（物理电子学专业论文）传输线脉冲变压器的研究.pdf

国防科学技术大学研究生院硕士学位论文 摘要 传输线脉冲变压器( t r a n s m i s s i o nl i n ep u l s et r a n s f o r m e r t l t ) 具有良好的高 频特性，且符合当代脉冲功率装置紧凑化、高重频和全固态方向的发展要求，近 来在国内外受到了广泛关注。本论文通过对t l t 一般性理论的研究，完整地提出 了t l t 设计的方法及步骤，并重点推导出了次级线电感的优化设计方案，最终研 制出一台四级t l t 。本文的研究结果对t l t 在脉冲功率技术领域的应用具有一定 的指导意义。论文研究内容主要包括以下几个方面： 1 对t l t 进行了理论分析。 对t l t 基本原理进行了分析，指出t l t 结构中存在的次级线会导致输出脉冲 平顶下降。详细分析了两级t l t 中波的具体传输过程，并推广到疗级情形。对t l t 电压增益( 变比) 进行了细致的分析，结果显示：t l t 级数不宜过高，一般选取 不超过1 0 为宜。对t l t 的频率响应进行了细致分析，表明t l t 高频响应良好， 选择合适参数时，可高达1g h z 。 2 对t l t 次级线电感的优化进行了细致研究。 分析讨论了级间有耦合和级间无耦合两种t l t 典型的拓扑结构，在一般情况 下推导出了此两种结构下t l t 的输出脉冲电压幅值的计算公式。为实现t l t 磁芯 体积最小化，对各级次级线电感大小进行了优化，优化结果为：( 1 ) 级间无耦合 结构从第二级开始电感逐级增加，第n 级次级线电感的最优大小为第二级的( 胛1 ) 倍；( 2 ) 级间有耦合结构中，各次级线电感优化后大小应相同。对优化后级间有 耦合、无耦合结构进行了比较，指出级间有耦合结构最适于t l t 的紧凑化设计； 而无耦合结构更简单，易于实现低阻抗输出。 3 开展了t l t 的电路数值模拟研究。 电路数值模拟研究证实了理论分析结果，即所用传输线的电长度对输出波形 存在影响，当所用传输线电长度小于输入脉宽的一半时，输出波形出现畸变；另 外，引线电感、杂散电容对输出结果的上升前沿和后沿也有较大影响，应将接头 尽量做紧凑，同时使装置远离接地良导体。 4 研制出一台四级t l t 。 开展了t l t 低压测试实验研究，在此基础上确定了高压t l t 的装配方案，研 制出一台直径约3 0 0n l n l 、高约4 5 0n l i 1 、重量4 5 埏的级间无耦合结构的四级t l t 。 在b l u m l e i n 线平台上开展了t l t 变压效果实验研究，结果表明：从b l u m l e i n 线输 出幅值1 0k v 、脉宽1 5 0a s 、上升沿2 0n s 的脉冲，作为输入脉冲经过t l t 变压后， 在t l t 输出端负载上得到幅值约4 0k v 、脉宽1 5 0n s 、上升沿约2 0n s 的脉冲。此 种类型和性能的脉冲变压器尚未见报道。 主题词：传输线脉冲变压器；频率响应；次级线；优化；耦合 第i 页 国防科学技术大学研究生院硕士学位论文 a b s t r a c t t r a n s m i s s i o nl i n ep u l s et r a n s f o r m e r ( t l t ) ，h a v i n go u t s t a n d i n gp e r f o r m a n c ei n h i 曲f r e q u e n c y ，c o n f o r m st om o d e mp u l s ep o w e rt e c h n o l o g y ( p p t ) o fb e i n gc o m p a c t ， r e p e t i t i v ea n ds o l i d n o w a d a y s ，t l th a sa t t r a c t e de x t e n s i v ea t t e n t i o n i nt h i st h e s i s ，a 4 - s t a g et l t i sd e v e l o p e db a s e do nt h et h e o r e t i c a la n a l y s e so nt l t ，t h eo p t i m i z a t i o no f s e c o n d a r yl i n ei n d u c t a n c e a n dt h em e t h o dt od e s i g nt l t 1 1 1 er e s e a r c hr e s u l t ss e tb a s i s f o rt h ew i d ea p p l i c a