雜散參數(shù)對串聯(lián)型磁脈沖壓縮器輸出特性的影響*

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雜散參數(shù)對串聯(lián)型磁脈沖壓縮器輸出特性的影響*

李嵩，高景明，楊漢武，錢寶良

(國防科技大學 光電科學與工程學院，湖南 長沙410073)

摘要：使用電路模擬軟件分析了脈沖電容器自身電感、磁開關繞組匝間電容以及磁芯處于不同工作狀態(tài)時磁開關繞組自身阻抗等雜散參數(shù)對串聯(lián)型磁脈沖壓縮器輸出特性的影響。結果表明，匝間電容和磁芯處于未飽和狀態(tài)下的繞組自身阻抗對系統(tǒng)的輸出特性影響相對較??；磁芯處于飽和狀態(tài)時，繞組自身阻抗對系統(tǒng)的電壓傳輸效率影響較大；脈沖電容器的自身電感不僅會降低系統(tǒng)的電壓傳輸效率，而且會同時影響到輸出脈沖上升沿的寬度?；谝陨辖Y論，對基于電容負載的單級串聯(lián)型磁脈沖壓縮器進行了優(yōu)化設計并研制了一臺輸出峰值電壓26kV，脈沖上升時間由4.1ms壓縮到1.2ms的串聯(lián)型磁脈沖壓縮器，電壓傳輸效率大于92.5%。

關鍵詞：脈沖功率技術；磁脈沖壓縮器；雜散參數(shù)

國防和工業(yè)應用需求促使脈沖驅動源由高功率向高平均功率、高重復頻率、高可靠性等方向發(fā)展[1-2]。串聯(lián)型磁脈沖壓縮器利用磁性材料的非線性特性實現(xiàn)對電脈沖信號的整形與壓縮，具有固態(tài)化、壽命長、結構相對簡單以及能量傳遞效率較高等優(yōu)勢，在高功率微波、材料表面處理以及食品加工處理等領域具有廣泛的應用前景[3-7]。近些年來，隨著磁性材料性能的不斷提升，磁脈沖壓縮器逐步發(fā)展成為高功率脈沖驅動源技術走向工業(yè)應用的重要技術途徑之一。20世紀90年代起，國外包括RHEPP[4]、CLIA[8]以及QM-1[9]等大型加速器的技術方案中均采用了這種器件對電脈沖進行壓縮和整形，這些加速器都通過了長時間、高強度的工作性能測試，并已經(jīng)在諸多領域獲得了良好的應用。西北核技術研究所以及中國科學院的研究人員針對并聯(lián)型磁脈沖壓縮器進行了深入的研究[10-11]。復旦大學開展了較低能量等級串聯(lián)型磁脈沖壓縮器在開關電源領域的應用研究[12]。然而，由于受到各種因素的限制，對高功率串聯(lián)型磁脈沖壓縮器的研究還相對滯后。因此，分析雜散參數(shù)對串聯(lián)型磁脈沖壓縮器輸出特性的影響具有重要的現(xiàn)實意義。

1串聯(lián)型磁脈沖壓縮器基本原理

單級串聯(lián)型磁脈沖壓縮器由脈沖電容器和磁開關構成，其工作電路如圖1所示。其中，C0和C1為電容值相等的脈沖電容器；S為閉合開關；L0為諧振電感；MS為磁開關；Z為負載。初始時刻，初級能源(未標注在圖1中)對脈沖電容器C0進行充電。達到峰值電壓時，S閉合，C0通過L0向C1諧振放電。隨著C1電壓的上升，磁開關MS中的磁通量Ф逐漸增大，磁芯處于未飽和區(qū)。此時，磁芯內部的磁感應強度隨磁芯周圍磁場強度的增加劇烈變化，即磁芯的相對磁導率很大，磁開關MS的未飽和電感Luns很大。由于此時的繞組電感遠大于L0，后續(xù)電路相當于處于斷開狀態(tài)。合理設計電路參數(shù)，當C1兩端電壓達到最大時刻(tclose)，磁芯的工作狀態(tài)剛好由非飽和態(tài)轉變?yōu)轱柡蛻B(tài)，磁開關MS的飽和電感Lsat瞬間減小，此時的電路處于短路狀態(tài)。C1開始通過Lsat向負載Z放電，直至能量全部轉移到脈沖負載上。

