基于螺旋型blumlein形成线的脉冲变压器设计

基于螺旋型blumlein形成线的脉冲变压器设计

0高压脉冲变压器高频率脉冲压延一直是脉冲压延技术研究的重要组成部分。近年来，几种脉冲压延器都被开发出来，比如俄罗斯开发的sinus系列lagoon-key。高功率带绕式空心脉冲变压器因其结构简单、体积小、重量轻等优点而广泛应用于高功率脉冲调制器中,西北核技术研究所、国防科技大学、中物院等单位都进行了相关研究。但带绕式空心脉冲变压器耦合系数较小,能量效率低,为此发展了带开路磁芯的带绕式高功率脉冲变压器,国防科技大学开展了相关研究,其耦合系数达到了0.87。螺旋型脉冲形成线比普通同轴形成线相同的长度可获得更宽的脉冲宽度,因此引起了广泛的关注,俄罗斯大电流所以及国内的西北核技术研究所、国防科大、中国工程物理研究院等单位对此进行了研究[7,8,9,10,11,12,13,14],都取得了一定的成果,但离想要的性能指标还有差距,不能同时满足低阻抗、长脉宽、高输出功率的要求。笔者采用高压脉冲变压器结合螺旋型Blumlein形成线的技术路线,设计了一种适用于低阻抗负载的高压脉冲功率源,以高压脉冲电容器为初始储能装置,由电容器对脉冲变压器初级放电,在次级获得高压输出,次级对螺旋形成线充电,再通过自击穿开关对负载放电,在负载上获得高峰值功率的长脉冲输出。其独特之处在于螺旋Blumlein线中筒采用多根螺旋带并绕的方式构成,选择适当的螺旋角同时实现了脉宽加长和低阻抗形成线的目的;对脉冲变压器绕组采用匀场环有效降低绕组边沿电场集中效应,减小高压绕组发生匝间击穿的概率;螺旋线内部采用等场强设计原则,充分利用形成线的绝缘空间,并对内筒、中筒的过渡段采用电场模拟进行匀场优化设计,在较小的空间内实现高电压脉冲的产生和传输。1带绕式脉冲压的设计1.1高压脉冲变压器磁芯设计为了使磁芯工作时不饱和,磁芯选用具有高饱和磁感应强度、低剩余磁感应强度、高的脉冲磁导率、损耗小的铁基非晶态材料。闭合磁芯的截面积为式(1)中:ΔB为磁感应强度变化量,T;U(t)为脉冲电压幅值,V;N为变压器绕组匝数;SC为磁芯的截面积,cm2。式(1)中计算得到的磁芯截面积会比较大,且闭合磁芯不利于高压脉冲变压器的绝缘设计。因此采用开路磁芯,形状为圆柱形,置于脉冲变压器的中空部位,磁路中有相当大部分是空隙,其磁阻很大,使部分磁通形成漏磁通不通过磁芯,由此磁芯的截面积可根据设计需要适当减小。开路磁芯的变压器耦合系数比闭合磁芯的会小一些,但根据文介绍可以达到0.9以上,可满足设计要求。1.2变压器耦合系数k变压器初级回路的杂散电感约为300nH,为了尽量利用电容器的初始储能以及在次级输出足够高的电压,选择次级电感L1为3μH;为了缩短脉冲形成线的充电时间和提高能量转换效率,脉冲变压器耦合系数k必须大于0.85;另外根据要求,储能电容充电70kV时,变压器次级输出电压峰值需达到700kV以上。脉冲变压器回路等效电路及模拟结果见图1、2,初级电感L1为3μH时,选择次级电感L2为400μH,当电容器充电70kV时,变压器次级输出电压U2第1峰值可达720kV,满足设计要求。1.3变压器氢脆内压设计磁芯材料为铁基非晶态材料,ΔB为1.5T,根据模拟结果由式(1)计算磁芯截面积。为了整个变压器的绝缘考虑,设计初级绕组在外层,次级绕组在内,高压输出端为最内层绕带的端部。为了不让磁芯带电,在磁芯外面采用绝缘强度很高的高分子聚乙烯作为绝缘材料,其耐压强度为50kV/mm,用3cm厚的高分子聚乙烯来保证耐压可靠性。初次级绕组均采用宽120mm、厚0.2mm的变压器专用铜带,匝间采用多层厚度0.2mm的高分子聚乙烯薄膜绝缘,每层击穿电压大于15kV,层数由匝间电压决定。初次级空心绕组的电感可根据式(2)、(3)估算,据文介绍,加入开路磁芯后,绕组电感估计能增加20%。式(2)、(3)中:μ0为真空磁导率;l为绕组宽度;N为绕组匝数;r1为绕组内半径;r2为绕组外半径。最终设计初级2.5匝,次级30匝,最大外径480mm,长度300mm,不带磁芯耦合系数为0.75,带开路磁心耦合系数约0.88。为了匀化绕组端部的电场分布,在绕组内外层两端分别设计了6个匀场环,匀场环的最外段设计为圆弧型,此外因为磁芯材料具有一定的电导性,使磁芯两端均超出绕组两端一定宽度,对绕组端部电场起到一定程度的匀化作用。图3为变压器结构简图,图4为变压器最高输出电压750kV时绕组附近的电场分布。由图3、4可见,经过匀场设计后绕组端部没有明显的电场集中现象,降低了匝间击穿的可能性。2螺旋部的形成线设计2.1脉冲波形的形成线为了充分利用径向绝缘尺寸,选择等场强设计,即式(4)、(5)中:E1+为内筒外表面工作场强,kV/cm;E2+为外筒内表面工作场强,kV/cm;UB为中筒充电电压,kV;r1、r2、r3分别为内筒、中筒、外筒的半径,cm。