5]王朋，李名加，康强，等.L型脉冲形成网络的仿真与实验研究[J].强激光与粒子束，2013，25（9）：2461-2465.

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[7]阮逸鑫，陈宇，黄博.基于Multisim环境下的电路设计与仿真[J].黑龙江科技信息， 2015（23）.

[8]南玉龙，杨龙兴，阚仁峰，等.基于KPCA的麦种涡流缺陷分类识别技术的研究[J].物联网技术，21017，7（2）：66-69.