（物理电子学专业论文）一种紧凑型重复频率脉冲触发源研究.pdf

国防科学技术大学研究生院硕士学位论文 摘要 带触发的气体间隙开关以其工作范围广、易于使用、通流能力强等特点在脉冲功率技 术领域应用广泛。开关导通的性能( 如开关的抖动，放电速度等) ，除了与开关结构、气 体类型、内部气压和电极形状等有关外，触发脉冲的上升陡度、峰值电压及注入能量等都 有重要的影响。本课题研制一种紧凑型重复频率的脉冲触发源，该触发源运行稳定，实现 了对带触发气体间隙开关的稳定触发。 本文从理论上运用数值方法分析了脉冲触发源系统，通过电路分析方法求解电路方 程，对脉冲触发源电路进行了理论分析，求解出了触发脉冲电压、电流的近似表达式；运 用p s p i c e 软件对脉冲触发源电路中各部分参数变化对触发源输出电压的影响进行了参数扫 描分析。这些分析和计算在一定程度上指导了脉冲触发源的设计和研制。 在查阅常用绝缘材料和磁性材料性能的基础上对材料进行了选取，对触发源高压输出 部分的结构进行了工程设计；比较了传统恒压充电和l - c 谐振恒流充电两种充电模式，设 计了充电模块；使用电子电路设计软件p r o t e l ，对脉冲触发源控制部分进行了设计；运用 电磁场模拟软件分别对脉冲触发源的充电电容和脉冲变压器进行了电场和磁场模拟。 在理论分析以及部件设计的基础上，研制了一种紧凑型重复频率的脉冲触发源。对所 研制的脉冲触发源各部分参数进行了测量，用该触发源对高功率重频气体开关进行了触发 实验，并且对其输出电压进行了测量。触发源输出脉冲比较稳定，峰值电压l o o k v ，上升 前沿为8 0 n s ，半高脉宽为2 0 0 n s 左右。 主题词：脉冲触发源；重复频率；气体开关；脉冲高压 第1 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 i g g e r e dg a sg a ps w i t c hi sw i d e l yu s e di np u l s ep o w e rf i e l db e c a u s eo fi t sw i d ew o r k i n g r a n g e ，e a s yo p e r a t i n g ，g o o db r e a k d o w nc u r r e n tc a p a b i l i t ya n do t h e rg o o dc h a r a c t e r i s t i c s t h e b r e a k d o w np e r f o r m a n c e so fg a ss w i t c h e s ，s u c ha st h eji t t e r , b r e a k d o w nt i m e ，a r en o to n l y d e t e r m i n e db yt h eg a st y p e ，i n t e r n a lp r e s s u r e ，a n de l e c t r o d eg e o m e t r yb u ta l s oa f f e c t e db yt h e c h a r a c t e r i s t i c so ft h et r i g g e rg e n e r a t o r ，s u c ha st h er i s er a t e ，p e a kv o l t a g e ，p u l s ee n e r g y ，a n ds o o n ac o m p a c t ，r e p e t i t i v et r i g g e rg e n e r a t o ri ss t u d i e di nt h et h e s i s t h ec i r c u i to fp u l s e dt r i g g e rg e n e r a t o ri s a n a l y z e d ，a n dt h eo u t p u tv o l t a g ea n dc u r r e n t a p p r o x i m a t ee x p r e s s i o n so ft h eg e n e r a t o ra r ed e d u c e d a n dt h ep s p i c ec i r c u i ta n a l y s i si s e m p l o y e dt om o d e lt h eg e n e r a t o r t os t u d yt h eo u t p u tv o l t a g ew a v e f o r me f f e c tb yt h ep a r a