t i o no ft l tt op p t 功ed e t a i l e dw o r ki n c l u d e st h ef o l l o w i n g ： 1 ab a s i ct l tt h e o r yh a sb e e na n a l y z e d a g e n e r a lt l tt h e o r yh a sb e e na n a l y z e d t h ep r o c e s so fw a v et r a n s m i s s i o no fa 2 - s t a g et l th a sb e e na n a l y z e di nd e t a i l a n dt h e ng e n e r a l i z e dt o ns t a g e s t h e u n d e s i r e a b l ee f f e c tt ot h eo u t p u tr e s u l tc a u s e db ys e c o n d a r yl i n e si sa l s op o i n t e do u t p a r t i c u l a r l y ，a f t e rt h ec a r e f u l l ye x a m i n a t i o no ft l t sg a i n ，t h er e s u l t sm a n i f e s tt h a tt h e n u m b e ro fs t a g e ss h o u l dn o tb et o ol a r g e ，g e n e r a l l yn o tl a r g e rt h a n10 b e s i d e s ，t h e f r e q u e n c yr e s p o n s eo ft l th a sb e e nc a r e f u l l ya n a l y z e d t l l er e s u l t si n d i c a t et h a tt l t h a sa ne x c e p t i o n a lh i g h f r e n q u e n c yr e s p o n s e ，a n di tw o r k su pt o1g h zi fp a r a m e t e r s a r es u i t a b l e 2 a no p t i m i z a t i o no f t l t ss e c o n d a r yi n d u c t a n c ei si n v e s t i g a t e di nd e t a i l t w ot y p i c a lt o p o l o g i e so ft l t ，i e ，w i t hc o u p l i n gb e t w e e ns t a g e sa n dw i t h o u t ，a r e a n a l y z e da n dd i s c u s s e d ，a n dt h ee x p r e s s i o n so fo u t p u ta r ed e d v e d i no r d e r t od e s i g na c o m p a c tt l t a l lo p t i m i z a t i o no fe a c hs e c o n d a r y1 i n ei n d u c t a n c ei sp r e s e n t e d f o rt l t w i t h o u tc o u p l i n gb e t w e e ns t a g e s ，t h eo p t i m a lv a l u e so ft h en - s t a g ei n d u c t a n c ei sn - l t i m e so ft h es e c o n ds t a g e a n dt h ei n d u c t a n c ei se q u a lf o rt l t sw i t hc o u p l i n gb e t w e e n s t a g e s h a v i n gb e e no p t i m i z e d ，t h ev o l u m eo fm a g n e t i cc o r eu s e df o rt l t i st h el e a s t a tl a s t ac o m p a r i s o no ft h eo u t p u t so fs e v e r a ls t r u c t u r e si sp r e s e n t e