發(fā)布時(shí)間：2021-12-02所屬分類：工程師職稱論文瀏覽：1次
摘 要： 摘要:采用充電直流電源為600V的晶閘管作為電路開關(guān)元件，利用串聯(lián)并聯(lián)相結(jié)合的Marx發(fā)生器結(jié)構(gòu)，設(shè)計(jì)一種應(yīng)用于長(zhǎng)磁透鏡的大電流脈沖發(fā)生器.利用晶閘管電流驅(qū)動(dòng)特性，將門極通過穩(wěn)流電感及限流電阻接地構(gòu)成自觸發(fā)結(jié)構(gòu).模擬了電路輸出及各級(jí)晶閘管自觸發(fā)波形，在負(fù)載電阻
摘要:采用充電直流電源為600V的晶閘管作為電路開關(guān)元件，利用串聯(lián)并聯(lián)相結(jié)合的Marx發(fā)生器結(jié)構(gòu)，設(shè)計(jì)一種應(yīng)用于長(zhǎng)磁透鏡的大電流脈沖發(fā)生器.利用晶閘管電流驅(qū)動(dòng)特性，將門極通過穩(wěn)流電感及限流電阻接地構(gòu)成自觸發(fā)結(jié)構(gòu).模擬了電路輸出及各級(jí)晶閘管自觸發(fā)波形，在負(fù)載電阻為500mΩ、負(fù)載電感為1.14mH時(shí)，輸出電流幅值為-1.1kA、寬度為2.68ms的脈沖.將該電流脈沖用于激勵(lì)長(zhǎng)磁透鏡，獲得持續(xù)時(shí)間為1.2ms、強(qiáng)度高于0.6T的磁場(chǎng).研究充電電壓、儲(chǔ)能電容及電路并聯(lián)級(jí)數(shù)等對(duì)脈沖電流幅值和寬度的影響，當(dāng)充電電壓增大時(shí)，脈沖電流變大，寬度不變;當(dāng)儲(chǔ)能電容值增大、并聯(lián)級(jí)數(shù)增大時(shí)，脈沖電流幅值變大，寬度變寬.
關(guān)鍵詞:電路與系統(tǒng);自觸發(fā);Marx發(fā)生器;并聯(lián)Marx;晶閘管;長(zhǎng)磁透鏡
脈沖功率技術(shù)通常使用儲(chǔ)能元件將較低功率的能量?jī)?chǔ)存，然后在極短時(shí)間內(nèi)釋放出來，從而產(chǎn)生超高功率脈沖[1-3].脈沖功率技術(shù)是國(guó)防科技的重要技術(shù)基礎(chǔ)，廣泛應(yīng)用于脈沖雷達(dá)、慣性約束聚變及時(shí)間展寬分幅相機(jī)等領(lǐng)域.近年來，該技術(shù)被逐漸應(yīng)用于環(huán)境工程和醫(yī)學(xué)工程，如水利工程、繁殖植物種苗及結(jié)石破碎等[4-5].
隨著慣性約束核聚變研究的深入，要求X射線分幅相機(jī)的時(shí)間分辨率小于30ps，而目前實(shí)用X射線分幅相機(jī)時(shí)間分辨率為60～100ps，無法滿足上述要求[6].2010年，美國(guó)LawrenceLivermoreNationalLaboratory(LLNL)應(yīng)用電子束脈沖展寬技術(shù)，成功研制出時(shí)間分辨率為5ps的分幅相機(jī)[7].該相機(jī)首先利用電子束脈沖展寬技術(shù)對(duì)電子束團(tuán)進(jìn)行時(shí)間寬度展寬，再用傳統(tǒng)微通道板(microchannelplate，MCP)變像管對(duì)時(shí)間展寬后的電子束團(tuán)進(jìn)行測(cè)量，從而獲得高時(shí)間分辨率[8].然而，從光電陰極到MCP有一段長(zhǎng)度為50cm的漂移區(qū)，電子束團(tuán)在漂移區(qū)運(yùn)動(dòng)時(shí)會(huì)在空間發(fā)散，影響了相機(jī)的空間分辨率.為防止電子束漂移時(shí)過度發(fā)散，需要長(zhǎng)磁透鏡對(duì)電子束進(jìn)行約束，提高空間分辨率[9].由于焦耳熱效應(yīng)，長(zhǎng)磁透鏡無法長(zhǎng)時(shí)間工作在大電流環(huán)境，故需要采用大電流脈沖對(duì)其進(jìn)行激勵(lì)，使其產(chǎn)生強(qiáng)磁場(chǎng)[10].