m e t e r c h a n g e s ，t h ep a r a m e t e rs w e e pa n a l y s i si ss i m u l a t e df o re a c hp a r to ft h eg e n e r a t o r t h e c a l c u l a t i o na n dd e r i v a t i o nr e s u l t sa l eh e l p f u li nt h et r i g g e rg e n e r a t o r sd e s i g n o nt h eb a s eo ft h ei n v e s t i g a t i o no ft h ei n s u l a t i o nm a t e r i a la n dm a g n e t i cm a t e r i a l ，t h e h i g h v o l t a g ep a r to ft r i g g e rg e n e r a t o ri sd e s i g n e d ；c o m p a r i n gt h et r a d i t i o n a lc o n s t a n tv o l t a g e c h a n g i n g 、 ，i mt h el - cr e s o n a n c ec o n s t a n tc u r r e n tc h a n g i n g ，t h ec h a r g i n gm o d u l ei sd e s i g n e d ； u s i n gt h ec i r c u i td e s i g ns o f t w a r ep r o t e l ，t h ec o n t r o lp a r to ft r i g g e rg e n e r a t o ri sd e v e l o p e d ；t h e e l e c t r o m a g n e t i cf i e l da n a l y s i si nc h a r g i n gc a p a c i t o ra n dp u l s et r a n s f o r m e ri sc a r d e do u tb y e m p l o y i n ga na n s y ss o f t w a r ef o r ，w h i c hi sb a s e do nt h ef i n i t ee l e m e n tm e t h o d ( f e m ) b a s e do nt h et h e o r e t i c a la n a l y s i sa n dc o m p o n e n td e s i g n ，ac o m p a c t ，r e p e t i t i v et r i g g e r g e n e r a t o r i sf a b r i c a t e da n da s s e m b l e d a n dt h ep a r a m e t e r so fe a c hp a r ta r em e a s u r e d i nt h ee n d ， t h et r i g g e rg e n e r a t o ri se x p e r i m e n t a l l yi n v e s t i g a t e db yt r i g g e r i n ga h i g h - v o l t a g eg a ss w i t c h ，a n d t h eo u t p u tp u l s ei sm e a s u r e d t h ep e a kv o l t a g er e a c h e s10 0 k v ，t h er i s et i m ei s8 0 n s ，a n dt h e f w h mi sa b o u t2 0 0 n s k e y w o r d s ：t r i g g e rg e n e r a t o r ；r e p e t i t i v e ；g a ss w i t c h ；h i g h v o l t a g eo fp u l s e 第i i 页 国防科学技术大学研究生院硕士学位论文 表目录 表2 1m ，, 取值表9 表3 1 常用介质的电气性能一2 0 表3 2 聚酯薄膜聚酯纤维非织布柔软复合材料的性能。2 3 表3 3 几种绝缘液体性能比较2 4 表3 4 磁性材料部分参数表。