發布時間：2021-12-02所屬分類：工程師職稱論文瀏覽：1次
摘 要： 摘要:采用充電直流電源為600V的晶閘管作為電路開關元件，利用串聯并聯相結合的Marx發生器結構，設計一種應用于長磁透鏡的大電流脈沖發生器.利用晶閘管電流驅動特性，將門極通過穩流電感及限流電阻接地構成自觸發結構.模擬了電路輸出及各級晶閘管自觸發波形，在負載電阻
摘要:采用充電直流電源為600V的晶閘管作為電路開關元件，利用串聯并聯相結合的Marx發生器結構，設計一種應用于長磁透鏡的大電流脈沖發生器.利用晶閘管電流驅動特性，將門極通過穩流電感及限流電阻接地構成自觸發結構.模擬了電路輸出及各級晶閘管自觸發波形，在負載電阻為500mΩ、負載電感為1.14mH時，輸出電流幅值為-1.1kA、寬度為2.68ms的脈沖.將該電流脈沖用于激勵長磁透鏡，獲得持續時間為1.2ms、強度高于0.6T的磁場.研究充電電壓、儲能電容及電路并聯級數等對脈沖電流幅值和寬度的影響，當充電電壓增大時，脈沖電流變大，寬度不變;當儲能電容值增大、并聯級數增大時，脈沖電流幅值變大，寬度變寬.
關鍵詞:電路與系統;自觸發;Marx發生器;并聯Marx;晶閘管;長磁透鏡
脈沖功率技術通常使用儲能元件將較低功率的能量儲存，然后在極短時間內釋放出來，從而產生超高功率脈沖[1-3].脈沖功率技術是國防科技的重要技術基礎，廣泛應用于脈沖雷達、慣性約束聚變及時間展寬分幅相機等領域.近年來，該技術被逐漸應用于環境工程和醫學工程，如水利工程、繁殖植物種苗及結石破碎等[4-5].
隨著慣性約束核聚變研究的深入，要求X射線分幅相機的時間分辨率小于30ps，而目前實用X射線分幅相機時間分辨率為60～100ps，無法滿足上述要求[6].2010年，美國LawrenceLivermoreNationalLaboratory(LLNL)應用電子束脈沖展寬技術，成功研制出時間分辨率為5ps的分幅相機[7].該相機首先利用電子束脈沖展寬技術對電子束團進行時間寬度展寬，再用傳統微通道板(microchannelplate，MCP)變像管對時間展寬后的電子束團進行測量，從而獲得高時間分辨率[8].然而，從光電陰極到MCP有一段長度為50cm的漂移區，電子束團在漂移區運動時會在空間發散，影響了相機的空間分辨率.為防止電子束漂移時過度發散，需要長磁透鏡對電子束進行約束，提高空間分辨率[9].由于焦耳熱效應，長磁透鏡無法長時間工作在大電流環境，故需要采用大電流脈沖對其進行激勵，使其產生強磁場[10].
本研究采用Marx串聯與并聯相結合的電路結構，設計應用于長磁透鏡的大電流脈沖發生器.傳統Marx發生器的核心思想是對多個電容進行并聯充電，通過開關技術將其串聯起來，對負載直接放電以獲得高電壓脈沖輸出[11].這種設計雖然可以提升輸出電壓幅度，在一定程度上提高電流幅值，但同時也會降低輸出脈沖寬度[12]，難以獲得時間寬度及電流峰值均較大的脈沖電流.采用多路Marx并聯放電結構，可以通過減小電路等效內阻提高輸出電壓幅值[13]、增大等效電容增加輸出脈沖寬度，并同時獲得較大的時間寬度及峰值電流;并聯結構還能起到分流保護的作用，降低流經每一路開關元件的電流.本研究Marx脈沖發生器選擇大功率晶閘管作為開關元件，具有電流觸發，阻斷電壓高，通流能力強，導通損耗小等特點[14].設計上利用晶閘管電流驅動特性，將門極通過穩流電感以及限流電阻接地，當晶閘管陰極為負電位時自動導通.這種設計免去第1級外晶閘管的驅動電路，節省電路開發成本，壓縮電路體積.本研究設計的大電流脈沖發生器，輸出脈沖電流幅值為-1.1kA、寬度為2.68ms，將其用于激勵長磁透鏡可獲得0.6T的磁場.
1電路結構及原理
1.1電路自觸發原理
大電流脈沖發生器的電路結構如圖1，模擬和測試所使用的負載為磁透鏡的等效電感1.14mH和等效電阻500mΩ.在觸發信號沒有到來時，所有晶閘管處于關斷狀態，采用大小為HV的直流電源給各支路電容充電，當電容充滿時，回路電流為0A，電容兩端電壓與直流電源電壓大小相等.