本研究采用Marx串聯(lián)與并聯(lián)相結(jié)合的電路結(jié)構(gòu)，設(shè)計(jì)應(yīng)用于長(zhǎng)磁透鏡的大電流脈沖發(fā)生器.傳統(tǒng)Marx發(fā)生器的核心思想是對(duì)多個(gè)電容進(jìn)行并聯(lián)充電，通過開關(guān)技術(shù)將其串聯(lián)起來，對(duì)負(fù)載直接放電以獲得高電壓脈沖輸出[11].這種設(shè)計(jì)雖然可以提升輸出電壓幅度，在一定程度上提高電流幅值，但同時(shí)也會(huì)降低輸出脈沖寬度[12]，難以獲得時(shí)間寬度及電流峰值均較大的脈沖電流.采用多路Marx并聯(lián)放電結(jié)構(gòu)，可以通過減小電路等效內(nèi)阻提高輸出電壓幅值[13]、增大等效電容增加輸出脈沖寬度，并同時(shí)獲得較大的時(shí)間寬度及峰值電流;并聯(lián)結(jié)構(gòu)還能起到分流保護(hù)的作用，降低流經(jīng)每一路開關(guān)元件的電流.本研究Marx脈沖發(fā)生器選擇大功率晶閘管作為開關(guān)元件，具有電流觸發(fā)，阻斷電壓高，通流能力強(qiáng)，導(dǎo)通損耗小等特點(diǎn)[14].設(shè)計(jì)上利用晶閘管電流驅(qū)動(dòng)特性，將門極通過穩(wěn)流電感以及限流電阻接地，當(dāng)晶閘管陰極為負(fù)電位時(shí)自動(dòng)導(dǎo)通.這種設(shè)計(jì)免去第1級(jí)外晶閘管的驅(qū)動(dòng)電路，節(jié)省電路開發(fā)成本，壓縮電路體積.本研究設(shè)計(jì)的大電流脈沖發(fā)生器，輸出脈沖電流幅值為-1.1kA、寬度為2.68ms，將其用于激勵(lì)長(zhǎng)磁透鏡可獲得0.6T的磁場(chǎng).
1電路結(jié)構(gòu)及原理
1.1電路自觸發(fā)原理
大電流脈沖發(fā)生器的電路結(jié)構(gòu)如圖1，模擬和測(cè)試所使用的負(fù)載為磁透鏡的等效電感1.14mH和等效電阻500mΩ.在觸發(fā)信號(hào)沒有到來時(shí)，所有晶閘管處于關(guān)斷狀態(tài)，采用大小為HV的直流電源給各支路電容充電，當(dāng)電容充滿時(shí)，回路電流為0A，電容兩端電壓與直流電源電壓大小相等.
由于并聯(lián)脈沖電路的脈沖產(chǎn)生機(jī)理相同，故先分析位于圖1下方的第1條支路，如圖2.當(dāng)觸發(fā)信號(hào)到來時(shí)，觸發(fā)信號(hào)作用在第1級(jí)晶閘管S11的門極上，產(chǎn)生導(dǎo)通電流(如圖2藍(lán)線)，使S11導(dǎo)通.
圖3為第1級(jí)開關(guān)導(dǎo)通回路.S11陽極和陰極之間的壓降迅速?gòu)腍V降到0V，使第1級(jí)電容C11上端的電位也迅速降到0V，下端因感應(yīng)而產(chǎn)生-HV的電勢(shì).由于支路電阻R11取值較大，支路分流較小，可視為斷開.則晶閘管、電容與負(fù)載等形成導(dǎo)通回路，如圖3紅線所示.
圖4為第2級(jí)開關(guān)觸發(fā)電流電路圖.第2級(jí)晶閘管S12門極通過穩(wěn)流電感L11和限流電阻R13與地相連;當(dāng)C11下端電位降到-HV時(shí)，S12的門極與陰極產(chǎn)生壓降，獲得觸發(fā)電流(如圖4藍(lán)線)，從而使第2級(jí)晶閘管導(dǎo)通，則第2級(jí)晶閘管S12導(dǎo)通回路如圖5紅線所示.
