脉冲陡化技术研究.docx

研究生（脉冲功率）报告题 目：脉冲陡化技术学 号 T201289940姓 名 肖旋院（系、所） 研究生院脉冲陡化技术研究摘要在脉冲功率技术的应用中常常需要使用到快前沿的陡脉冲，如多路MARX发生器的同步触发，开关电路同步，触发电路的极速响应等。在脉冲功率技术领域，这种快前沿的脉冲具有功率高，输入快速的优良特性，也是脉冲功率的一个发展方向。理论上来讲，脉冲电压越高，前沿陡化就越难以实现。实际应用中，往往需要将10微秒量级的脉冲陡化到10纳秒量级甚至于数纳秒量级，而放电电流往往是很大的，这种高电流陡度往往使一般的元器件难于承受。基于这些问题，本文对几种形式的脉冲陡化电路的原理和应用进行了对比，也总结了一般的脉冲陡化电路的应用场合。关键词：前沿；脉冲陡化；同步；仿真分析AbstractIn the application of pulsed-power technology，fast risetime tigger signal is always a regular.For example, Multiple MARX generator trigger synchronous, synchronous switch circuit，fast response of trigger circuit.In the domain of pulsed-power technology, fast risetime tigger signal have the characteristics of high power ,excellent input,and it has become an important direction of pulsed-powers development. Theore- tically, the higher the pulse voltage is, the more difficult to achieve fast risetime. In practical application, it is often nesessary to sharp 10 micro seconds magnitude of pulse to 10 nanosecond level even a number nano second level,but the current of discharging is very big, This kind of high current gradient often make general components are difficult to bear. Based on these problems,in this paper, the simulation and comparison of several forms of pulse sharping circuit principle and application are made,and the general pulse sharping circuit applications is summarized.Keywords:Risetime; Pulse SharPening; Synchronous;Simulation一、 几种脉冲陡化技术简介1基于磁开关的脉冲陡化在脉冲放电过程中，电流陡度比较大，在这样的工作状态况下可能使传统的放电开关,如机械式火花隙或无触点离子器件如汞闸流管等,大大降低开关寿命,从而导致系统的可靠性变差。从而磁开关和磁脉冲压缩技术有了运用的余地。图1-1脉冲陡化电路图1如图1所示,高压高频正弦波经半波整流得到正弦半波,从0时刻开始对电容C1充电。在C1充电时磁开关L1的磁芯处于非饱和状态,因此由L1决定的阻抗很大,远大于电容器C2的阻抗，它就相当于一个断开的开关，所以L1两端电压不断上升。当C1的电压达到最大值时L1刚好进入饱和状态,由L1决定的阻抗急剧减小。此时L1产生了阻抗的突变,即完成了开关由断开到闭合的转化。此后,C1通过L1对C2充电。若将C1通过L1对C2充电的时间常数设计得比C0通过L0对C1充电的时间常数小得多,则此间传过来的脉冲将得到一次压缩。同理,可采用多级磁脉冲压缩,以获得所需的陡上升前沿、窄脉宽的高压高频脉冲波形。设输入电压为，频率为，各个电容两端的电压为。 （1）式中，=当=时，不考虑能量泄漏，电荷被完全转移到各个下一级电容器，此时=， （2）设计磁开关参数,使L1在C0充电到达最大值时刚好饱和。C1充电到最大电压的时间1取决于L0的电抗: (3)对于多级磁压缩网络,使后级的非饱和电感远大于前级的饱和电感,设计磁开关参数时都要保证当上一级电容充电到峰值时，电感达到饱和，这样既保证了前一级充电时后一级的高阻状态，又使得能量的传输效率最大。则: （4）式中，=，第n级的充电时间 （5）如果磁压缩电路的电抗值不断减小的话，则每一级电路的充电时间会越来越小，脉冲得到逐级压缩。2.基于铁氧体传输线的脉冲陡化技术高压气体开关和磁开关都可以产生前沿小于200ps的决脉冲，因电极烧蚀开关寿命受到限制，其重频受限于IkHz。