2 4 表3 5e x b 8 4 1 脚码明细表3 3 表4 1 参数测量范围表3 7 表4 2 参数测量结果3 8 第1 i i 页 国防科学技术大学研究生院硕士学位论文 图目录 图1 1 脉冲触发源触发电路四种类型1 图1 2 脉冲触发源示意图2 图1 3 高重复频率触发源结构框图2 图1 4 脉冲形成网络脉冲触发源3 图1 5p g 10 3 d 和m a r x 型触发源3 图2 1 分析流程框图。6 图2 2 脉冲触发源系统等效的电路图7 图2 3 用m a t l a b 编程分析脉冲触发源系统输出电压7 图2 4 无损脉冲触发源电路图8 图2 5 峰值电压、前沿时间随耦合系数变化图9 图2 6 一般脉冲触发源的等效电路图1 0 图2 7 峰值电压、前沿时间随初级回路电阻变化图1 1 图2 8 峰值电压、前沿时间随初级回路电感变化图1 1 图2 9p s p i c e 分析脉冲触发源系统等效电路图1 2 图2 1 0p s p i c e 模拟脉冲触发源系统输出电压。1 2 图2 1 1p s p i c e 模拟脉冲触发源系统等效电路图1 3 图2 1 2 充电电容参数分析结果( 2 0 n f - - - 1 0 0 n f ，2 0 n f ) 1 4 图2 1 3 脉冲变压器初级电感参数分析结果( 1p h 4 l h ，0 6 i _ t h ) 1 4 图2 1 4 变压器次级电感参数分析结果( 2 0 0 1 a h - - - 4 0 0 i _ t h ，5 0 i t h ) 1 5 图2 1 5 变压器耦合系数参数分析结果( 0 7 0 - 0 9 5 ，o 0 5 ) 1 6 图2 1 6 初级回路电阻的参数分析结果( 0 1 f l - - 一o 9 q ，0 2 n ) 1 6 图2 1 7 次级回路电阻的参数分析结果( 0 5 f l 2 5 q ，0 5 0 ) 1 7 图2 1 8 初级回路电感的参数分析结果( 0 1 i l h 0 5 1 , t h ，0 1 p h ) 1 8 图2 1 9 次级回路电感的参数分析结果( 1 p , h 5 p , h ，l l - l h ) 1 8 图3 1 ( a ) 有感式电容绕制及电极引出图2 1 图3 1 ( b ) 无感式电容绕制及电极引出图2 l 图3 2 ( a ) 电容两电极板间的电势分布图2 2 图3 2 ( b ) 电容两电极板间的电场强度分布图2 2 图3 2 ( c ) 电容两电极板边沿连线的电场强度2 2 图3 2 ( d ) 电容两电极板中央连线的电场强度2 2 图3 3 脉冲变压器原理图2 3 第1 v 页 国防科学技术大学研究生院硕士学位论文 图3 4 不同磁性材料的最佳使用频率范围2 5 图3 5 加入不同磁芯后变压器内部磁力线比较图2 6 图3 6 脉冲触发源高压输出部分结构图2 6 图3 7 触发源高压输出部分实物图2 7 图3 8 针触发结构简图2 8 图3 9 恒流充电和恒压充电时电容器电压上升曲线2 9 图3 1 0l c 谐振恒流充电的高压触发脉冲产生回路3 0 图3 1ll c 谐振恒流充电电流1 2 随电压u 2 变化曲线3 1 图3 1 2 脉冲触发源的控制回路图3 1 图3 1 3e x b 8 4 l 功能方框图3 2 图3 1 4e x b 8 4 1 驱动隔离电路3 2 图3 15i g b t 驱动电路图。3 4 图3 1 6 驱动回路流程图。3 4 图3 1 72 0 h z 时驱动模块e x b 8 4 1 输出波形3 5 图3 1 8 控制回路实物图。3 5 图3 1 9 控制盒正面3 5 图3 2 0 控制盒与脉冲变压器3 5 图4 1 触发源系统实物图3 7 图4 2 电感测量模型3 8 图4 3 实验装置电路图3 9 图4 4 水电阻分压器原理图4 0 图4 5 电阻分压器标定波形图4 0 图4 6 触发源系统两部分实物图4 1 图4 7 ( a ) 控制盒2 0 h z 时2 0 个脉冲展开波形4 l 图4 7 ( b ) 控制盒2 0 h z 时2 0 个脉冲重叠波形4 l 图4 8 触发源2 0 h z 时4 5 个输出脉冲信号波形4 2 图4 94 5 个脉冲展开波形4 2 图4 1 04 5 个脉冲重叠波形4 2 图4 1 l 幅值测量( 2 5 k v d i v ) 4 3 图4 1 2 前沿测量( 2 0 0 n s d i v ) 4 3 图4 1 3 触发源1 0 h z 时输出脉冲信号波形4 3 图4 1 4 触发源5 h z 时输出脉冲信号波形4 4 图4 1 5 开关结构简图4 4 图4 1 6 开关触发电极及吹气示意图4 4 第v 页 国防科学技术大学研究生院硕士学位论文 图4 1 7 气体开关装配实物图。