圖1　單級串聯(lián)型磁脈沖壓縮器電路圖Fig.1　Circuit of single stage series magnetic pulse compressor

通過合理設計磁開關參數(shù)，滿足Lsat

(1)

式中，VC1為加載到脈沖電容器C1上的電壓；N為磁開關繞組的匝數(shù)；ΔB為磁性材料的磁感應強度變化量；Ac為繞組包圍的區(qū)域內磁性材料的有效截面積。

磁開關繞組所包圍區(qū)域的平均磁導率μa可以表示為

μa=μ0[(μr-1)α+1]

(2)

式中， μ0為真空正的磁導率； μr為磁性材料的磁導率；α為繞組包圍區(qū)域內的占空系數(shù)。

磁開關繞組的電感可以表示為

(3)

式中，H，Ro和Ri分別為磁開關繞組所包圍的總截面高度、外半徑和內半徑。

根據(jù)以上公式，可以設計單級串聯(lián)型磁脈沖壓縮器，具體電參數(shù)如表1所示?？梢允褂肞-Spice數(shù)值模擬軟件對理想情況下單級磁脈沖壓縮器電路模型進行模擬。軟件中沒有磁開關元件模型，可以根據(jù)磁開關基本工作原理，通過未飽和電感Luns和飽和電感Lsat以并聯(lián)關系連接實現(xiàn)，磁芯工作狀態(tài)的切換過程由一個與飽和電感Lsat串聯(lián)的理想閉合開關CS等效。等效電路如圖2所示。通過仿真，可以得到脈沖電容器C1和負載Z的電壓波形如圖3所示。

圖2　磁開關P-Spice等效電路Fig.2　Equivalent circuit of magnetic switch in P-Spice

圖3　單級磁脈沖壓縮器理想電壓輸出波形Fig.3　Ideal output voltage waveform of the single stagemagnetic pulse compressor

C0、C1脈沖電容值(nF)諧振電感L0(μH)磁開關未飽和電感Luns(μH)C1設計峰值電壓(kV)設計飽和時間tclose(μs)16020.2651627.354

可以看出，設計的單級磁脈沖壓縮器能夠實現(xiàn)對電脈沖進行壓縮和整形的目的，輸入電脈沖的上升時間由約4μs壓縮到1μs。脈沖電容器C1和負載Z上的峰值電壓分別為27.33kV和26.73kV，電壓傳輸效率達到97.8%。

2雜散參數(shù)對串聯(lián)型磁脈沖壓縮器工作特性影響的仿真研究

實際工作環(huán)境中，串聯(lián)型磁脈沖壓縮器的雜散參數(shù)主要包括脈沖電容器的自身電感、磁開關繞組的匝間電容以及磁開關在不同工作狀態(tài)下的自身阻抗。分析雜散參數(shù)對器件輸出特性的影響有助于對串聯(lián)型磁脈沖壓縮器進行更加準確的設計，有效指導實驗研究。

2.1　脈沖電容器的自身電感

根據(jù)現(xiàn)有脈沖電容器的制造水平，在P-Spice軟件中建立每個脈沖電容器的自身電感分別為25nH，50nH，75nH的模型進行仿真，得到的結果如圖4所示。

圖4　脈沖電容器自身電感對輸出波形的影響Fig.4　Influence of the self-inductance of pulse capacitor

從圖4可以看出，在設定的范圍內考慮脈沖電容器的自身電感時，盡管串聯(lián)型磁脈沖壓縮器的輸出波形并不會有明顯的畸變，但隨著電感值的增加，輸出電脈沖的上升時間發(fā)生了一定的變化。電感值越大，上升時間的變化越大。此外，輸出電脈沖的峰值電壓也會有一定程度的下降。當脈沖電容器的自身電感分別為25nH，50nH，75nH時，脈沖電容器C1的峰值電壓為27.291kV，負載Z的峰值電壓分別為26.561kV，26.078kV和25.207kV。脈沖電容器自身電感的引入會影響系統(tǒng)的能量傳遞效率。不同電感值對應的電壓傳遞效率分別約為97.3%，95.6%，92.4%。

2.2　磁開關的匝間電容

受到磁性材料本身工作特性的限制，較高的工作電壓會造成磁開關繞組匝數(shù)的增加。對于確定的磁芯尺寸而言，較大的繞組匝數(shù)又會導致繞組之間的間距較小。這不僅會給絕緣帶來一定的壓力，也會使得磁開關繞組本身的匝間電容較大。

