超宽谱高功率微波驱动的磁芯小型化

超宽谱高功率微波驱动的磁芯小型化

随着高能率微波技术的发展，la压缩式微波源具有单元大、体积小、结构紧凑、重复频率高等特点，得到了广泛应用。降低初路电流的工作压力，使初路电路的控制相对容易。缺点是结构复杂，技术难度高。与一般的脉冲变压器不同,Tesla变压器引入了两个同轴的圆柱状开路磁芯——内磁芯和外磁芯,分别安装在脉冲形成线的内外筒上,初次级线圈均置于脉冲形成线内部,这样Tesla变压器初次级线圈、内外磁芯和脉冲形成线构成了一体化的同轴结构,因而Tesla变压器型脉冲源实际上是将脉冲变压器与脉冲形成线在几何结构和物理功能上紧密结合而得到的。Tesla变压器工作时,在绕制于外磁芯内壁上的初级线圈中产生脉冲电流,该电流在内外磁芯及它们所处的磁路上产生磁场,进而在次级线圈上感应出脉冲电压。作为耦合器件,两个回路的振荡互相耦合,实现能量的传递,因此Tesla变压器又称双谐振变压器。俄罗斯强流电子学研究所最早利用开路磁芯将变压器与脉冲形成线紧凑地结合在一起,实现了高压脉冲产生与形成一体化,国内多家单位也在Tesla型脉冲源研究方面取得了很大进展。本文首先将Tesla变压器与Blumlein脉冲形成线分开设计,再用合适的方法将二者结合起来,采用此方法研制了一套2×5GW级双路输出脉冲驱动源。1基于双路输出的效率测试随着超宽谱高功率微波驱动源功率的提高,脉冲形成线的绝缘半径就要增加,相应地就要增加脉冲形成线的长度,这就增加了输出脉冲宽度,如果用此脉冲源产生亚纳秒电磁脉冲,其能量转换效率将随功率的提高而降低。在充分分析Tesla变压器原理和Blumlein脉冲形成线结构的基础上提出了一种全新的双路输出技术方案,在不增加脉冲源输入能量和体积重量的情况下,将传统的Blumlein脉冲形成线主开关从端部移至中部,如图1所示,在一台脉冲源上同时产生两个纳秒级短脉冲,将装置能量利用效率提高了一倍,从原理上解决了高功率情况下超宽谱脉冲产生能量转换效率低的技术难题。根据2×5GW的功率设计指标和输出阻抗为50Ω的要求,Blumlein脉冲形成线的结构参数为:外筒内半径r=250mm,中筒外半径r2=165mm,中筒内半径r3=150mm,内筒外半径r4=100mm,形成线长度lf=900mm,双端输出脉冲宽度3ns。2生产工艺计算设备Tesla变压器等效电路如图2所示,设初级回路电容为Cp(初始电压为V0),自感为Lp,杂散电感为Lp1,电阻为Rp,回路电流为Ip;次级回路电容为Cs,自感为Ls,杂散电感为Ls1,电阻为Rs,回路电流为Is;两回路互感为M,耦合系数为k。则初级、次级回路振荡频率分别为ωp=√1(Lp+Lp1)Cp‚ωs=√1(Ls+Ls1)Cs(1)ωp=1(Lp+Lp1)Cp−−−−−−−−√‚ωs=1(Ls+Ls1)Cs−−−−−−−√(1)振荡回路方程1Cp∫Ιpdt+(Lp+Lp1)dΙpdt+ΙpRp-ΜdΙsdt=V0(2)1Cs∫Ιsdt+(Ls+Ls1)dΙsdt+ΙsRs-ΜdΙpdt=0(3)1Cp∫Ipdt+(Lp+Lp1)dIpdt+IpRp−MdIsdt=V0(2)1Cs∫Isdt+(Ls+Ls1)dIsdt+IsRs−MdIpdt=0(3)设α=ω2s/ω2p为次级、初级振荡回路本征频率的失调系数,在理想情况下,即Rp=Rs=0,可求得Tesla变压器次级电压Vs、初级电压Vp分别为Vs=2kV0√(1-α)2+4k2α√Lp+Lp1Ls+Ls1CpCssin(ω1+ω22t)sin(ω1-ω22t)(4)Vp=(12+1k)V0cos(ω1t)+(12-1k)V0cos(ω2t)(5)Vs=2kV0(1−α)2+4k2α√Lp+Lp1Ls+Ls1−−−−−√CpCssin(ω1+ω22t)sin(ω1−ω22t)(4)Vp=(12+1k)V0cos(ω1t)+(12−1k)V0cos(ω2t)(5)其中ω1=√(ω2p+ω2s)+[(ω2p-ω2s)2+4k2ω2pω2s]1/22(1-k2)ω1=(ω2p+ω2s)+[(ω2p−ω2s)2+4k2ω2pω2s]1/22(1−k2)−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−√;ω2=√(ω2p+ω2s)-[(ω2p-ω2s)2+4k2ω2pω2s]1/22(1-k2)ω2=(ω2p+ω2s)−[(ω2p−ω2s)2+4k2ω2pω2s]1/22(1−k2)−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−√;k=Μ√(Lp+Lp1)(Ls+Ls1)。