基于磁压缩技术的陡前沿脉冲电源的研制

罗健　王述仲

【摘 要】高功率脉冲技术是当前国际上很活跃的前沿学科之一，被广泛应用于等离子体发生器、准分子激光器、激光武器等领域，该技术的关键之一是高压纳秒脈冲电源的研制。本文基于磁脉冲压缩技术设计出了一种磁开关，基于此开关所研制的高压脉冲电源能够产生幅值6kV，上升沿约300ns的脉冲。

【关键词】脉冲功率技术；磁脉冲压缩；磁开关；脉冲陡化

中图分类号： TM564；TN78 文献标识码： A 文章编号：2095-2457（2018）08-0008-003

Development of a Steep Front Pulse Power Supply Based on Magnetic Compression Technology

LUO Jian WANG Shu-zhong

（CLP Power Engineering Co.，Ltd.，Beijing 102200，China）

【Abstract】Pulsed Power Technology is one of the most popular and advanced directions in international science and technology at present， which is widely used in the fields of plasma generators， excimer laser， laser beam weapons，etc. One of the keys to this technology is the pulsed power supplies with nanosecond rise time.In this paper， a switch is designed according to the theory of magnetic pulse compression， pulse with the rise time of 300ns and the amplitude of 6kV is successfully generated by the switch.

【Key words】Pulsed power technology； Magnetic pulse compression； Magnetic switch； Pulse sharpening

0 引言

高功率脉冲技术（High Pulsed Power Technology），实质是将脉冲能量在时间尺度上进行压缩，以获得在极短时间内的高峰值功率输出。它是基于国防科研需要而发展兴起的一门新兴科学技术。高功率脉冲技术目前已经应用到许多科学研究领域，成为有力的研究工具，例如核爆模拟器，高能闪光灯X射线照相，惯性约束聚变等[1]。同时它也在商业被广泛应用[2-3]，例如，食品保鲜、医用灭菌、水处理等。磁开关技术在高功率脉冲技术中占据特别重要的地位，它本质上是一种具有特定磁滞特性的非线性可饱和电感。相比于传统的火花间隙开关、机械触点式开关、真空开关，磁开关可以提高输出功率，降低开关损耗，延长开关寿命。而且磁开关可靠性高，噪声小，无空气污染，特别适合在高电压、高重复频率的条件下工作。本文首先使用IGBT作为控制器件搭建电路产生幅值达数百伏的脉冲，然后设计脉冲变压器对此脉冲升压至幅值数千伏，最后搭建磁压缩电路对脉冲变压器副边输出脉冲进行陡化，产生纳秒级脉冲。

1 陡前沿脉冲电源整体电路原理

1.1 脉冲变压器原边脉冲的产生原理

以IGBT作为控制器件的主电路如图1所示。

电路中采用了RCD缓冲电路，抑止IGBT的过电压和过电流，减小开关损耗。与变压器原边并联的二极管VD2与电阻R1为变压器起续流作用，可以减少电压抖动。

直流电源DC部分采用图2的倍压电路来实现。其工作原理简述如下[4]：

假定电源电动势从负半波开始，当电源为负时，硅堆VD1截至VD2导通，电源经VD2对电容C1充电，1点电位为正，3点电位为负，C1上最高充电电压可达■UT，此时1点电位接近于地电位。当电源由-■UT逐渐升高时，1点电位也随之抬高，此时VD2截至；当1点电位高于2点电位时，VD1导通，电源向C2充电，2点电位逐渐提高，当电源从+■UT逐渐下降，1点电位也随之降落，当1点电位低于2点电位时，硅堆VD1截至。当1点电位继续下降到低于地电位时，VD2又导通，电源再经VD2对C1充电。重复以上过程，当设备空载时，最后使1点电位在0～2■UT范围内变化，2点对地电压为2■UT。

1.2 一级磁压缩电路工作原理分析

单级磁脉冲压缩电路如图3（a）所示，主要由级电容C0、C1以及可饱和电感L组成。称C0为前级电容，C1为后级电容。电路分析如下：

（1）t0-t1时间内。磁开关未饱和，电感L很大，阻抗也很大，脉冲电压绝大部分加在磁开关L上，电容C1上得到的电压很小，即相当于磁开关是断开的。如图3所示，电容C1电压基本不变，维持在零附近，即预脉冲较小，L两端承受的电压近似等于C0上的电压。

（2）t1-t2时间内。根据磁芯L的伏秒积平衡方程式，在磁芯上绕制一定匝数，使其在C0上的电压升到最大值（见图3（b）t1点）时达到饱和，磁开关的电感L会急剧减小，阻抗也急剧减小。此时相当于磁开关是闭合的，电感电压迅速减小到零，而电容C1的电压在很短的时间内迅速达到最大值。

显然C1两端电压上升时间比C0上的电压上升时间要小的多，即脉冲得到压缩。压缩比为：

为了达到较好脉冲上升沿时间陡化效果，要求磁开关具有良好的开关特性，决定这种特性的重要因素是磁芯材料，作为磁开关的磁芯材料应具有很好的矩形系数，Bs/Br越接近于1越好。