d t h er e s u l t i n d i c a t e st h a tt h et o p o l o g yo fm u t u a l l yc o u p l i n gb e t w e e ns t a g e si sm o r es u i t a b l et ot h e d e s i g n i n go fc o m p a c tt l t ；t h et o p o l o g yo fn o n - c o u p l i n gi ss i m p l e ra n dm o r eb e n e f i c i a l t ot h el o wo u t p u ti m p e d a n c eo ft l t 3 n u m e r i c a ls i m u l a t i o n so nt l th a v eb e e nc o n d u c t e d t h er e s u l t so fn u m e r i c a ls i m u l a t i o n sh a v ev e r i f i e dt h et h e o r e c t i a la n a n l y s i st h a tt h e e l e c t r i c a ll e n g t ho ft r a n s m i s s i o nl i n e sh a si n f l u e n c eu p o nt h eo u t p u tp u l s e g e n e r a l l y ， t r a n s m i s s i o nl i n ew i t hal e n g t hl e s st h a nah a l fo ft h ep u l s ew i d t hw i l lc a u s ep u l s e d i s t o r t i o nt ot h eo u t p u t f o r t h e r m o r e ，t h ei n d u c t a n c ea n dc a p a c i t a n c ea tt h ej o i n t sa r e a l s oh a r m f u lt ot h er i s e t i m ea n df a l l - t i m ep e r f o r m a n c eo ft l t j o i n t ss h o u l db es h o r t ， a n dt l ts h o u l db ek e e p i n gf a rf r o mt h ec o n d u c t o r sc o n n e c t i n gt og r o u n d 4 a4 - s t a g et l ti sd e v e l o p e d e x p e r i m e n t so fl o wv o l t a g eo nt l th a v eb e e nc o n d u c t e db e f o r eh i g hv o l t a g e 第i i i 页 国防科学技术大学研究生院硕士学位论文 v e r s i o n s a4 s t a g et l tw i t hd i a m e t e r3 0 0m m ，h e i g h t4 5 0m m ，a n dm a s s4 5k gi s d e v e l o p e d t h r o u g hab l u m l e i np u l s eg e n e r a t o r ，ap u l s e 埘mv o l t a g eu pt o 10k v ， d u r a t i o n ( f w h m ) o f15 0a sa n dr i s e - t i m ea b o u t2 0a si si n j e c t e di n t ot h et l t a tt h e o u t p u tt e r m i n a lo ft l t ，p u l s e 谢t ha m p l i t u d e4 0k v ，p u l s ew i d t h15 0n sa n dr i s e t i m e s l i g h t l yl a r g e rt h a n2 0a si so b t a i n e d b yf a r ，t h i st y p eo fp u l s et r a n s f o r m e rw i t hs u c h p e r f o r m a n c eh a sn o tb e e nr e p o r t e d k e yw o r d s ：t r a