快前沿单级磁压缩发生器的试验研究

李 彪，李 孜，饶俊峰，姜 松

(上海理工大学 光电信息与计算机工程学院，上海 200093)

0 引言

随着高功率脉冲技术的发展，脉冲发生器已被广泛应用于各个领域，如探地雷达系统[1]、介质阻挡放电[2]、生物细胞处理[3]、高速摄像机驱动和低温等离子体产生[4]等。考虑到介质阻挡放电的物理条件，快前沿、窄脉宽和高幅值是实现介质阻挡放电的关键，脉冲激励被认为是产生均匀大气放电等离子体的好方法。

磁脉冲压缩技术能有效地陡化和压缩脉冲，很大程度上提高脉冲的上升沿，与传统的气体、液体开关相比，磁开关具有寿命长、重复频率高、体积更紧凑稳定性可靠的优点。本文设计了单级磁压缩脉冲发生器，使其输出高压高频纳秒级陡前沿脉冲，通过半导体开关Insulated Gate Bipolar Transistor(IGBT)来控制发生器的工作频率。针对磁芯内残留的剩磁会影响磁压缩效果，介绍一种直流复位电路清理磁开关在单次、重复频率工作下的剩磁。电阻取值不当拖慢后沿，选用合适的阻值等效DBD，使陡峭的窄脉冲激发DBD二次放电，应用于介质阻挡放电效果明显效率更高。

1 磁压缩原理

1.1 简化的磁压缩电路

磁开关实质是缠绕在可饱和磁芯上的绕组，利用磁性材料的非线性特性，磁开关的感抗随着相对磁导率的变化而急剧下降，饱和磁导率比未饱和时小数个量级，正是磁开关这一特性使得储能元件储存的能量在短时间内得到释放，从而达到脉冲压缩的目的[5-11]。简化的单级磁压缩电路如图1所示，给C0一个初始电压，C0经过LC震荡给C1充电，磁开关SI1初始化到负的饱和磁密处，当C1两端电压开始上升时，SI1两端电压也开始上升，磁芯内的磁密随之增加。由于SI1未饱和，其有很大阻抗，此时等效为断路，因此C2上的电压几乎不变维持在零，SI1中电流也近似为零，SI1两端承受的电压近似等于C1上的电压并满足伏秒积平衡方程式[12]。当C1两端电压达到最大值时，SI1磁芯内部磁密达到正的饱和磁密处，磁芯相对磁导率急剧下降，SI1的阻抗减小，此时存储在C1的能量开始向C2传送。电容充放电时间常数与磁开关饱和前后时间相配合，输出快前沿的高压脉冲[13-15]。

图1 简化的磁压缩电路

1.2 磁滞曲线

铁磁材料磁化饱和后，磁场强度H减小，磁感应强度B并不沿着起始磁化曲线减小，即B的变化滞后于H的变化，这即是磁滞现象[16]。环形磁芯绕制而成的磁开关通常要求磁芯材料满足如下条件。

(1)磁开关非线性电感须有良好的开关特性[17,18]。

(2) 由于元素浓度和制造工艺的差别，选用矩形磁滞回线的磁芯[19]。

(3)磁芯损耗尽可能小。

图2所示磁滞回线表示磁性材料的特性是磁性开关的基础，曲线每一侧都有饱和点(P和Q)。在这两点附近，磁性材料的相对磁导率的曲线斜率变化很大，根据式(1)，可以看出绕组的感抗急剧减小。

图2 磁滞回线

(1)

式中：μ0、μr分别表示真空和磁性材料的磁导率；δ是磁开关的占空比；N是绕组的匝数；H、Dout、Din分别表示磁开关的高度、外径和内径。通常μ0=4π×10-7。

当电感所承受的伏秒积增大到一定值时，磁通密度不断增大，磁芯工作点进入B-H曲线的饱和段[20]。可见，通过控制电感两端的伏秒积就可以控制电感的饱和与否。磁开关饱和前后的时间与加在磁芯两端的电压满足伏秒积平衡方程式(2)。其中，Umax为磁开关SI1两端承受的最大电压；N为磁开关的绕线匝数；Am为磁心横截面积；ΔB为磁心磁通密度变化幅度；α为磁心叠片系数。

(2)

2 磁压缩脉冲发生器

2.1 单级磁压缩发生器的设计

本研究所设计的磁压缩脉冲发生器的结构主要由充电系统、中间储能、磁开关与升压变压器组成如图3所示。

图3 单级磁压缩脉冲发生器

高压直流电源通过控制开关T1给储能元件C1充电，作为最广泛使用的能量储存器件，电容器通常在阻性负载上输出指数衰减脉冲，由于SI1未饱和，其有很大阻抗，此时等效为开路，SI1起到磁辅助软开关的作用使开关T2零电压开通零电流关断，消除电压与电流的重叠区，开关损耗降到最小，SI1材质是MnZn铁氧体，直流工作状态下MnZn铁氧体除了有良好的电磁特性，还有良好的直流叠加特性，叠加直流偏置下，铁心的可逆磁导率下降幅度小。当电荷量从C1经过变压器PT全部转移到C2的瞬间磁开关SI2饱和导通，C2经过SI2谐振对load放电。本文选用的磁开关材质是铁基纳米晶磁芯(VAC，vitroperm 500Z)，是一种高性能的软磁材料，在高磁感下具有更低的高频损耗，且耐腐蚀性和磁稳定性更好，如图4所示。