4 5 图4 18 实验装置图4 5 图4 1 9 电压9 k v 、电流9 k a 、重复频率2 7 h z 运行时3 0 个脉冲实验波形4 5 图4 2 0 电压1 9 k v 、电流1 9 k a 、重复频率运行时2 8 个脉冲实验波形4 6 第页 独创性声明 4 。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 经发表和撰丐过的研究成果，也不包含为获得国防科学技术大学或其它教育机构的学 位或沁书j 仗，日逍的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均己在论文 中作j ，明确臼勺说明并表示谢意。 学位沦艾题目： 二盘鉴盔型重复麴空壁生熊塞塑盟窥 学位沦文作者签名：煎二焦日期：力哆年，月砰日 学位论文版权使用授权书 本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 许论文被查阅和借阅：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， 可以采用影印、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。) 学位沦文题目：二盘鉴蔓型重复麴室壁韭熊塞近丛蕉 学位殄t 作者签名： f 1 。哲指写。教师签名： 堡!堑 斗坌赶 日期：嬲年1 1 月雄日 日期：沙矿年，f 月2 甲日 国防科学技术大学研究生院硕士学位论文 第一章绪论 1 i 脉冲触发源的原理 触发脉冲的上升陡度、峰值电压及注入能量等对开关的导通性能有重要的影响【。随 着触发脉冲陡度的增加，开关时延及其分散性相应减小；触发脉冲能量的增加，将缩短开 关的导通时间【2 】；开关稳定可靠工作也依赖于电压幅值高、上升时间短的触发脉冲 3 1 【4 】。 脉冲触发源触发电路可分为四种类型：( a ) 充电电缆型；( b ) 单级充电电容器型；( c ) 多级充电 电容器型；( d ) 脉冲变压器型【5 1 。原理电路如图1 1 所示。 n v r n r 3 r 2 + v r c + v n ( d ) 图1 1 脉冲触发源触发电路四种类型 图中( a ) ( b ) 所示电路简单，可多根电缆并联输出，适用于工作电压比较低的气体火花开 关。图( c ) 为m a r x 发生器型，即多级充电电容型触发源，可输出上百千伏的电压脉冲，适 用于触发m v 级的气体开关。图( d ) 为脉冲变压器型触发电路，此类型应用广泛、价格低廉， 由脉冲变压器将几百伏的电位上升到几十甚至上百千伏，多用于普通三电极式触发气体火 花开关。 本课题采用的是脉冲变压器型触发源电路，触发源的结构如图1 2 所示，包含了一个 充电电容，该充电电容通过一个充电模块充电到1 5 k v 。然后该电容又经过一个触发气体开 关放电到变比为1 ：8 的脉冲变压器的原边，在该变压器副边产生一个大约1 2 0 k v 的输出脉 第1 页 国防科学技术大学研究生院硕士学位论文 冲。该输出脉冲上升前沿达比较长，不利于气体开关的稳定工作。为解决这个问题，采用 一个自击穿的陡化开关来缩短触发脉冲的上升时间。 图1 2 脉冲触发源示意图 1 2 课题的研究的现状 国内外对各种类型脉冲触发源都进行了广泛的研究，美国圣地亚哥m a x w e l l l a b o r a t o r i e s 研究的紧凑，高重复频率触发源开路输出电压4 0 k v ，脉宽1ps ，上升前沿小 于5 0 0 n s ，脉冲能量4 0 5 0 m j ，频率2 2 0 0 0 h z 可调，该触发源运用两个脉冲变压器实现电 磁脉冲压缩，还具有能量回收回路提高效率，结构框图如图1 3 所示。澳大利亚核科学与 技术组织( a n s t o ) 研究的为真空电弧离子源( v a c u u ma r ci o ns o u r c e s ) 提供触发的触发源，触 发电压3 0 k v ，频率11 h z 6 j ；英国u n i v e r s i t yo f s t r a t h c l y d e 研究的运用同轴电缆组成脉冲形 成网络的脉冲触发源输出电压达到1 0 0 k v ，重复频率达到l k h z ，其形成网络如图1 4 所 示。 4 n d v l 吮s e c2 u s e c i s c c 图1 3 高重复频率触发源结构框图 第2 页 国防科学技术大学研究生院碗f 学位论文 图14 脉冲形成网络脉冲触发源 美国加里福利亚v l a y s i c s i m e r n a t i o n a l c o m p a n y 研制的t g7 5 s 触发器2 k g 负载输出电 压7 5 k v ，6 m h ，4 0 p f 负载输出电压5 5 k v ，输出电压极性可调，脉宽1 6 0 n s ，上升前沿小 y - 6 0 n s ；美国reb e v e r l y i l la n d a s s o c i a t e s 公司研制的p d 系列触发源具有多种触发模式， 输出电压可达到1 0 0 k v ，频率0 1 0 0 h z 可调，脉宽可达到5 u s 并可调，可多通道输出。