n s m i s s i o nl i n ep u l s et r a n s f o r m e r ( t l t ) ；f r e q u e n c yr e s p o n s e ； s e c o n d a r yl i n e ；o p t i m i z a t i o n ；c o u p l i n g 第i v 页 国防科学技术大学研究生院硕十学位论文 图目录 图1 1 脉冲功率装置示意图1 图1 2 十级同轴线t l t 装置图3 图1 3 十级双线t l t 装置图3 图1 4l p e c a s t a i n g 等人设计的t l t 变压效果图一3 图1 5k y a n 研制的t l t 装置及结构示意图3 图1 6a l i n d b l o m 研制的t l t 装置及输入输出结果图4 图1 7p h y s i c q u e & i n d u s t r i e 提出的脉冲发生器组成方案4 图2 1 脉冲变压器原理图7 图2 2t e s l a 变压器原理图7 图2 31 ：1 传输线变压器9 图2 41 ：1 传输线反相器9 图2 5 一级反相器p s p i c e 电路图1 0 图2 6 一级反相器p s p i c e 电路模拟结果1 0 图2 7 一般的两级t l t 结构图11 图2 8 四级t l t 电路结构示意图1 2 图2 9 两级t l t 输入与输出端的等效电路1 2 图2 1 0 二级t l t 波传输过程网格图1 4 图2 1 1 两级t l t 理论计算得到的输出波形1 5 图2 1 2 甩级t l t 等效电路图。1 6 图2 1 3 用于确定胛级t l t 阻抗的戴维宁电路1 8 图2 1 4 不同阻抗比人时增益与级数间的关系1 9 图2 1 5 增益和阻抗比人、级数n 间的关系一1 9 图2 1 6 考虑线间次级线后的刀级t l t 等效电路1 9 图2 1 7 考虑级间次级线与否所得结果的比值2 2 图2 1 8 有限长传输线两端口网络模型图一2 2 图2 1 9 用于频率响应分析的t l t 等效电路2 4 图2 2 0 拧级t l t 输入端等效电路2 4 图2 2 1t l t 频率响应范围随次级线电感大小的变化2 5 图2 2 2t l t 频率响应范围随杂散电容大小的变化一2 5 图2 2 3t l t 频率响应分析p s p i e e 电路模型一2 6 图2 2 4t l t 频率响应随次级线电感变化的数值模拟结果2 6 图2 2 5t l t 频率响应随杂散电容变化的数值模拟结果一2 7 第1 i i 页 国防科学技术大学研究生院硕士学位论文 图3 1 同轴传输下套磁环等效电路模型。2 9 图3 2 两级套磁环t l t 电路模型图3 0 图3 3 两级磁芯绕线型t l t 模型图3 1 图3 4 两级t l t 中磁芯绕线等效为电感示意图3 1 图3 5 两级t l t 输出端等效电路图3 2 图3 6 两级t l t 输入端等效电路图3 2 图3 7 理想矩形磁化曲线3 5 图3 8 晶态与非晶态金属合金结构比较3 5 图3 9 不同软磁材料的磁性对比3 6 图3 1 0 不同软磁材料的最佳使用频率范围。3 6 图3 11 铁氧体磁芯尺寸图。3 7 图3 1 2 铁氧体磁芯磁滞回线3 7 图3 13 三级t l t 级间无耦合结构3 8 图3 1 4 三级t l t 磁芯绕线等效为电感示意图3 8 图3 1 5 三级t l t 输出端等效电路3 9 图3 1 6 简化后的三级t l t 输出端3 9 图3 1 7 电感去耦合后的三级t l t 等效电路4 0 图3 18 三级t l t 输入端等效电路4 0 图3 1 9 三级t l t 次级线等效至输出端示意图4 1 图3 2 0 三级t l t 最终等效电路。4 1 图3 2 1 四级t l t 结构示意图4 1 图3 2 2 四级t l t 等效电路图4 l 图3 2 3 考虑杂散电容后输入端等效电路图4 2 图3 2 4 四级t l t 输出端最简等效电路4 2 图3 2 5 胛级t l t 级间有耦合结构示意图4 4 图3 2 6 刀级t l t 输出端等效电路4 5 图3 2 7 ，z 级t l t 去耦合后输出端等效电路4 5 图3 2 8 ，z 级t l t 最简等效电路4 5 图4 1 四级t l t 理想情况下p s p i c e 电路模型4 9 图4 2 四级t l t 理想情况下p s p i c e 电路模拟结果。4 9 图4 3 考虑杂散参数和次级线后的四级t l t 的p s p i c e 电路模型5 0 图4 4 四级t l t 的p s p i c e 电路模拟结果。5 0 图4 5 传输线电长度t d 对输出波形的影响。