由于并聯脈沖電路的脈沖產生機理相同，故先分析位于圖1下方的第1條支路，如圖2.當觸發信號到來時，觸發信號作用在第1級晶閘管S11的門極上，產生導通電流(如圖2藍線)，使S11導通.
圖3為第1級開關導通回路.S11陽極和陰極之間的壓降迅速從HV降到0V，使第1級電容C11上端的電位也迅速降到0V，下端因感應而產生-HV的電勢.由于支路電阻R11取值較大，支路分流較小，可視為斷開.則晶閘管、電容與負載等形成導通回路，如圖3紅線所示.
圖4為第2級開關觸發電流電路圖.第2級晶閘管S12門極通過穩流電感L11和限流電阻R13與地相連;當C11下端電位降到-HV時，S12的門極與陰極產生壓降，獲得觸發電流(如圖4藍線)，從而使第2級晶閘管導通，則第2級晶閘管S12導通回路如圖5紅線所示.
圖6為第3級開關導通回路電路圖.同理，第3級S13也導通.最終單條支路，3個電容串聯，在輸出回路產生幅值為-3HV的電壓脈沖，放電回路導通，導通回路如圖6紅線所示.導通過程中，電容給負載電感和負載電阻放電.隨著電容電量的消耗，電容兩端電壓逐漸減小至0V，回路電流也逐漸減小至0V，晶閘管重新關斷，恢復至開始充電狀態.
2模擬結果及分析實驗
2.1輸出電壓和電流波形
使用Protues仿真軟件，搭建3級串聯3路并聯Marx脈沖發生器電路，在負載電阻500mΩ、負載電感1.14mH、充電直流電壓600V及儲能電容1500μF條件下，測量電路產生的輸出電壓與電流脈沖波形，搭建電路結構如圖8.采用型號為70tps12的晶閘管作為脈沖發生器的開關元件.該器件具有高達1.2kV的斷態重復峰值電壓，正向浪涌電流為1400A.串聯回路的單級充電電壓為600V，儲能電容選用1500μF的電解電容.
圖9為Marx脈沖發生器輸出電壓與電流波形.其中，輸出電壓幅值為-1.7kV、半高寬(fullwidthathalfmaximum，FWHM)為1.22ms;輸出回路電流峰值為-1.1kA、半高寬為2.68ms.為觀察電路自觸發過程，對各級電容下極板電壓進行采樣，得到各級晶閘管導通時脈沖前沿以及峰值變化曲線，如圖10.由圖10(a)可見，第1、2級晶閘管的導通時間相差750ns，第2、3級晶閘管的導通時間相差931ns.由圖10(b)可見，各級電容輸出電壓逐級遞增，且相差接近600V，與理論分析結果相符.
2.2充電電壓與輸出電流關系
在3級串聯3路并聯Marx脈沖發生器電路中，負載電阻為500mΩ，負載電感為1.14mH，改變充電直流電壓，可獲得不同直流電壓下的電流波形.圖11為輸出電流脈沖的峰值和半高寬隨充電直流電壓的變化曲線，其中，電壓由100V增加到1100V.由圖11(a)可見，當充電直流電壓增大時，輸出電流脈沖的峰值也在增大，當儲能電容為1500μF、充電電壓達570V時，輸出電流脈沖峰值達到1kA，平均脈沖寬度為2.67ms;當儲能電容為1000μF時，充電電壓則需要達到680V，輸出電流脈沖峰值才能達到1kA，平均脈沖寬度為2.17ms.由圖11(b)可見，兩條曲線沒有發生大幅度變化，表明脈沖寬度與電壓大小無關.
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因此，在儲能電容一定的條件下，充電直流電壓值與輸出電流脈沖峰值呈正相關，與式(2)的結論一致;脈沖寬度與式(2)中的三角函數項相關，而在負載電感和負載電阻固定的情況下，此項僅與儲能電容相關，故電壓改變無法改變脈沖寬度.
2.3儲能電容值與輸出電流關系
采用3級串聯3路并聯的Marx脈沖發生器電路，通過改變電路中儲能電容值，分別測量輸出電流脈沖的峰值與寬度.圖12為輸出電流脈沖的峰值和半高寬隨儲能電容值從200μF增至1500μF的變化曲線.從圖12(a)可見，當儲能電容值提高時，輸出電流脈沖的峰值增大，當直流電壓為1000V、儲能電容達到430μF時，輸出電流脈沖峰值達到1kA;當直流電壓為600V，充電電壓則需要達到1200μF時，輸出電流脈沖峰值才能達到1kA.由圖12(b)可見，儲能電容值與輸出電流脈寬呈正相關，不同電壓條件下，脈沖寬度曲線高度重合，進一步說明脈寬與充電直流電壓值無關.