该 公司生产的m a r x 型触发源实现模块化，每个模块可含2 - 3 个电容，每个电容充电电压可 达到4 0 k v ，总电容容量几i l f ，重复频率可达到几十 i z ，如图15 所示：美国d i r e c t e d e n e r g y i n c o r p o r a t e d 研制的p v x 一4 1 1 0 脉冲触发源输出电压一l o 一+ 1 0 k v 可调，脉宽小于2 0 0 n s 可调， 上升前沿小于6 0 n s ，抖动小于i n s ；俄罗斯研制的用于t o r c h - 0 1 主开关触发的触发源输 出电压达到3 2 0 k v 。 m a r x 型 图1 5p g 1 0 3 d 和m a r x 型触发源 国内对脉冲触发源的研究也很广泛，如中国工程物理研究院研制的运用于1 0 m v t e s l a 变压器型加速器的脉冲触发源，利用高变比的t e s l a 变压器使输出电压达到1 5 0 k v ，重复 频率o i o o h z 可调 8 ；华中科技大学研制的脉冲触发源，输出电压可达到1 0 0 k v ，重复频 率2 0 h z 。 第3 页 国防科学技术大学研究生院硕士学位论文 1 3 论文的主要工作 本课题正是基于紧凑型重复频率脉冲触发源的国内外发展状况和本实验室实际条件 和应用的需求而选定。它是国家自然科学基金资助项目，属于应用基础研究范畴。 在充分调研脉冲触发源现状的基础上，本论文从理论分析、软件模拟和具体实验研究 对脉冲触发源进行了研究。 本论文进行的工作主要有以下几个方面： 第一章对脉冲触发源的原理以及脉冲触发源的应用进行了概述，介绍了脉冲触发源 的发展历史和研究现状。 第二章运用数值方法分析了脉冲触发源系统，通过电路分析方法求解电路方程，对 脉冲触发源电路进行了理论分析，求解出了输出电压电流的近似表达式；运用p s p i c e 软件 对脉冲触发源电路中各部分参数的变化对触发源输出电压的影响进行了参数扫描分析。 第三章在查阅常用绝缘材料和磁性材料性能的基础上对材料进行了选取，对脉冲触 发源系统高压输出部分的结构进行了工程设计；设计了充电模块；运用电子电路设计软件 p r o t e l ，对脉冲触发源控制部分进行了设计；运用电磁场模拟软件分别对脉冲触发源的充电 电容和脉冲变压器进行了电场和磁场模拟。 第四章对所研制的脉冲触发源各部分参数进行了测量，对电阻分压器进行了定标， 测量了脉冲触发源对水电阻放电的电流和电压。用脉冲触发源对高功率重频气体开关进行 了触发实验，并且测量了其输出电压波形，峰值电压l o o k v ，上升前沿为8 0 n s ，半高脉宽 为2 0 0 n s 。 第五章对全文的主要工作和结果进行了总结，并且对今后的工作进行了展望。 第4 页 国防科学技术大学研究生院硕士学位论文 第二章脉冲触发源电路的理论分析 脉冲触发源的研制是项综合性的工作，需要对这种触发源的理论、材料，结构、工 艺等各方面进行研究。对脉冲触发源电路进行理论分析，得到电路中各部分参数对输出脉 冲的影响，从而指导触发源的设计。常用的脉冲触发源系统分析方法有数值分析法、电路 分析法和p s p i c e 模拟分析法。 2 1 数值分析法 数值分析法嗍是用计算机求解各种数学问题的一种方法，对于一般问题的求解首先是 将实际问题转化为数学问题，建立数学模型，然后选用数值方法，并用计算机语言编程计 算。 一般电路都可以等效为电阻、电容、电感，对于电阻砸) = i u ，对于电容元件以) ：c d u ， kd t 对于电感元件，它是一种记忆性元件，与它的使用历程有关1 0 1 ，地) = f ( o ) + z 1j “( f 渺。 运用有限差分法吲计算t + 时刻的各支路的电流，电阻、电容、电感各自的表达形式为： 弧砸+ ) _ 气 峨砸+ ) - c 气产 ( 2 1 ) 撼舻妁哇掣半+ 略z 其中d t 为时间步长，下标+ 表示变量的下一时刻的值，也就是： 吆+ = 吆( 丁+ d t ) = 比+ d 比= 比( 丁) + d ( 丁) ( 2 2 ) 因为d v x s 的电压； 4 、标明所有支路电流，用i k q 、i l p q 、i c p q ，其中电感电路中电流的标明是必须的， 而全部支路标明电流有利于直观知道各支路的变化； 5 、每个节点电压都为v 。