为了得到较好的脉冲波形,要求阻抗匹配为式(6)中:ZS1为螺旋Blumlein脉冲形成线(B-PFL)内线阻抗,Ω;ZS2为螺旋B-PFL外线阻抗,Ω;ZD为负载阻抗,Ω。利用螺旋B-PFL与普通B-PFL的阻抗转换关系,得式(7)、(8)中:Z1为普通B-PFL内线阻抗,Ω;Z2为普通B-PFL外线阻抗,Ω;φ为螺旋B-PFL的螺旋角。为了有效压缩轴向长度和控制形成线阻抗,选择螺旋角φ=60°,则可导出相同内外径的普通B-PFL内线阻抗Z1和外线阻抗Z2的大小,笔者将负载阻抗设计为10Ω,即Z1=3.4Ω,Z2=1.6Ω。2.2外筒内半径的确定为了在螺旋B-PFL的负载上得到脉冲宽度为τs高压脉冲,根据螺旋B-PFL与普通B-PFL的脉冲宽度的转换关系τs=τ/cosφ,其中φ=60°,即τ=0.5τs,笔者将τs设计为80ns,对应的普通B-PFL的脉冲宽度τ即为40ns。该形成线采用水介质,由此可知螺旋Blumlein形成线均匀段的长度L=(1/60)τ=0.67m。外筒内半径根据实际需要确定为295mm,已知外线阻抗1.6Ω、内线阻抗3.4Ω,根据同轴线阻抗计算公式式(9)中:r0为外筒半径,cm;ri为内筒半径,cm;εr为绝缘介质的相对介电常数。可计算中筒、内筒半径分别为230mm、130mm。根据计算可知,螺旋线从起点到终点旋转约0.8周,在圆柱筒上开单根螺旋槽将无法达到电压波沿螺旋方向行进的效果,因此在圆柱型中筒上均匀分布多根螺旋槽尽量使电压波沿螺旋方向行进,也可理解为多根同规格螺旋带圆周上均匀分布、同向并绕两端并联,从而形成螺旋型中筒。2.3电极电场作用面积及强度根据J.C.马丁的击穿场强经验公式式(10)、(11)中:F+为正电极击穿场强,MV/cm;F-为负电极击穿场强,MV/cm;teff为电压有效作用时间,指脉冲大于63%峰值的时间,μs;A-为负电极电场作用面积,cm2;A+为正电极电场作用面积,cm2;α为场增强修正因子,α=1+0.12[(Emax-Emin)-1]0.5。根据同轴线的工作场强公式(4)、(5)以及安全系数公式k=E/F,可计算出在不同充电电压时,内、中、外筒表面的安全系数,根据笔者设计尺寸,当中筒电压峰值为-700kV、有效作用时间1.6μs时,外筒内表面安全系数为0.84、内筒外表面安全系数为0.85、中筒内表面安全系数为0.22、中筒外表面安全系数为0.46。3空心脉冲变压器脉冲形成线充放电性能脉冲功率源整体结构设计见图5,包括脉冲电容器、主开关、脉冲变压器、放电开关、螺旋形成线,总设计长度约2.3m,直径约0.6m。为了实现低阻抗传输以及适当增加输出脉冲宽度,采用多根螺旋带并绕与轴线呈60°夹角的结构,见图6。该脉冲功率源的等效电路图见图7,图7中C1为脉冲电容;L1、R1分别为初级回路电感和电阻;S1为初级回路放电开关,采用外触发;C2为次级绕组电容;S2为脉冲形成线放电开关,为了便于调节自击穿电压采用气体间隙开关,置于螺旋形成线内;R2、L2、C3为开关电阻、电感和电容;T1为螺旋Blumlein线的内线,内筒接负载;T2为螺旋Blumlein线外线,外壳接地线;L4为内筒的接地电感,要求形成线充电时其感抗尽量小,而放电时感抗尽量大,笔者根据形成线充放电频率和负载阻抗大小设计接地电感为6μH;L3和C4为功率输出结构的电感和电容;R3为负载阻抗。根据功率源等效电路图7进行仿真计算,见图8,初始储能电容充电70kV时,脉冲变压器次级输出电压U1达到705kV,而负载电压U2达到652kV,脉冲前沿28ns,半高宽95ns。采用空心脉冲变压器对该脉冲功率源进行了初步实验调试,结果表明:初级电容充电50kV时,变压器次级输出电压,即形成线的充电电压U1峰值达到约400kV,在约8Ω阻抗负载(R3)上输出电压UR峰值350kV、半高宽105ns、前沿30ns、电流峰值42.5kA,见图9。由于脉冲变压器没有磁芯造成耦合系数和励磁电感降低,使得变压器的升压能力降低,而螺旋形成线的输出脉宽与设计结果基本一致,只是由于中筒和内筒的过渡段使得实际形成线电长度约增加5ns,导致调试中输出脉宽增加了10ns。4功率脉冲源测试设计的紧凑型脉冲功率源主要由脉冲电容器、带绕式脉冲变压器和螺旋型Blumlein形成线构成,由于该脉冲功率源采用脉冲变压器升压,并由螺旋B线实现脉冲整形,整体结构比由MARX发生器和普通脉冲形成线构成的高功率脉冲源紧凑、体积小,整个装置长度小于2.5m、直径小于0.6m。具体介绍了脉冲变压器和螺旋形成线的设计方法,理论估算该功率源充电70kV时可在10Ω阻抗负载上输出脉冲电压峰值大于