磁開關繞組的匝間電容可以表示為

(4)

式中，ε0為真空中的介電常數(shù)；εr為磁脈沖壓縮器內填充絕緣介質的相對介電常數(shù)；Al為磁開關繞組側壁的正對總面積；Δd為相鄰兩匝繞組之間的距離。

針對第1節(jié)中設計的串聯(lián)型磁脈沖壓縮器，理論計算得到磁開關繞組的匝間電容約為8.58pF。因此，在P-Spice軟件中建立磁開關繞組匝間電容分別為5pF，10pF和50pF的模型進行仿真，得到的結果如圖5所示。

由圖5可以看出，磁開關繞組的匝間電容分別為5pF，10pF和50pF時，單級串聯(lián)型磁脈沖壓縮器輸出特性幾乎沒有發(fā)生變化，兩級脈沖電容器上的峰值電壓分別為27.33kV和26.73kV，電壓傳輸效率約為97.8%。即通常情況下，磁開關繞組的匝間電容不會對磁脈沖壓縮器的輸出波形造成較大的影響。

圖5　磁開關繞組匝間電容對輸出波形的影響Fig.5　Influence of the inter-turn capacitance ofthe winding

2.3　磁開關繞組的自身阻抗

磁開關繞組通常由長直導線繞制而成，輸出電信號的頻率達到MHz量級時，繞組的趨膚效應明顯，直接導致繞組本身的電阻增大，進而影響到器件的輸出特性。損耗在磁開關繞組上的能量會使得局部溫度迅速升高，如果散熱不夠及時，有可能導致磁芯失去磁滯特性。

磁開關繞組的自身阻抗可以表示為

(5)

式中，ρ為金屬導線的電阻率；lt為繞組的總長度；Rw為繞組導體截面的半徑；δw為趨膚深度。對應第1節(jié)中設計的串聯(lián)型磁脈沖壓縮器，理論計算得到在兩種工作狀態(tài)下，繞組的自身阻抗分別為56mΩ和119mΩ。

首先對磁芯處于未飽和狀態(tài)時，磁開關繞組自身阻抗對期間輸出的影響進行分析。在P-Spice軟件中建立磁開關繞組自身阻抗分別為25mΩ，50mΩ和100mΩ的模型進行仿真，得到的結果如圖6所示。可以看出，磁芯處于未飽和狀態(tài)下，磁開關繞組的自身阻抗在給定的范圍內變動時，幾乎沒有對輸出波形產生影響。

圖6　磁開關繞組自身阻抗對輸出波形影響(未飽和狀態(tài))Fig.6　Influence of the impedance of the winding(unsaturated state)

趨膚效應影響下的繞組自身阻抗與電信號頻率呈正比關系。飽和狀態(tài)下，對磁開關繞組自身阻抗分別為50mΩ，100mΩ和200mΩ時進行模擬，得到的結果如圖7所示。由圖可以看出，改變飽和狀態(tài)下磁開關繞組的自身阻抗時，脈沖電容器C1輸出電壓的峰值始終為27.33kV，而負載Z上的峰值電壓分別為26.42kV，26.11kV和25.52kV。即磁芯飽和狀態(tài)下，繞組自身阻抗對能量傳遞效率具有較大的影響。仿真阻抗值對應的電壓傳輸效率分別約為96.6%， 95.5%， 93.4%。

圖7　磁開關繞組自身阻抗對輸出波形影響(飽和狀態(tài))Fig.7　Influence of the impedance of the winding(saturated state)

3實驗研究

基于以上的分析，盡管串聯(lián)型磁脈沖壓縮器存在雜散電感及繞組自身阻抗等雜散參數(shù)，但根據(jù)裝置的基本工作原理，不同雜散參數(shù)對裝置輸出波形的影響程度并不相同。實際操作中可以利用所得結論，對設計的磁脈沖壓縮器平臺的設計和搭建進行最合理的優(yōu)化。