，它代表节点p 的对地电压。 c 1 图2 2 脉冲触发源系统等效的电路图 图2 2 为变压器型调制器系统的等效电路图，其中c 1 0 为充电电容，电容大小为6 0 n f ， 初始电压为1 5 k v ；m 2 0 3 0 为变压器的互感，大小为2 1 1 5 h ；l 2 0 、l 3 0 分别为脉冲变压 器初级和次级电感，大小分别为2 5ph 和3 0 0ph ；i l 2 0 、i l 3 0 分别为脉冲变压器初级和次 级电流，初值均为0 a ；r 1 2 为初级回路中的电阻，大小为1 0 0 m 【2 ；r 3 4 为次级回路中的电 阻，大小为lq ；c 4 0 为次级充电电容，大小为l n f ，初始电压为0 v 。 用m a t l a b 编程1 1 3 j 分析脉冲触发源系统的输出电压，模拟结果如图2 3 ： 1 5 0 l o ( ) 5 0 l 0 o 5 0 1 0 0 1 5 0 厂、 l 国 、l 、 l r i1 52 t ps 图2 3 用m a t l a b 编程分析脉冲触发源系统输出电压 2 2 脉冲触发源系统的电路分析 2 2 1 无损脉冲触发源电路分析 第7 页 国防科学技术大学研究生院硕士学位论文 脉冲触发源在触发气体开关的过程中，忽略电路中的导线电阻和杂散电感，可以得到 如图2 4 所示的等效电路图。l l 、l 2 分别为脉冲变压器初、次级电感，m 为脉冲变压器互 感，脉冲变压器耦合系数为k ，c 1 为充电电容，c 2 为负载电容。 假设初级回路和次级回路中电压分别为1 ，l 、v 2 ，电流分别为i l 、2 均为顺时针流动，初 始时刻充电电容c l 上已经充好电压u o 。则初始时刻电路方程为： 厶詈一m 詈+ 吉f 1 出= u 。 c 2 厶詈一m 誓+ 击f 2 出= 。2 m 令砰2 索，2 乏i _ 并且满足双谐振条件q 2 哆。的情况下，可以解得： “垆等r 志s i n 谨，+ 志s i n c 蔫 旺9 ， “归学鲁c 鑫咖磋，一志s i 蔫 旺 v 1 ( 归警 c o s 诺) + c o s ( 箍) 】( 2 姒垆警毋o s 瞩m 呶蔫， 划。唇s i n ( 一, i - k 主亟4 i + k 吣) s i n ( 一, f i - k 三巫1 j t k 吣) 晓 f r 要使屹达到最大值苦，则有： 第8 页 国防科学技术大学研究生院硕士学位论文 ll 两丽 2 n + 1 1 1 2 m + 1 4 1 一kx l + k ( 其中聆聊) ( 2 1 3 ) 考虑到实际电路中存在欧姆损耗，所以刀和m 取值不能够太大。n 、m 的取值和对应 的k 值如下表2 1 所示： 表2 1m ，n 取值表 图2 5 峰值电压、前沿时间随耦合系数变化图 假设c l = 6 0 n f ，c 2 = l n f ，厶= 2 7 1 , t h ，厶= 2 9 0 t h ，初级电容初始电压v o = 1 5 k v ，则根 据( 2 1 2 ) 式可以得到，触发源输出脉冲峰值电压与前沿时间随耦合系数增大的变化关系如图 2 5 所示。从图中可以看出，在不改变初级电容初始电压的情况下，随着耦合系数的增大， 峰值电压是不断增大的，而前沿时间是不断减小的。因此，提高脉冲变压器的耦合系数是 非常必要的。 2 2 2 一般脉冲触发源电路分析 在无损脉冲触发源电路中考虑初、次级回路中的电阻r l 、r 2 ，和回路电感l k l 和l 蛇 就得到了如图2 6 所示的一般脉冲触发源的等效电路图。 第9 页 国防科学技术大学研究生院硕士学位论文 r l l l 砭 r 2 图2 6 一般脉冲触发源的等效电路图 则振荡回路的方程可以表示为： 了d 2 i l + 二r l 堕+ 上一和丝堡 d t 2 ( 厶+ 三女1 ) d t ( 厶+ 三女1 ) c l 1 ( 三l + 三女1 ) d t 2 一d 2 i 2 + 垒堕+ !k 丝堕 d t 2 。( 三2 + l k 2 ) d t ( 2 + l k 2 ) c 2t 2 一( 三2 + 三2 ) d t 2 为了书写的简便，引入以下新参数： 矗2 志；丕2 酉瓦1 万：= = a ；百c o o l = z 瓦r i 尼二雨轰雨一= 饿 ( 2 1 4 ) ( 2 1 5 ) 兵中t ，：为初、次级回路固有频率，q ，q 为回路品质因数，为有效耦合系 数，劭为有效变比，a 为回路固有频率失调系数。 则方程( 2 1 4 ) 、( 2 1 5 ) 可以写为： 争+ 署导砩= 焘争 眨 軎+ 詈警+ 碚：= 酉争 c 2 m ， 假设电流f 1 、之的解中都含有p j ，则令x ，：竺并将两方程的特征方程相乘可以得到： ( 矿2 赤。