新型納秒脈沖電源的參數(shù)設計與實驗研究

摘要：提出了一種新型的高壓納秒脈沖電源，該裝置輸出電壓和頻率可調(diào)，控制極為方便；輸出波形穩(wěn)定，諧波分量??；工作穩(wěn)定，可靠性高。電源主要采用省去磁芯復位電路的兩級磁脈沖壓縮技術(shù)與運行可靠的半導體斷路開關技術(shù)，該電源應用廣泛，可用于對一些氣體、液體、固體介質(zhì)的放電研究和其他需要高壓電源的場合。詳細分析了該電源的工作原理，并測得各種實驗電壓波形。著重介紹了磁脈沖壓縮網(wǎng)絡的參數(shù)設計，得出了電源在獲得較高輸出電壓峰值時的磁開關(MS)和可飽和變壓器的具體參數(shù)，并通過一系列對比實驗驗證了參數(shù)設計的準確性。結(jié)果表明，相關元件參數(shù)固定后，非線性磁芯的飽和都有一個最佳時刻。
關鍵詞：脈沖電源；半導體斷路開關；磁脈沖壓縮

1 引言
開關是脈沖功率系統(tǒng)中的關鍵元件，開關性能的好壞決定了脈沖功率系統(tǒng)的好壞。許多傳統(tǒng)的脈沖電源以機械式火花隙、水開關、真空開關等作為主開關，雖然能獲得高峰值的窄脈沖，但均存在壽命短、重復頻率低等問題，制約了脈沖電源的發(fā)展。為了解決上述問題，利用功率半導體開關結(jié)合磁脈沖壓縮開關的方法來產(chǎn)生高壓快脈沖，并得到了較快的發(fā)展。尤其是近年來一種新穎的磁脈沖壓縮網(wǎng)絡的應用，使得存在已久的MS復位問題得以解決，使MS能在高電壓、高重復頻率脈沖下長時間工作，且半導體斷路開關的最高工作重復頻率可達兆赫茲級。在此提出了一種基于SOS和兩級磁脈沖壓縮網(wǎng)絡的新型拓撲電路，并設計了一套新型的實用化高壓納秒脈沖電源。

2 高壓脈沖電源
圖1為高壓脈沖電源原理圖，它主要由兩級磁脈沖壓縮系統(tǒng)與SOS系統(tǒng)組成。最高充電電壓為1．5 kV的全橋串聯(lián)諧振電源將C1充電至630 V，給晶閘管V一個觸發(fā)脈沖使其導通，C1通過L1與可飽和變壓器PT1給并聯(lián)的C2和C3充電，當PT1飽和后，電感劇降，C2與PT1次級發(fā)生諧振，當C2兩端電壓達到反向峰值時，A點處的電壓達到約18．8 kV，此時MS飽和，C2和C3串聯(lián)起來通過可飽和變壓器PT給C4充電，充電電流為SOS提供正向電流，C4充滿電后，PT達到飽和，其次級電感急劇下降，于是C4開始通過PT2次級及SOS放電，此時SOS流過反向電流，于是在SOS上產(chǎn)生一個較大的反恢復電流，從而會在負載R上產(chǎn)生一個峰值高達51 kV，半高寬120 ns，峰值前沿60 ns的負極性脈沖。非線性磁芯在整個電源系統(tǒng)中起著不可忽視的作用，PT1，PT2，MS的飽和時間都最終會對負載輸出產(chǎn)生影響，故非線性磁芯的參數(shù)設計就顯得比較關鍵。

3 可飽和變壓器與磁開關參數(shù)設計
3．1 PT1的設計
V導通后，初始儲能電容C1給C2和C3充電時的電路圖可等效如圖2a所示。設定變壓器變比n1=N1：N2=1：20，L’為MS，PT2和電路中雜散電感的總和，由于L’折算到初級的電感較小，可忽略不計，可得到折算到初級后的等效電路圖如圖2b所示，其中C2'=2C2N2=176／3 μF。

式中：u為電感兩端承受的電壓；N為線圈匝數(shù)；S為磁芯的截面積；△B為磁芯磁感應強度變化量，△B=Bs+Br，Bs為飽和磁感，Br為剩余磁感。