图4 纳米晶磁开关实物图

为降低磁滞损耗和陡化脉冲的前沿，应尽可能减小磁开关的体积和选择饱和磁通密度适中的可饱和电感。SI2外加复位电路清理磁芯内残留的剩磁，DC为输出5 V的小型直流源，电阻R1为 5 Ω，电感L1为1 mH，DC源并联一个反向二极管D1，防止L1在断开时产生反电势，可以高出DC源两端的电压数倍甚至数十倍，D1可以吸收此反电势起到续流的作用，进而避免对电路中元器件过压击穿损坏。开关T2选用的型号为IXYH50N120C3D1，集射极最大耐压VCES为1 200 V，最大通流IC为50 A，磁辅助开关SI1和磁开关SI2外径、内径、高度尺寸分别是64-40-25和66-40-26(单位：mm)。升压变压器PT材质为铁基非晶，选用5块非晶铁心并联增大磁通量，一二次侧绕组比为2∶40。不同材料磁芯的主要参数如表1所示。

表1 不同磁芯的主要参数

2.2 驱动电路的设计

磁压缩脉冲发生器结构图中，控制开关T2可以调节脉冲发生器的频率、脉宽和相位。由555定时器组成的多谐振荡器产生单次或重频触发信号，电路中调节RC值可以控制频率。为了分开电容C的充放电回路，加入具有单向导电特性的二极管DL和DB。加入滑动电阻器以调节电位，实现多谐振荡器的脉宽可控，由555定时器组成的方波发生器电路结构如图5所示。通过触发信图5的555定时器组成的方波发生器号的边沿触发第一块集成单稳态触发器SN74123，得到第一路信号，利用同一触发信号的边沿触发第二块SN74123，产生相位延时，然后用延时后的相位触发第三块SN74123，获得第二路信号。其中，第一路信号的脉宽由第一块SN74123电路的RC值调节，第二路信号的脉宽由第三块SN74123电路的RC值调节，两路信号的相位差通过第二块SN74123电路中的RC值调节，由三块SN74123组成的脉冲延时电路如图6所示。

图5 555定时器组成的方波发生器

图6 SN74123组成的脉冲延时电路

555定时器和三块SN74123电路产生的信号通过半桥电路驱动开关管T2。IR2110芯片是一种双通道、栅极驱动、高压高速功率器件的单片式集成驱动模块，凭借集成度高、响应速度快、偏值电压高、驱动能力强等优点，适用于功率MOSFET、IGBT驱动的自举式集成电路在电机调速、电源变换等功率驱动领域中应用广泛[21]。基于IR2110的半桥驱动电路如图7所示，逻辑电源的输入范围(脚9)5～15 V，可方便的与TTL、CMOS电平相匹配，输出电源端(脚3)的电压范围为10～20 V，开通、关断延迟时间分别控制在120 ns和94 ns。

图7 半桥驱动电路

磁压缩脉冲发生器中开关T2的驱动电压控制在15 V上下，开关T2的工作频率为0～500 Hz可调，通过555定时器控制其在单次或重复频率下的工作状态。当输入Turning-off信号时，为防止在T2上产生关断过压击穿开关管，选用RCD无源缓冲电路吸收T2集射极上的尖峰电压。重频状态下，基于IR2110的半桥驱动电路输出电压波形如图8所示。

图8 重频0～500 Hz可调

3 试验研究结果

对磁压缩脉冲发生器中元器件进行参数计算，根据伏秒积平衡方式(2)计算出SI1在使用一个铁心时需要绕组2匝，为保证C2足够的充电时间，其充电时间设置为1.8 μs，计算出SI2在使用2个磁芯时需要绕组16匝。磁压缩脉冲发生器能量1 J，电容C1设置为2 μF，根据公式(3)计算出C2为5 nF。

C1=n2C2

(3)

单级磁压缩脉冲发生器试验样机如图9所示。

图9 单级磁压缩发生器实物图

实验输出电压波形如图10所示，图10(a)为重频32 Hz工作状态下load上输出电压波形，load为200 Ω纯电阻性负载，load阻值太大会拖慢下降沿。加入磁芯复位后保证每个周期输出脉冲幅值相等。

图10(b)所示为单次触发下磁压缩前后C2和load上电压波形。C2上电压幅值为15.2 kV、前沿1.15 μs、半高宽1.2 μs，经过磁开关SI2压缩后在电阻上输出电压的幅值为15 kV、前沿为60 ns、半高宽150 ns，前沿压缩倍数为19.2，压缩效率为87.42%，预脉冲约1.5 kV。由于磁开关的开关状态由其承受的伏秒数决定，触发信号脉宽、死区时间随着电压幅值的变化而变化，负载上的波形通过数字示波器DPO4032,Tektronix显示，电压通过高压探头P6015A,Tektronix测量。

图10 重频32 Hz和单次触发下的负载电压波形

4 结论

本文用铁基纳米晶磁芯设计了可以应用于介质阻挡放电的单级磁压缩脉冲发生器，磁开关加入磁芯复位清理剩磁保证重频工作状态下每个周期输出脉冲幅值相等。由555定时器组成的脉宽可调的方波发生器和集成单稳态触发器SN74123组成的延时电路产生频率、脉宽和相位可调的单次或重频触发信号。基于IR2110的半桥驱动电路响应速度快、偏值电压高和驱动能力强的特点适用于半导体开关IGBT的驱动。试验结果，200 Ω 电阻性负载上输出幅值15 kV、上升沿60 ns、半高宽150 ns的窄脉冲证实了磁压缩效果显著，前沿压缩倍数为19.2，为介质阻挡放电用高压窄脉冲的研究提供了参考。