一扣，2 一j 鲮x ，- 1 ) = 磅彩 ( 2 1 8 ) 在零级近似下，q 、q ，趋近于无穷大，则方程可以简化为： 如百一厶 = 堕q 国防科学技术大学研究生院硕士学位论文 ( x ，2 一吉) ( x ，2 - 1 ) = 饬2 x ，4 则其解为：= 1 + a 2 a ( 1 - 埸) 【1 令砰= 晖2 _ 2 ，面= 晖2 t 2 ，假设方程的解的形式为： i i ( t ) = a 1 e 7 唧+ 彳2 e 一7 吖+ 彳3 e 吐+ 彳4 e 一扣f i z ( t ) = b p i 州+ b 2 e j 侧+ b 3 e i 唯嘧七b 4 e l i 堆唾 ( 2 1 9 ) ( 2 2 0 ) ( 2 2 1 ) ( 2 2 2 ) 由初始条件：( o ) = 0 ，之( o ) = 0 ，h ( o ) = u 。，v 2 ( 0 ) = 0 可以求得在零级近似下的电 流、电压表达式为： _ 岁 托) _ - u 胁辫 i 2 ( f ) = 一u o c l o j l v 1 ( f ) = u o v 2 0 ) = u o x ：( x ： x ：一x ! 。，)+而x+(1-x_2)x 1 s i n ( 删 i x ：一) x 2 _ x ： x 。2 一x ! c 。s ( q f ) + 而x + 2 ( 1 - x _ 2 ) c 。s ( ：f ) 】 c 、k 珂x 一2 x 2 c 2 n e f f 一定 【c o s ( o 吼t ) - c o s ( a h t ) 】 r l ，q _ ( 2 2 3 ) ( 2 2 4 ) ( 2 2 5 ) ( 2 2 6 ) l l 州 ： i 图2 7 峰值电压、前沿时间随初级回路电阻变图2 8 峰值电压、前沿时间随初级回路电感变化 化图 图 假设c l = 6 0 n f ，c 2 = l n f ，厶= 2 7 p 日，厶= 2 9 0 p h ，= o 8 ，初级电容初始电压 u o = 1 5 k v ，则根据( 2 2 6 ) 式可以得到，触发源输出脉冲峰值电压与前沿时间随初级回路 第1 1 页 ， l n龇 x 一一 一 d 缎 ，l n b 咿一万 o一o 国防科学技术大学研究生院硕士学位论文 电阻和初级凹路电感的变化关系如图2 7 、2 8 所示。从图2 7 中可以看出，在不改变初级 电容初始电压的情况下，随着初级回路电阻的增大，峰值电压是不断减小的，而前沿时间 是不变的；从图2 8 中可以看出，在不改变初级电容初始电压的情况下，随着初级回路电 感的增大，峰值电压也是不断减小的，而前沿时间却不断增加。因此，必须减小触发源初 级回路电阻和电感。 2 3 脉冲触发源系统的p s p i c e 模拟 p s p i c e 软件是o r c a d 公司出品的一种电路仿真程序，具有友好的用户界面和可靠的 计算能力。p s p i e e 程序可以计算模拟器件的直流偏置( b i a sp o i n t ) 分析、直流扫描( d cs w e e p ) 分析、瞬态( t r a n s i e n t ) 分析和参数分析等，这些是通过求解描述电路行为的非线性常微分方 程组实现的【1 4 1 。图2 9 为p s p i c e 分析脉冲触发源系统的等效电路图。 c 1 r 1 7 图2 9p s p i c e 分析脉冲触发源系统等效电路图 p s p i c e 用瞬态分析法分析，所使用的初始条件设置与数值法相一致。p s p i c e 模拟结果 如图2 1 0 ： f 卢 - - j 一卜 -_ j 莎 - - 0 - 7“q i - - - j ； - - _ - _ - _ 卜卡j z - ：z ) j - ； - - l l 爿： 。弋 ； - _ - - -i- - - a _ -f _ 一_ - - 安： ，- 7 - ， 、- z _ - 一 - - 图2 1 0p s p i c e 模拟脉冲触发源系统输出电压 图2 3 和图2 1 0 分别为用m a t l a b 和p s p i c e 模拟脉冲触发源系统在相同条件下的输出 电压，从模拟图形可以看出，数值分析方法和p s p i c e 模拟结果相似。 第1 2 页 国防科学技术大学研究生院硕士学位论文 在分析的过程中，p s p i c e 直接从元件库中调用元器件，分析比较方便，而用程序编程 比较繁琐。但是对于p s p i c e 元件库中没有的非线性和时变性元件，用p s p i c e 新建元件比 较麻烦，而且很难与器件本身的性能一样，但此时用编程的方法则比较容易实现。所以在 实际应用中，应该结合各自的特点进行选择。 