圖12(a)中2條曲線的增長率隨儲能電容值的增加不斷減小，曲線趨于平緩.在200～400μF段的平均增長率為46.7%，而在1200～1400μF段的平均增長率下降到約8%，且不同電壓條件下增長率變化趨勢一致，表明通過增大儲能電容值來增加脈沖發生器輸出電流的方法具有一定局限性.
2.4并聯級數與輸出電流關系
為測定不同并聯級數對輸出電流波形的影響，在單路為3級串聯的條件下，實驗測量1～5級并聯電路的輸出電流脈沖波形.圖13為不同儲能電容值條件下，脈沖發生器輸出電流脈沖峰值和脈沖寬度隨并聯級數的變化曲線.可見，輸出電流峰值與脈沖寬度均隨電路并聯級數的增加而逐漸提高，與改變儲能電容值實驗時的變化趨勢相似，圖13(a)和(b)中的曲線增長率均逐漸減小，這是由于改變并聯級數等效于增加并聯電容數量，從而增加了電路的等效電容值，故增加并聯級數與增加儲能電容值，對電路輸出的影響相似.采用Marx并聯結構，不僅可以減小輸出回路內阻，提高帶載能力，還可以提高輸出回路的等效電容，提高輸出電流值和脈沖寬度.
2.5脈沖激勵磁透鏡產生磁場
長磁透鏡可以等效為一個螺線管，其結構如圖14.其中，l為螺線管長度;r為螺線管的半徑;z為管內某點與螺線管中心點o的軸向距離.通電時，螺線管在內部某一點產生的磁場強度為[16]其中，μ0為真空中的磁導率;n為螺線管單位長度匝數;I為激勵電流大小.仿真實驗中采用的磁透鏡螺線管r=5cm，l=50cm，I取脈沖發生器輸出電流峰值1.1kA.依次模擬電流下降90%～60%時的磁場變化，根據式(4)計算得到不同位置的磁感應強度變化曲線，如圖15(a).可見，當激勵電流為1100A時，磁透鏡中心位置磁感應強度為0.68T;在磁透鏡5～45cm內，磁感應強度高于0.60T;當激勵電流降至峰值的90%時，中心位置磁感應強度為0.61T;在磁透鏡10～40cm內，磁感應強度高于0.60T;當激勵電流低于峰值的90%時，磁透鏡內磁場總體低于0.60T.
激勵電流取脈沖發生器的輸出電流脈沖，并在磁透鏡的5～25cm內取樣，得到磁透鏡不同位置磁感應強度隨時間的變化曲線，如圖15(b).其中，磁透鏡的中心位置為25cm.可見，在15～25cm內，磁場變化相近，且在0.9～2.3ms，強度高于0.60T，時間寬度為1.4ms;在10cm處，強度高于0.60T的時間寬度降到1.2ms;在5cm處，磁場僅在峰值處達到0.60T，與圖12結果一致。
結語
本研究設計一種可用于感性負載的Marx串并聯脈沖發生器電路.電路為3級串聯及3路并聯結構，采用直流電源600V充電，儲能電容為1500μF.在負載電感為1.14mH、負載電阻為500mΩ時，輸出幅值為-1.1kA、寬度為2.68ms的電流脈沖.分析電路自觸發過程，第1、2級晶閘管的導通時間相差750ns，而第2、3級晶閘管的導通時間相差931ns.采用該電流脈沖激勵長磁透鏡產生持續時間為1.2ms、強度高于0.60T的脈沖磁場.研究影響輸出電流峰值和脈沖寬度的因素.模擬結果表明，提高充電直流電壓值可提高輸出電流脈沖峰值，對脈沖寬度影響不大，這種方式受限于實際使用條件及所采用電容的耐壓值;采用容值更高的儲能電容不僅可以提高輸出電流脈沖幅值，還能提高其脈沖寬度，但同樣受制于實際采用的電容值;通過引入Marx并聯結構方式，可彌補實際使用時的缺陷，提高電路帶載能力.設計時應根據實際情況，將上述方式相結合，互相彌補缺點，以達到實際使用要求.——論文作者：鄧珀昆，蔡厚智，龍井華，王東，雷云飛，黃峻堃，王勇，劉進元
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