新型納秒脈沖電源的參數設計與實驗研究

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，控制極為方便；輸出波形穩定，諧波分量?。还ぷ鞣€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與運行可靠的半導體斷路開關技術，該電源應用廣泛，可用于對一些氣體、液體、固體介質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絡的參數設計，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，并通過一系列對比實驗驗證了參數設計的準確性。結果表明，相關元件參數固定后，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中的關鍵元件，開關性能的好壞決定了脈沖功率系統的好壞。許多傳統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展。為了解決上述問題，利用功率半導體開關結合磁脈沖壓縮開關的方法來產生高壓快脈沖，并得到了較快的發展。尤其是近年來一種新穎的磁脈沖壓縮網絡的應用，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與SOS系統組成。最高充電電壓為1．5 kV的全橋串聯諧振電源將C1充電至630 V，給晶閘管V一個觸發脈沖使其導通，C1通過L1與可飽和變壓器PT1給并聯的C2和C3充電，當PT1飽和后，電感劇降，C2與PT1次級發生諧振，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上產生一個較大的反恢復電流，從而會在負載R上產生一個峰值高達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生影響，故非線性磁芯的參數設計就顯得比較關鍵。

3 可飽和變壓器與磁開關參數設計
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；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。