根據(jù)2.1節(jié)中結論，脈沖電容器的自身電感對實驗結果具有較大影響。由于脈沖電容器由廠家提供，自感已經(jīng)確定，因此，實驗中設計采用六個80nF的脈沖電容器，兩兩并聯(lián)分別構成C0和C1，以盡量減小脈沖電容器自身電感對實驗結果的影響。根據(jù)2.3節(jié)中結論，磁開關繞組的自身阻抗對磁脈沖壓縮器的輸出電壓效率有一定影響。因此，實驗中設計使用兩根具有矩形截面，截面尺寸為8mm×2mm的編織線作為磁開關的繞組以在較高的工作頻率下，盡可能減小繞組自身的阻抗。同時，采用雙線并繞的方式制作磁開關繞組也能夠在一定程度上減小繞組阻抗。

基于以上討論，根據(jù)表1中的設計參數(shù)，在實驗室搭建了一臺單級磁脈沖壓縮器。得到的輸出波形如圖8所示?？梢钥闯?，單級串聯(lián)型磁脈沖壓縮器的壓縮結果與仿真結果基本相符。需要說明的是，由于磁開關導通后期，負載Z上的電壓將超過C1上的電壓,根據(jù)磁開關工作原理，此時的磁芯將回到未飽和狀態(tài)，導致磁開關電路斷路，阻止了電脈沖能量向C1釋放。然而，仿真軟件的等效模型中沒有設置二極管來阻止能量回流，因此，造成了仿真結果與實驗結果略有不同，但其不影響文章所關注的C1向Z放電的過程。脈沖電容器C1和負載Z上的峰值電壓分別為25.725kV和23.838kV。電脈沖上升時間由4.1μs被壓縮到1.2μs，電壓傳輸效率約為92.5%。通過分析雜散參數(shù)對串聯(lián)型磁脈沖壓縮器輸出特性的影響，可以在一定程度上指導實驗裝置的搭建和優(yōu)化設計。

4結論

串聯(lián)型磁脈沖壓縮器利用磁性材料的非線性特性實現(xiàn)對電脈沖信號的整形與壓縮，具有固態(tài)化、壽命長、結構相對簡單以及能量傳遞效率較高等優(yōu)勢，能夠適應脈沖功率的發(fā)展需求。針對一種單級串聯(lián)型磁脈沖壓縮器，分別對脈沖電容器自身電感、磁開關繞組匝間電容以及磁芯處于不同狀態(tài)下的繞組自身阻抗等雜散參數(shù)對器件輸出特性的影響進行了分析。結果表明，匝間電容和磁芯處于未飽和狀態(tài)下的繞組自身阻抗對系統(tǒng)的輸出特性影響相對較小；磁芯處于飽和狀態(tài)時，繞組自身阻抗對系統(tǒng)的能量傳輸效率影響較大；脈沖電容器的自身電感不僅會降低系統(tǒng)的能量利用效率，還會影響到輸出脈沖上升沿的寬度。

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Influence of stray parameters on output characteristics of the series magnetic pulse compressor

LISong,GAOJingming,YANGHanwu,QIANBaoliang

(College of Optoelectric Science and Engineering, National University of Defense Technology, Changsha 410073, China)

Abstract：P-Spice was used to analyze the influence of stray parameters, including self-inductance of the pulse capacitor and the inter-turn capacitance and the impedance of the winding in magnetic switch, on output characteristics of the series magnetic pulse compressor. Results show that inter-turn capacitance and the impedance in unsaturated state of the winding make minor influence on the output waveform. However, the impedance in saturated state of the winding reduces the voltage efficiency of the system, conspicuously. Moreover, the self-inductance of the pulse capacitor not only reduces the voltage efficiency but also influences the rise-time of the output voltage waveform. Based on former results, the single stage magnetic pulse compressor system was optimized and a series magnetic pulse compressor, with peak voltage of 26kV, whose pulse rise-time is compressed from 4.1s to 1.2s and whose voltage efficiency is over 92.5% was developed.

Key words：pulsed power technology; magnetic pulse compressor; stray parameters

中圖分類號：TM78

文獻標志碼：A

文章編號：1001-2486(2015)02-009-05

收稿日期：2015-01-06基金項目：國家自然科學基金資助項目(51377164)

作者簡介：李嵩(1987—)，男，遼寧大石橋人，博士研究生，E-mail:song_li1121@hotmail.com；高景明(通信作者)，男，副研究員，博士，E-mail: megod818@163.com

doi:10.11887/j.cn.201502003

http://journal.nudt.edu.cn