5 l 图4 6 接头电感对输出波形的影响。51 第1 v 页 国防科学技术大学研究生院硕士学位论文 图4 7 杂散电容对输出波形的影响5 2 图4 8 负载电阻大小对输出波形的影响5 2 图4 9 采用传输线来模拟次级线的作用时四级t l t 的p s p i c e 电路。5 3 图4 1 0 传输线模拟次级线作用下的p s p i c e 输出结果5 3 图4 1 1 次级线电长度对输出波形影响的p s p i c e 模拟结果5 4 图4 1 2 同轴传输线的结构示意图一5 5 图4 13 三级同轴线型t l t 低压测试装置5 5 图4 1 4 三级t l t 低压测试结果一5 5 图4 15 三级t l t 对长脉冲的响应曲线5 5 图4 1 6 四级同轴型t l t 实验装置5 6 图4 1 7 四级t l t 实验结果5 6 图4 18 四级t l t 的p s p i c e 电路模型5 6 图4 1 9 四级t l t 模拟与实验波形比较5 7 图4 2 0 五级双线t l t 实验装置5 8 图4 2l 五级双线t l t 输入输出波形5 8 图4 2 2 级间无耦合四级t l t 装置图5 8 图4 2 3 四级无耦合t l t 低压测试结果5 9 图4 2 4 电缆线型b l u m l e i n 线总体结构6 0 图4 2 5 级间无耦合四级t l t 高压实验实物装置图6 0 图4 2 6 级间无耦合四级t l t 实验输入输出波形6 1 第v 页 国防科学技术大学研究生院硕士学位论文 表目录 表1 1s m i t h 所研制具有代表性的两台t l t 指标。2 表1 2 法国p h y s i q u e & i n d u s t r i e 机构提出的设计指标5 表3 1 各种磁性材料参数对比3 7 第v i 页 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是我本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研 究成果尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已 经发表和撰写过的研究成果，也不包含为获得国防科学技术大学或其它教育机构的学 位或证书而使用过的材料与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文 中作了明确的说明并表示谢意 学位论文题目： 笾箍缮丛生銮匡墨的盟究 。 学位沧芝f 仁：蕾签名：蔓a 筮拯 日期： 加以年f 月洱日 学位论文版权使用授权书 车人完全了解国防科学技术大学有关保留使用学位论文的规定本人授权国 防科学技术大学可以保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子文档，允 许论文被篷i 硒和借阅：可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索， 可以采用彩印缩印或扫描等复制手段保存汇编学位论文 ( 保密学位论文在解密后适用本授权书) 学位谂文作者签名： 作者指写：教师签名： 日期：嘴年1 1 月2 争日 e i 期：伽分年i ，月侈细盘 国防科学技术大学研究生院硕十学位论文 第一章绪论 由于国防科研等方面的应用，脉冲功率技术( p u l s ep o w e rt e c h n o l o g y ，p p t ) 自2 0 世纪6 0 年代初期以来，已经发展成为一门新兴科学技术，目前正朝着高功 率、全固态、高重频和紧凑化的方向发展。正是应这样的发展要求，由于具有上 升前沿快、方波脉冲平顶下降小和频带响应范围宽等特点，传输线脉冲变压器 ( t r a n s m i s s i o nl i n ep u l s et r a n s f o t i l l e r ，t l t ) 在脉冲功率技术中有重要应用前景。 本章对传输线脉冲变压器进行了综述，在此基础上说明了本课题的选题依据 和论文的主要内容。 1 1 传输线脉冲变压器的研究现状 脉冲功率技术( p p t ) 是把“慢储存起来的能量，进行快速压缩、转换或直 接释放给负载的电物理技术。它是在2 0 世纪6 0 年代，随着核物理、电子束加速 器物理、激光和等离子体物理研究的发展，迅速发展起来的一门高技术新兴学科， 是当前国际上最为活跃的前沿高科技之一，在国防领域和民用领域都有广泛的应 用前景【l 。j 。将近半个世纪以来，脉冲功率技术经历了四次重大突破【8 】：第一次发 展是b l u m l e i n 线的应用，开创了脉冲功率级数的新纪元；第二次发展可简洁地概 述为以“水 代“油”，( 即用高纯度去离子水取代变压器油作为传输线的绝缘 介质) 发展了低阻抗型强流电子束加速器；第三次发展是多台装置并联运行：第 四次发展是感应加速腔技术。