高功率磁脉冲压缩器的设计及实验研究

2020-08-05孟志鹏张江华

兵器装备工程学报 2020年7期

孟志鹏，李嵩，杨杰，张江华

(1.军事科学院国防科技创新研究院，北京 100071；2.国防科技大学前沿交叉学科学院，长沙 410073)

随着人工智能、大数据、云计算、自主控制、先进平台等前沿科技领域的突破创新，智能化装备迎来了爆发式的研究和使用，重新定义着未来军事力量运用的形态。强电磁脉冲可通过孔缝、电缆、天线等途径耦合到武器系统的电子线路上产生瞬态感应电压和电流，对电子电路中的敏感电子元器件的工作性能产生瞬态干扰或永久破坏，对智能化装备形成严重的威胁。

高功率脉冲技术是产生强电磁脉冲的重要途径，该技术除了继续向获得超高功率单次脉冲的方向发展，高平均功率重复率脉冲功率技术的发展日益加快，以满足工业和军事领域的需求。另外，对于可移动平台的实际应用需求而言，还要求紧凑化、固态化[1-6]。磁脉冲压缩器由于能够实现全固态运行，具有功率容量大、工作稳定性好、重复频率高以及使用寿命长等优点，在高功率脉冲技术领域得到广泛应用，受到了国内外研究人员的广泛关注[7-18]。

本文对高功率磁脉冲压缩器的作用过程进行了介绍，在理论分析的基础上设计基于铁基非晶态磁芯的两级磁脉冲压缩器，对其作用参数进行了数值计算，并利用高压脉冲驱动源中进行了实验验证，验证原理的可行性。

1 磁脉冲压缩器的作用过程

以两级磁脉冲压缩器为例对其作用过程进行说明，等效电路如图1所示，由初级能源、磁脉冲压缩器和电容负载等组成，另外还包括控制电路和磁芯复位电路等，此处略去。其中，Power Supply为初级能源，包括初级储能电容Ci和谐振电感L。Magnetic Pulse Compressor代表两级磁脉冲压缩器，由脉冲电容器C1、C2和磁开关MS1、MS2构成。load为电容负载Cp。为了提高能量效率，Ci、C1、C2和Cp通常为等值电容。

图1 两级磁脉冲压缩器等效电路图

为了充分利用磁性材料的可变化磁感应强度，保证磁压缩电路工作的稳定性，在开始工作之前，需使用复位电路使磁开关MS1、MS2的磁芯偏置在负饱和态(-Bs)。两级磁脉冲压缩器的作用过程可以描述为，初始时刻，由初级能源对能量进行调制和升压后为磁脉冲压缩器中的C1进行充电，在此过程中MS1的磁芯处于未饱和状态，且MS1的未饱和电感远大于充电电感L(通常要求在20倍以上)，可视为断路状态，初级能源上的能量由Ci转移至C1上，C2不充电。通过合理的设计，当C1上的电压达到峰值时，MS1磁芯饱和并导通，能量开始通过MS1谐振为C2充电，同样的，在此过程中MS2的磁芯处于未饱和状态，且MS2的未饱和电感远大于MS1的饱和电感，视为断路状态，这样C1上的能量转移至C2上，Cp不充电。过程相似，当C2的充电电压达到最大值时，MS2导通，能量继续由C2传递至电容负载Cp。

在整个能量传递过程中，由于谐振电感L、MS1的饱和电感、MS2的饱和电感依次减小，而储能电容保持不变，因此谐振周期逐渐缩短，脉冲得到压缩。

2 两级磁脉冲压缩器的设计

根据实际应用需求，首先明确了两级磁脉冲压缩器的电参数设计要求如表1所示。

表1 两级磁脉冲压缩器部分电参数

磁脉冲压缩器由磁开关和脉冲电容器组成，其中磁开关由磁芯和绕组构成。磁芯是磁开关的核心组成部分，直接决定了开关的工作能力。铁基非晶态磁芯[16-19]具有高的饱和磁感应强度和优异的软磁性能，其典型带材本身以及带材间绝缘介质的均匀性较好，叠片系数可达到80%以上，能够保证磁芯在快脉冲激励下的磁化质量，且制作工艺成熟，已广泛应用于脉冲功率技术领域。因此这里选择铁基非晶态磁芯作为磁开关磁芯。其实物如图2，磁芯本体实物如图3。