1.3 多级磁压缩电路工作原理分析

图4是经典的多级磁压缩电路[5]。图中各级电容取相同电容值[6]，在t=0时电容C0上有初始電压U，在t0时刻开关S开通，C0通过电感L0对C1充电，谐振能量从C0递到C1，C0和C1电压如图3-3所示。磁芯L1初始化到负的剩磁-Br处，且满足以下条件：（1）在磁芯未饱和之前，其未饱和电感L1u>>L0，（2）ωL1u>>■，其中L1u是磁芯L1未饱和电感，ω是C0电压上升沿角频率。满足以上条件保证在磁芯没有达到饱和时呈高阻状，C2预脉冲很小。当C1两端电压升高时，L1两端电压随之升高，从而使得磁芯磁通密度升高。如果设计合理的话，保证磁芯在C1电压达到最高值时达到正的饱和磁通密度+Bs处，这样磁芯磁导率会突然变小，电感及阻抗也会随之变小。这样C1储存的能量开始向C2传递，如果保证磁芯饱和电感L1s<

同理可以分析C2对C3充电的时候，L2未饱和时，L2电感值远大于L1饱和电感，这样L2呈现高阻状，L2电压随着C2电压升高而升高，在C2电压达最大值时L2磁通密度达到饱和磁通密度。此后C2通过饱和的L2磁芯对C3充电，要再次达到前沿压缩效果需要满足线圈L2饱和电感远小于L1的饱和电感值。

图4 多级磁压缩电路及其工作波形

综上所述，磁脉冲多级压缩电路设计要达到以下要求：

（1）等电容选择，可使电压传递效率提高；

（2）在Cn电压达最大值时线圈Ln达到饱和，以保证有最高的能量转移效率；

（3）后一级磁开关的非饱和电感远大于前一级的饱和电感，即Lnu>>L（n-1）s，才能有效充电；

（4）后一级磁开关的饱和电感远小于前一级的饱和电感，即Lns<

（5）ωL（n-1）u>>■，保证磁芯未饱和时呈高阻状态。

2 陡前沿脉冲电源关键部件参数设计

2.1 脉冲变压器的设计

脉冲变压器在脉冲电源的研制中起着非常重要的作用，脉冲变压器的参数直接影响着脉冲前沿的陡化效果、磁开关的设计，关系着实验的成败。

具体而言变压器的磁芯材料，几何参数，原边副边匝数的选择设计都是非常重要的。实验中希望脉冲变压器能够达到以下的要求：

（1）变压器原副边不会随着脉冲幅值的升高而达到饱和；

（2）由于变压器副边漏感和杂散电容将极大地影响能量传输过程，所以希望能够尽量减小副边的漏感和杂散电容。

基于以上的原则可以对变压器的各项参数进行如下选择。

根据电感的伏秒积平衡方程式，为了使变压器能够承受尽量高的电压而不饱和，需要选择磁感应变化量ΔB大的磁芯材料，并且变压器磁芯截面积S尽量大，同时还要合理选择匝数，不能够太小。为了减小副边漏感，同时要控制副边匝数不能够太大。

本文采用的脉冲变压器原边绕组5匝，副边绕组75匝，实测变压器漏感10mH，经实验证明可以满足技术要求。

2.2 磁开关参数设计

制作磁开关的磁芯的选择主要应满足以下条件：

（1）磁滞回线矩形特性好。磁芯材料的磁滞回线要求具有很高的矩形比Br/Bs，有很高的初始磁导率和很低的饱和磁导率，才能有较好的开关特性。

（2）饱和磁通Bs大。在给定电压值时，饱和时间τ和N，S，ΔB三者乘积成正比，匝数N不能太大，否则，饱和电感将太大。因此，如果选用ΔB大的材料，可以减小铁芯的体积[7]。

基于以上条件，本文最终选用了φ38×19×13（外径×内径×高度）的磁芯环，其最大相对磁导率为12000。此磁芯初始磁导率大，预脉冲小，实验压缩效果最好。为了增大磁芯截面积以减少所需匝数，将5个相同磁芯叠加起来使用，匝数N=32。

2.3 电容器的选择

电容器容量的选择直接影响着电容两端电压上升时间的长短，所以实验中电容器的选择也比较重要。

对电容器容量选择的分析如下：

（1）电容器容量大则传递能量大，但变压器负载能力会限制电容器的容量；

（2）电容器容量小则会减小脉冲上升沿时间，但传递能量较小。

所以电容器容量选择要综合考虑变压器负载能力和能量传输的能力，在变压器能够承受的前提下可以适当采取容量稍大的电容器。

笔者分别实验使用过4nF电容和1nF电容，实验证明，使用1nF电容时，电容电压上升时间明显小于使用4nF时。根据实际实验需要，最终选择使用了1nF的电容器，为了增加电容器耐受电压，使用2个2nF的电容串联而成，能够耐受6kV高压脉冲的冲击。

3 实验结果的分析

脉冲电源的实验电路图如图5所示。经IGBT产生的脉冲经过脉冲变压器升压，加在电容两端。实验中取C1=C2=1nF，磁开关匝数为32匝。

在变压器副边脉冲幅值电压不是太高时，其伏秒积不至于使磁芯达到饱和，此时磁开关处于非饱和状态，磁芯电感值很大，约为140mH。脉冲上升沿时间约为3μs，这样取T=12μs，有：

ZL/ZC2=38.3>>1，所以此时相当于磁开关处于断开状态。电感前级的电容C1上的电压几乎全部加在电感两端，而电容C2两端电压降很小。这在图6的实验结果中能够得到清楚的体现。

当变压器副边脉冲电压幅值不断升高时，磁芯承受的伏秒积不断增大。当前级电容电压幅值达到6kV时，磁芯在电容C1电压达到幅值时恰好饱和，磁芯电感会在ns级时间内减小几个数量级，磁芯压降也会迅速下降。此时磁开关闭合，电容C1将能量快速传递给电容C2。这样，电容C1两端电压会快速下降，而电容C2电压会快速上升。此过程在图7中也能够清楚的看到。