当前，脉冲功率技术正处在又一次新的突破口，即 发展紧凑重复频率运行装置。 l o wp o w e ra c c u m u l a t i o n h i g hp o w e ro u t p u t s1 1 $ d c c h a r g e p u l s ed i s c h a r g e p u l s e dp o w e r 图1 1 脉冲功率装置示意图 脉冲功率装置大体可分为四大部分【9 。1 1 】：初级能源、储能装置、脉冲形成部分 和负载，如图1 1 所示。一般而言，初级能源和储能装置可以采用m a r x 发生器或 者大储能电容与脉冲变压器的组合：脉冲形成部分通常占装置体积的6 0 以上【1 2 1 ， 所以脉冲功率装置的紧凑化在一定程度上取决于脉冲形成部分体积的缩小。通常， 脉冲功率装置紧凑化多受限于装置对高电压幅值的要求，国内外对此进行了大量 的研究【1 3 - 1 8 1 ，提出了多种方案【1 9 。2 2 1 。考虑到t l t 对高频脉冲良好的响应能力，将 第1 页 国防科学技术大学研究生院硕十学位论文 t l t 应用于脉冲功率装置能有效缩小脉冲形成部分的体积，从而使整个装置实现 紧凑化，故此，t l t 型装置也是一种颇具应用前景的技术路线 2 3 - 2 7 】。 t l t 型脉冲功率装置的主体部分包括脉冲源( 通常为脉冲形成线类型) 和t l t 。 脉冲源用于形成脉冲，脉冲形成后输入至t l t ，经t l t 变压之后得到高压脉冲。 一般来说，t l t 电路采用传输线为主体器件，通过输入端与输出端的阻抗比例以 实现电压的变换。理想情况下，电压的增益( 变比) 由t l t 的级数决定。 t l t 理论及应用发展由来己久，但最初主要应用在微波和射频电路中【2 8 弓2 1 。 o u a n e l l a 首次提出了传输线变压器( t r a n s m i s s i o nl i n et r a n s f o r m e r ) 的概念【32 。，目 的是为了解决射频电路中的阻抗匹配问题1 3 3 】；r u t h r o f f 对此类变压器在解决电路的 阻抗匹配、宽带及高效率等方面进行了深入地研究【2 8 】；1 9 6 8 年m a t i c k t 2 9 1 就传输线 脉冲变压器的理论及应用进行了细致地研究，详细地介绍了平行双线制作传输线 变压器的过程，并进行了理论分析，指出t l t 中次级线的存在会导致脉冲的多次 反射，使得输出脉冲发生畸变。进入到上世纪七十年代，应用于射频电路中的t l t 得到快速发展【3 4 1 。虽然许多研究【2 5 ，2 7 】已经表明：在诸如频率相应、上升时间和能 量效率等方面t l t 较传统磁耦合脉冲变压器【3 5 】具有潜在优势，但受限于多级t l t 理论分析的复杂和优良特性的传输线、磁芯等器件的缺乏，t l t 作为脉冲变压器 的应用却没有得到广泛的应用。随着科技的进步，这些困难已经得到解决，t l t 在p p t 中的应用正迎来新的发展契机。 伴随着传输线、磁芯技术等瓶颈问题的解决，从上世纪八十年代至今，有关 p p t 中应用t l t 的相关报道日益丰富，t l t 的应用也逐渐受到了人们的广泛关注。 牛津大学的p a u l w s m i t h 在近2 0 年里研制了多台t l t ，其中有多台都显示 了极为诱人的性能，在变压高频脉冲方面，其性能有巨大的优势。广受关注的有 下面的两台：其一是1 9 9 6 年报道的十级同轴传输线t l t 2 5 1 ；其二是2 0 0 6 年报道 的十级双线t l t 【2 ，两t l t 装置分别如图1 2 、图1 3 所示，两台t l t 技术指标 见表1 1 。 表1 1s m i t h 所研制具有代表性的两台t l t 指标 10 - s t a g et l tw i t hc o a x i a lc a b l e 10 - s t a g et l tw i t ht w i nw i r e 第2 页 国防科学技术人学研究生院硕士学位论文 幽i2 十级同轴线t l t 装置蚓图l3l 级戕线t l t 装置幽 法国lp e c a s t a i n g 等人通过在同轴线上嵌套多个不同类型的铁氧体磁环研制 出一台十级高性能t l t i “i ，该t l t 需要工作在远离接地良导体的环境，变悟效果 见图14 。 图1 4lp e c 越t a i n g 等人设计的t l t 变压效果凹 ky a h 等人利用t l t 技术研制了功率达1 0 0k w 的重频( 1 0 0 0 p p s ) 脉冲发生 器f ”删实物及其结构如图i5 所示，该发生器包括l c 振荡电路和t l t 装置。