图2 铁基非晶态磁芯实物

图3 铁基非晶态磁芯本体实物

通过设计合理的测试回路可以得到该磁芯材料的动态磁滞回线，如图4所示，由图可以看出：磁芯可利用的磁感应强度变化量约3.2 T，矫顽力约500 A/m。因此，此时的平均相对磁导率大于2 000。

图4 铁基非晶态磁芯动态磁滞回线

为了提高脉冲压缩比，降低第二级压缩单元饱和电感，增大输出电脉冲的电流上升速率(di/dt)，研制的两级磁脉冲压缩器采用了两种不同规格的铁基非晶态环形磁芯(制作工艺等相同)，表2给出了上述两种规格磁芯的关键参数。

表2 磁芯关键参数

设计的两级磁脉冲压缩器布局图如图5所示，由磁压缩单元MU1和MU2构成。其中，C1和C2分别为MU1和MU2中的脉冲电容器，MS1和MS2为MU1和MU2中的磁开关。

图5 两级磁压缩系统布局示意图

综合考虑脉冲电容器和磁芯的结构尺寸，分别设计两级脉冲电容器处于磁芯内部和外部。为了尽可能减小杂散电感，每级磁压缩单元使用10只电容值相等的脉冲电容器并联而成。同时，多只脉冲电容器以装置整体的中轴线为中心，呈圆周均匀排列。

由于磁开关中磁芯的重量较大，各级磁芯均用高性能绝缘材料进行支撑和保护，在保证一定机械强度的同时，增强绝缘性能，并对分立式绕组进行定位。采用分立式绕组结构，设计的两级磁脉冲压缩器具有电参数可调的能力。

(1)

(2)

根据磁通守恒定律

(3)

其中:Φ为磁开关内部的磁通量；V(t)为加载到磁芯上的电压；Nt为绕组匝数；ΔB为磁感应强度变化量；Ac为磁芯截面积。假设τ为磁开关的饱和时间(即电脉冲上升时间)；n为磁开关中磁芯块数；μ0和μr分别为真空和磁性材料的相对磁导率；C为脉冲电容器电容值；Hc为磁开关轴向长度。考虑初级能源等效回路参数，取谐振电感L为366 μH，通过以下公式能够得到高功率磁脉冲压缩器部分设计参数，如表3所示。

表3 两级磁脉冲压缩器部分设计参数

(4)

(5)

(6)

MS1采用10块No.2规格磁芯，绕组为17圈，对应的饱和电感为22.89 μH，MS2采用25块No.1规格磁芯，绕组为6圈，对应的饱和电感为1.08 μH。脉冲电容器和磁开关之间采用具有一定厚度的铜板进行连接，可进一步减小杂散电阻和电感。设计所有器件在工作时均处于变压器油中以增强绝缘和散热能力。图6为第二级磁脉冲压缩单元实物图。

图6 第二级磁脉冲压缩单元(MU2)实物图

3 PSpice模拟

根据以上设计和分析，建立如图1所示的两级磁脉冲压缩器等效电路，取谐振电感L为366 μH，初始电容Ci、脉冲电容器C1和C2负载电容Cp的容值均设计为200 nF。根据后续应用实际，设置电容Ci上的初始电压为110 kV，利用PSpice软件进行模拟得到各级电容器上的典型输出电压波形如图7所示。可以看出，两级磁脉冲压缩器工作峰值电压约105 kV，C1上电压上升时间约19 μs，C2上电压上升时间约4.5 μs，Cp上电压上升时间约1 μs，脉冲压缩比为19。

图7 各级电容器典型输出电压波形

仿真结果表明：该磁脉冲压缩器能够满足预期的设计指标，输出电脉冲波形与设计指标相符。

4 实验研究

以研制的两级磁脉冲压缩器作为充电电源核心器件，选用1台固态长脉冲高压驱动源作为负载进行实验研究，如图8所示。

图8 实验装置示意图

得到20 Hz重复频率下负载上的输出脉冲序列波形以及单个脉冲波形如图9、图10所示。可以看出：设计的两级磁脉冲压缩器能够将上升时间为19 μs的正弦波电脉冲压缩至上升沿约1 μs，峰值电压约100 kV。输出电压的上升沿“凹陷”经分析，来源于脉冲驱动源电路设计中的不对称性，并不影响磁脉冲压缩器和驱动源工作性能。同时，该磁脉冲压缩器在重复频率为20 Hz的情况下工作稳定，波形一致性较好，满足脉冲功率器件稳定、可靠的技术要求。