非线性传输线在高电压的环境中使用方便，具有良好的重频特性和寿命。非线性传输线包括变化的电阻、电容或电感。其中加载了非线性磁性材料一铁氧体的传输线受到了极大的关注。实验研究表明，铁氧体传输线可以将几十纳秒的前沿压缩到几纳秒，将几纳秒的前沿压缩到百皮秒，应用的电压幅值从几千伏到几百千伏。目前利用铁氧体传输线已获得几十皮秒量级的快脉冲前沿。不同于磁开关，铁氧体传输线是一种整形器，其物理机制和磁开关也不同。铁氧体传输线具有高可靠性，结构相当简单，而且成本低廉，可以大量获取，可重频工作在30kHz以上，并且具有良好的稳定性。铁氧体传输线结构图如下：dmdodi外筒铁氧体磁芯绝缘介质图1-2传输线结构图当磁场幅度大于铁氧体材料饱和磁场的TEM波沿铁氧体传输线传播，而且磁场的变化速度时大于时，在铁氧体传输线中就形成了冲击电磁波。当磁场的变化速度较慢时，在非线性传输线中就形成了以具有稳定波阵面为特征的所谓“纯”波。在大功率毫微秒脉冲功率形成技术中，磁场的幅度和变化速度足以形成冲击波.对于1维的传输线可建立如下方程： （6） （7）其中，、为单位元的电容和电感值，i为电流，v为电压，其中为单位磁通。而 （8）其中，为磁矩的圆周方向的分量，它是一个与磁场强度正相关的量。由（6），（7），（8），脉冲陡度决定于电流梯度，脉冲电流陡度取决于电压梯度，而电流决定于磁矩。可以看出铁氧体传输线的工作过程，是磁芯的磁矩在激励-退化-进动的过程，同时，这个进动过程也改变了脉冲电流的传播，它们相互影响，逐渐地将脉冲陡化，是一个渐变的过程。这里可以看出脉冲陡度受的影响，但它不是全部的决定因素。传输线的材料，磁介质的影响更大。基于传输线的脉冲陡化是基于磁性的存储和释放的物理过程，与磁开关基于电感的突变有本质的区别。由于进动过程的连续性，它能够获得更高的脉冲陡度，成本也很高。3.基于火花间隙或火花开关的脉冲陡化技术基于火花间隙或火花开关的脉冲陡化是一种比较传统的方法。由于火花开关的耐压值比较小，在大功率或超大功率的脉冲功率技术中很少应用。其陡化电路原理可如下图所示：图1-3 火花开关的脉冲触发电路首先，正弦半波对进行充电，点火触发开通第一级球隙，产生一个比较陡的冲击电压波，再利用陡化球隙进一步提高冲击电压波的陡度。其等效回路可以简化为：图1-4触发电路的简化电路充电部分等效为1个电容，1个电感。是1个陡化开关，初始阶段，闭合，此时处于断开状态，电源先对充电。由于，回路中先形成一个振荡： （9）电容器上建立电压 （10）此后为闭合为放电阶段，、很大时放电回路输出电压波形为： (11)其中，,分别为上升和下降沿的时间。显然下降沿时间较缓慢，只要电感L取合适的值，能够得到上升时间不错的脉冲波。二、几种脉冲陡化技术对比基于气体火花间隙的脉冲陡化实际上依旧是有感负载的放电过程，只不过相较与磁开关而言，这里没有建立磁通，也就没有了磁饱和的概念，而火花开关的闭合比较依赖于放电电压，而且它的耐流强度也不高。使得这个发生器通常只能产生不超过千安级别的脉冲。通常火花开关的导通需要一定的延时，抖动会比较大。如果导通的时间比较就失去了陡化的效果。另外，脉冲的陡度比较依赖电感的值、火花开关也有明显的工作电压区域，脉冲陡度是受到限制的。不过火花开关成本较低，可以通过调整火花间隙的距离来改变导通的时间，陡化回路也比较简单。适应于低压低陡度长时脉冲的场合。基于磁开关的脉冲陡化技术可以满足高压高频脉冲陡化的要求，输出脉冲的尖峰值主要取决于负载等效电容的大小。脉冲的陡度同样决定于电感值。但是相较于火花开关而言，磁开关具有更高的可靠性，而且它从非饱和过度到饱和的过程较火花开关而言更加快速，受电压的影响较小。所以它能够产生高压的脉冲。但是，如果磁开关的非饱和电感没有远大于其饱和电感时，陡话效果是不理想的。另外，磁开关的参数需要设计的十分精确，当导通时间控制得当时可以得到比较理想的脉冲。它适用与高压脉冲功率中。基于铁氧体传输线的脉冲陡化技术其物理过程较为复杂，本人还没有弄清它的原理。可以确定的是，其陡化效果是取决于传输线的轴向励磁。另外传输线的尺寸对脉冲压缩有很大的影响。一般而言，传输线的横向尺寸越小，长度越长陡化效果越明显。另外输入电压越高，陡化效果越好。这是一点很好的性质，对于高压高陡度的脉冲功率问题，铁氧体传输线有很大的应用空间。但是基于铁氧体传输线的脉冲陡化具有高的能量损失的特点，这就要求输入的功率很大。另外，如果需要产生亚纳秒级的脉冲前沿，传输线要做得很长，成本也会比较大。但是它能够产生高压高陡度脉冲的特点还是很有诱惑力的。三、学习脉冲功率的收获由于本人本科不是电气或者相关专业的学生，学习的时候感到很吃力。课程里面很多地方我都没有弄懂，不过还是有很多收获。大概了解了一些脉冲发生、陡化及应用的相关知识。对很多电气元件也有了一定的认识。在完成课程的研讨课题的过程中，对一些电路的仿真和分析也学习了很多，这对于我今后的科研和学习有很大的帮助。由于本人能力有限，在本文中很多总结有我的主观成分，对脉冲功率的理解还不够深入，今后需要更多的了解相关的知识，很感谢两位老师的教学，在接下来的工作中我会着重学习复杂电路的仿真分析过程，能对各种脉冲电路原理作正确认识并且进行优化。参考文献1 李登云,邱爱慈,孙凤举,曾江涛,刘轩东. 100 kV触