在 电压脉冲形成后，将脉冲输入至多级t l q ， 值的电压脉冲，在污水处理方面有蕈要应用 最后在输出端得到多倍于输入电压幅 t l t 能量传输效率高达9 6 。 严冈| t h 司 型。 h 司 袒 ( a ) t l t 装苴( b ) t l t 结构示意幽 图15ky a h 研制的t l t 装置段结构示意图 al i n d b l o m 等人利用现代同轴电缆技术，基于磁耦合原理研制了一台用丁：脉 冲功率系统的t l t l 3 9 i ，收到了良好的效果装置及输入输出脉冲波形见图1 6 ，适 第3 页 国防科学技术大学研究生院硕士学位论文 合于u s 级脉冲的变压。 ( a ) t l i 装置( b ) t l t 输入输出脉冲波形 幽l6al i n d b l o m 研制的t l t 装置及输入输出结果倒 图1 7p h y s i c q u e i n d u s t f i e 提出的脉冲发生器组成方案 法国p b y s i q u e l n d u s t r i e 机构曾给山基于t l t 的高压脉冲发生器设计方案 1 i ，结构见图1 7 ，图中右上部分即三级t l t 输出脉冲电压6 3 0 k v 、电流1 5k a 、 单脉冲宽度4 0 0n s 、可重复频率1 0 0 0p p s ，具体指标见表12 。若按预期实现表中 技术指标该类型脉冲发生器将在当今脉冲功率技术领域中独领风骚。 第4 页 国防科学技术大学研究生院硕士学位论文 l o a dv o l t a g e l o a dc u r r e n t p u l s ed u r a t i o n ( f w h m ) r i s et i m e p u l s ef l a td i f f e r e n c e r e p e t i t i o nr a t e 6 3 0k v 1 5k a 4 0 0n s 4 0n s 1 0 s 3 0 0c m 5 0c m 3 5 0k g 国内邱剑、刘克富等人研制过一台十级t l t 装型4 0 1 ，用于全固态紧凑型重频 脉冲发生器中对高频脉冲进行变压，结果显示该t l t 的输入输出脉冲电压分别为 1 7k v 和1 0k v ，频率1 0k h z ，输入输出波形基本吻合。 综上所述，t l t 应用于脉冲功率系统具有重要的应用前景。国外t l t 研究水 平较高，且有些预期指标将可能主导未来新一代脉冲功率发生装置的发展方向， 但有关t l t 的理论研究仍偏少；国内在该方面的研究更是甚少，且水平不高，尚 属探索阶段。 1 2 课题选题依据及论文的主要内容 1 2 1 选题依据 当前，在脉冲功率技术领域，t l t 的应用仍相对少见，但和传统脉冲变压器 相比，t l t 具有很强的潜在优势。例如，传统脉冲变压器上升时间和带宽受变压 器的漏电感和绕组白电容的限制无法做到高频( n s ) 脉冲的无畸变传输；脉冲幅 值下降也难以解决，一般传统变压器可通过增加初级绕组的电感来加以改善幅值 下降，但这样做必然增加漏电感，从而使脉冲上升前沿变差。因此，作为评价脉 冲变压器性能的主要指标，脉冲幅值下降度、脉冲频率响应能力和脉冲上升前沿 都是t l t 的技术优势所在。影响t l t 输出波形上升前沿的因素中没有漏电感，仅 包括接头电感和外导体对地电容，且采取一些措施能较好地抑制它们的影响。造 成t l t 输出脉冲幅值下降的主要因素是t l t 内部的次级线，但有办法能够抑制次 级线对输出波形的影响，从而实现高频脉冲的波形无畸变变换。 综上，采取适当措施，t l t 对高频脉冲实现无畸变变压是完全可行的。且对 于当前脉冲功率技术发展趋势而言，紧凑化、高重频及全固态是主要发展方向。 将脉冲形成线的输出电压降低至原幅值的一半或更小，再通过t l t 将脉冲电压升 至预定幅值，则形成线体积可以随之缩小。另外，t l t 全固态、适于高重频的结 构也是非常有益的。因此，t l t 符合当前脉冲功率技术发展方向的要求，故在高 功率脉冲技术领域，t l t 的应用前景光明。开展t l t 技术研究对本实验室在全固 第5 页 国防科学技术大学研究生院硕士学位论文 态及紧凑化的脉冲功率系统发展中占据领先地位势在必行，且高功率脉冲电路中 使用t l t 的相关技术研究在国内尚属起步阶段，因此选题具有较高的新颖性。 1 2 2 论文的主要内容 本论文分五个章节对t l t 进行了比较完备的阐述，分别采用了理论、模拟和 实验的研究方法对t l t 的结构性能及各参数进行了深入研究。