3间隙磁路的设计Tesla变压器采用开路磁芯结构,设初次级线圈长度相等均为lk,磁芯长度为lT,通常取变压器内外筒磁芯截面积相等,设其为S。由于磁芯磁导率远大于空气间隙的磁导率,所以可以近似认为Tesla变压器磁路主要由内外筒磁芯(轴向磁路)和磁芯两端之间的环状气隙(径向磁路)构成,磁芯内磁场强度沿轴向均匀,磁力线沿磁芯和线圈外侧闭合,径向磁场存在于初级线圈边缘至磁芯端部之间,仅为半径的函数,如图3所示。在忽略杂散磁通量、磁场沿磁导体截面的不均匀性及磁芯边沿效应的情况下,整个磁路各个截面上(磁芯内部和间隙中)的磁通量基本相等,根据安培环路定理可求出磁路各部分的磁场,进而可估算出初级、次级线圈的电感分别为Lp=μ0πΝ2p(lΤ-lk)2ln(r1/r2)(6)Ls=μ0πΝ2s(lΤ-lk)2ln(r1/r2)(7)式中:Np,Ns分别为初次级线圈匝数。以上初级次级线圈的电感只是带开路磁芯的理想情况下的估算,还要进一步完善。对于带有开路磁芯的Tesla变压器,设β=r1/r2,Tesla变压器的耦合系数可以表示为k=√1-2r21(β-1)(2β+1)lnβ3β2lk(lΤ-lk)(8)4ta变压器耦合系数线圈制作包括初级和次级两个线圈的绕制。初级线圈是由薄紫铜板制作的单匝线圈,固定在脉冲形成线外筒的内表面,初级线圈参数为:半径r1=250mm,匝数Np=1。次级线圈是一个锥筒形多匝线圈,用漆包线绕在一定长度的线圈支架上,锥形次级线圈位于脉冲形成线中外筒之间,次级线圈大半径端焊接在外筒上,小半径端焊接在中筒上,锥筒形次级线圈参数为:大端半径r01=250mm,小端半径r02=165mm。脉冲源输出电压500kV,考虑到主开关导通较慢及源输出端的阻抗不匹配造成的损耗,Tesla变压器初级电压为1kV,次级线圈峰值电压设计值应达到750kV。在理想情况下,Tesla变压器变比系数η=Ns/Np=750,考虑到多种损耗选Ns=1000匝。在线圈尺寸确定的情况下,磁芯长度越长,则漏磁越少,但实际上磁芯尺寸不可能太长。根据Tesla变压器设计经验,当磁芯长度lT等于初次级线圈长度lk的2倍时,初次级线圈耦合效果较好,因此选择lT=2lk=800mm。根据式(6)和(7),初次级线圈电感估算值为:初级线圈电感Lp=2μH,次级线圈电感Ls=2H。根据脉冲形成线尺寸,可求得次级回路电容(即形成线总电容)为250pF,初级回路电容250μF,这是在理想情况下得到的,与实际情况有一定差别。具体设计时,要做反复验算和调整,最终选为Cp=300~400μF。根据式(8),计算得Tesla变压器的耦合系数为0.95。根据Tesla变压器回路各参数估算值,用Pspice电路模拟软件计算出次级线圈电压波形如图4所示,次级线圈电压最大值约900kV,对应最大值的充电时间为20.4μs。5磁芯材料的选择,根据磁为了提高Tesla变压器的耦合系数,对磁芯材料的选取、磁芯的截面积、制作工艺都有一定的要求:(1)磁导率大;(2)损耗小;(3)饱和磁感应强度Bs大,剩余磁感应强度Br低,以保证磁感应强度有较大的变化范围。选择特制DG6硅钢片,主要参数是:厚度δ=0.08mm,电阻率ρ=0.5×10-6Ω·m,矫顽力Hc=21A/m,饱和磁感应强度Bs=1.8T。磁芯截面积是由磁性材料性能参数、传递能量大小及其快慢等因素确定的。根据电磁感应定律有∫Δt0Vsdt=Ν2ΔBmaxS(9)对于所选磁芯材料,其磁化曲线线性度较好段对应的最大磁感应强度变化量ΔBmax为1.2T。根据图4对Tesla变压器次级线圈电压从起始点时间到最大值时间积分可求出磁芯截面积为77cm2。6磁芯的制作和安装磁芯是Tesla变压器的关键部件,磁芯分为内外两部分,内磁芯覆盖在Blumlein形成线中筒外壁上,外磁芯覆盖在Blumlein形成线外筒内壁上。将磁芯材料制作成长度为900mm、宽度为100mm的硅钢片,均匀粘贴在形成线外筒内壁和中筒外壁上。磁芯制作是Tesla变压器研制中最为困难的技术问题之一。关键是磁芯的成形和硅钢片安装工艺,要求磁芯均匀一致地紧贴在形成线外筒内壁和中筒外壁上,同时要保证表面平滑,不破坏形成线绝缘性能。经过实践摸索,设计了可以达到成型基本要求、便于操作和质量控制的制作、加工模具,实现了磁芯的制作。Tesla变压器和脉冲形成线安装好之后,首先对用于测量Tesla变压器次级线圈电压的电容分压器进行了标定,其分压比为34100。当Tesla变压器初级电容电压为1kV时,次级线圈产生的电压波形如图5所示,次级线圈电压最大值达880kV,充电时间约20μs,与理论计算结果符合较好。7实验指标效果研制了一种最大输出电压880kV