2 4 脉冲触发器系统电路中各参数变化对触发器输出的影响 p s p i c e 软件模拟脉冲触发源系统比较方便，为了模拟脉冲触发器系统中各部分参数变 化对触发源器输出的影响，下面采用p s p i c e 软件进行瞬态电路分析。实验设计用充电电容 通过一个充电模块充电到1 5 k v ，然后该电容又经过一个触发气体开关放电到变比为l ：8 的 脉冲变压器的原边，在该变压器副边产生一个大约1 2 0 k v 的输出脉冲，输出脉冲经过陡化 开关后进入触发开关。试验装置的等效电路如图2 1 1 ： c parameters：parameters：parameters： c 1 r 1 r 2 6 0 n 0 1 1 l 1 l 2 c 2 o 1 u 1 9 1 n c o u p l e 0 8 p r i m a r y 2 5 u h s e c o n d a r y 3 0 0 u h 图2 1 1p s p i e e 模拟脉冲触发源系统等效电路图 2 4 1 充电电容 c 2 在脉冲变压器初级电感为2 5j l l h ，次级电感为3 0 0 _ h ，耦合系数为0 8 ，负载电容为 l n f 时，改变充电电容值从2 0 n f 到1 0 0 n f 线性变化，每次分析递增值为2 0 n f 。分析结果 如图2 1 2 所示： 第1 3 页 国防科学技术大学研究生院硕士学位论文 图2 1 2 充电电容参数分析结果( 2 0 n f - - 1 0 0 n f ，2 0 n v ) 从图2 1 2 可以看出，随着充电电容的不断增大，负载电容上的充电电压幅值不断增大， 脉冲前沿不断变陡，但是充电幅值的时刻也在延后。从负载电压幅值变化的趋势来看，随 着充电电容的增大，负载电压的幅值增加幅度逐渐变小，因此从负载电压幅值和脉冲前沿 角度考虑，应选择大的充电电容，但当电容到达一定值后，再增加电容，效果不是太明显， 所以选择6 0 i l f 的初级电容较为合适。 2 4 2 脉冲变压器参数 脉冲变压器的各参数对负载输出波形影响很大，因此对脉冲变压器各参数进行分析十 分必要： 1 ) 对初级电感进行参数扫描：设置充电电容为6 0 n f ，变压器耦合系数为o 8 ，次级电 感为3 0 0 h ，负载电容为l n f ，初级电感从1p h 到4 “h 进行参数扫描，递增值为0 6 2 h ， 分析结果如图2 1 3 ： 图2 1 3 脉冲变压器初级电感参数分析结果( 1 时i 4 v h ，0 6 p h ) 第1 4 页 国防科学技术大学研究生院硕士学位论文 从图2 1 3 可以看出，初级电感在2 5 h 左右时，负载充电电压最高；当初级电感超 过2 5 h 时，随着初级电感的增加，负载电压的幅值在减小，电压波形前沿变缓，负载充 电的波形变得不理想；当初级电感低于2 5j l l h 时，随着初级电感的减小，负载电压的幅值 也在减小。随着初级电感的不断增大，充电幅值的时刻也在延后。综合各种因素，实验选 变压器初级电感大小为2 5 h 左右。 2 ) 对次级电感进行参数扫描： 设置充电电容为6 0 n f ，变压器耦合系数为0 8 ，初级电感为2 7 h ，负载电容为l n f ， 模拟次级电感从2 0 0ph 到4 0 0 h 进行参数扫描，递增值为5 0 h ，分析结果如图2 1 4 ： 图2 1 4 变压器次级电感参数分析结果( 2 0 0 9 h - - 4 0 0 p - i ，5 0 v _ r - i ) 从图2 1 4 可以看出，随着次级电感的增加，负载充电电压的幅值在增加，但是幅值到 达的时间也延长了，这对气体间隙开关的触发不利，次级电感增大也会增加变压器的体积， 在满足负载电压幅值的范围内，次级电感不能太大也不能太小，因此综合各种因素，实验 选择次级电感大小为3 0 0 th 。 3 ) 对耦合系数进行参数扫描： 设置初级充电电容为6 0 n f ，变压器初级电感为2 5 h ，次级电感为3 0 0 h ，负载电 容为l n f ，耦合系数从o 7 到0 9 5 进行参数扫描，递增值为o 0 5 ，分析结果如图2 1 5 ： 第1 5 页 国防科学技术大学研究生院硕士学位论文 图2 1 5 变压器耦合系数参数分析结果( 0 7 0 0 9 5 ，0 0 5 ) 从图2 1 5 可以看出，随着耦合系数的增加，负载电压幅值不断增加，同时电压脉冲波 前时间不断变小，这对于驱动负载是十分有利的，因此增加耦合系数是使脉冲变压器性能 提高的主要实现手段，在空芯变压器中加部分磁芯能增加变压器的耦合系数，进而提高变 压器的性能。 最终，我们设计变压器的参数为：初级电感2 5 卢h ，次级电感3 0 0 a h ，耦合系数在 0 8 以上。 2 4 3 初次级回路电阻 设置初级充电电容为6 0 n f ，变压器初级电感为2 5 p h ，次级电感为3 0 0 p h ，耦