具体来说，首先对 t l t 进行了细致的理论研究，特别地，重点研究了t l t 次级线电感的优化问题； 其次模拟分析了各杂散参数可能对t l t 输出波形的影响；最后实验研究了多种 t l t 技术实现方案，并最终研制出一台四级高压t l t 。概括地说，全文各章主要 包括以下内容： 第一章介绍了t l t 的发展历程、发展现状，并对课题研究的选题依据、t l t 技术路线的优势进行了说明。 第二章对t l t 进行了理论分析。介绍了普通脉冲变压器的原理，分析了t l t 的基本理论；详细分析了两级t l t 中波的传输过程；重点讨论了t l t 增益与级数 之间的关系；最后细致研究了t l t 的频率响应。 第三章对t l t 次级线电感进行了优化设计。针对抑制次级线的方法进行了系 统的分析和阐述；对各类型磁芯的优缺点进行了比较和分析；对t l t 的两种拓扑 结构进行了次级线电感的优化，并推导了此两种结构的输出电压脉冲幅值的表达 式；最后对抑制次级线的方法进行了系统总结与归纳。 第四章对t l t 进行了电路数值模拟和实验研究。电路数值模拟部分对影响 t l t 输出波形的传输线电长度、接头电感和杂散电容进行了参数扫描分析，同时 对次级线的两种电路模型进行了分析讨论。实验部分首先对t l t 进行了多种尝试 性实验，验证了前面各章的理论结果，同时为最终确定高压t l t 实验方案提供了 参考。最终，研制出了一台高性能级间无耦合四级t l t ，开展了高压实验，所得 结果表明t l t 在脉冲功率技术领域具有良好的应用前景。 第五章对全文工作进行了总结，并展望了今后有关t l t 的研究工作。 第6 页 国防科学技术大学研究生院硕士学位论文 第二章传输线脉冲变压器理论研究 传输线脉冲变压器电路采用输入并联、输出串联的结构。在理想情况下，t l t 输出端与输入端阻抗比与增益之间存在平方关系。 本章介绍了普通脉冲变压器原理，对t l t 基本原理进行了研究；详细分析了 两级t l t 中波的传输过程，对t l t 级数与其增益之间的关系进行了重点讨论；最 后对t l t 频率响应进行了细致的分析。 2 1 脉冲变压器原理 变压器1 5 5 j 是以法拉第电磁感应定律为基础，能够将一个电路中的电能通过磁 场传输到另一个电路中的电磁装置。脉冲变压器【“，5 5 】是变压器的一种特殊类型， 它所变换的不是正弦电压，而是脉冲电压。其基本工作原理【4 1 】如图2 1 所示，在脉 冲电压作用下，初级线圈内产生瞬态的脉冲电流，从而在磁芯中激发起随时间变 化的磁通量。变化的磁通量又在次级线圈中产生感应电动势和感应电流，它反过 来通过互感磁通又影响到初级线圈。 图2 1 脉冲变压器原理图 在各种脉冲设备中，应用着各种类型的脉冲变压器。它们可输出的脉冲电压 从几v 到几百k v ；脉冲电流从若干m a 到几十k a ；脉冲功率从若干分之一w 到 数百m w ；脉冲宽度从n s 到s ；重复频率从单脉冲到几十k h z 。其中，高电压大 功率脉冲变压器主要应用在雷达、高能物理等领域的设备中；低电压小功率脉冲 变压器主要应用在计算技术、自动控制、工业自动化等设备中。 图2 2t e s l a 变压器原理图 c 2 第7 页 国防科学技术大学研究生院硕士学位论文 适用于高功率脉冲电路中的脉冲变压器主要是t e s l a 变压器，t e s l a 变压器 8 , 4 2 j 是一种工作在双谐振模式下的脉冲变压器。其原理如图2 2 所示，首先常规交流变 压器p t l 将输入的市电升压并对储能电容器c l 充电；g 为火花开关，当储能电容 器c l 上的电压达到一定值时，火花开关导通，通过t e s l a 变压器p t 2 升压对次级 电容器c 2 充电。一般交流变压器p t l 能够升压到1 2k v - - 5 0k v ，t e s l a 变压器p t 2 能够将电压再次提升到2 0 0k v 1m v 。t e s l a 变压器是由两个隔离的相互感应振 荡回路组成的系统，与其他脉冲变压器不同的是，该变压器的初级储能和次级负 载均为电容，且工作在自由振荡状态下，厶c l = - , 2 c 2 使两个回路具有相等的固有 振荡频率。 目前，为提高脉冲功率系统的性能，脉冲变压器( 如t e s l a 变压器) 正向高功 率、高电压、高变比的方向发展，同时还希望脉冲变压器具有重量轻、体积小、 价格低、效率高和长寿命等特点。 在当今脉冲功率技术中，脉冲变压器主要用来对脉冲形成线充电，以代替采 用多级火花间隙开关的m a r x 发生器1 8 ，l0 1 。与m a r x 发生器相比，t e s l a 变压器具有 体积小，能量传输效率高，容易实现重复频率运行等特点。但由于漏电感和绕组 自电容的存在，t e s l a 变压器上升时间和带宽受限而无法做到对高频脉冲的无畸变 传输；脉冲平顶下降也是一个难以消除的问题，传统变压器只能通过增加初级绕