圖6為第3級(jí)開關(guān)導(dǎo)通回路電路圖.同理，第3級(jí)S13也導(dǎo)通.最終單條支路，3個(gè)電容串聯(lián)，在輸出回路產(chǎn)生幅值為-3HV的電壓脈沖，放電回路導(dǎo)通，導(dǎo)通回路如圖6紅線所示.導(dǎo)通過程中，電容給負(fù)載電感和負(fù)載電阻放電.隨著電容電量的消耗，電容兩端電壓逐漸減小至0V，回路電流也逐漸減小至0V，晶閘管重新關(guān)斷，恢復(fù)至開始充電狀態(tài).
2模擬結(jié)果及分析實(shí)驗(yàn)
2.1輸出電壓和電流波形
使用Protues仿真軟件，搭建3級(jí)串聯(lián)3路并聯(lián)Marx脈沖發(fā)生器電路，在負(fù)載電阻500mΩ、負(fù)載電感1.14mH、充電直流電壓600V及儲(chǔ)能電容1500μF條件下，測(cè)量電路產(chǎn)生的輸出電壓與電流脈沖波形，搭建電路結(jié)構(gòu)如圖8.采用型號(hào)為70tps12的晶閘管作為脈沖發(fā)生器的開關(guān)元件.該器件具有高達(dá)1.2kV的斷態(tài)重復(fù)峰值電壓，正向浪涌電流為1400A.串聯(lián)回路的單級(jí)充電電壓為600V，儲(chǔ)能電容選用1500μF的電解電容.
圖9為Marx脈沖發(fā)生器輸出電壓與電流波形.其中，輸出電壓幅值為-1.7kV、半高寬(fullwidthathalfmaximum，F(xiàn)WHM)為1.22ms;輸出回路電流峰值為-1.1kA、半高寬為2.68ms.為觀察電路自觸發(fā)過程，對(duì)各級(jí)電容下極板電壓進(jìn)行采樣，得到各級(jí)晶閘管導(dǎo)通時(shí)脈沖前沿以及峰值變化曲線，如圖10.由圖10(a)可見，第1、2級(jí)晶閘管的導(dǎo)通時(shí)間相差750ns，第2、3級(jí)晶閘管的導(dǎo)通時(shí)間相差931ns.由圖10(b)可見，各級(jí)電容輸出電壓逐級(jí)遞增，且相差接近600V，與理論分析結(jié)果相符.
2.2充電電壓與輸出電流關(guān)系
在3級(jí)串聯(lián)3路并聯(lián)Marx脈沖發(fā)生器電路中，負(fù)載電阻為500mΩ，負(fù)載電感為1.14mH，改變充電直流電壓，可獲得不同直流電壓下的電流波形.圖11為輸出電流脈沖的峰值和半高寬隨充電直流電壓的變化曲線，其中，電壓由100V增加到1100V.由圖11(a)可見，當(dāng)充電直流電壓增大時(shí)，輸出電流脈沖的峰值也在增大，當(dāng)儲(chǔ)能電容為1500μF、充電電壓達(dá)570V時(shí)，輸出電流脈沖峰值達(dá)到1kA，平均脈沖寬度為2.67ms;當(dāng)儲(chǔ)能電容為1000μF時(shí)，充電電壓則需要達(dá)到680V，輸出電流脈沖峰值才能達(dá)到1kA，平均脈沖寬度為2.17ms.由圖11(b)可見，兩條曲線沒有發(fā)生大幅度變化，表明脈沖寬度與電壓大小無關(guān).
相關(guān)期刊推薦：《深圳大學(xué)學(xué)報(bào)理工版》(雙月刊)1984年12月創(chuàng)刊，主要刊登【電子與信息科學(xué)】、 【光電工程】、【土木建筑工程】、【交通物流】、 【生物工程】、【環(huán)境與能源】、【化學(xué)與化工】、【材料科學(xué)】、 【數(shù)學(xué)與應(yīng)用數(shù)學(xué)】和【物理與應(yīng)用物理】等領(lǐng)域的研究論文、綜述及學(xué)術(shù)快報(bào)。
因此，在儲(chǔ)能電容一定的條件下，充電直流電壓值與輸出電流脈沖峰值呈正相關(guān)，與式(2)的結(jié)論一致;脈沖寬度與式(2)中的三角函數(shù)項(xiàng)相關(guān)，而在負(fù)載電感和負(fù)載電阻固定的情況下，此項(xiàng)僅與儲(chǔ)能電容相關(guān)，故電壓改變無法改變脈沖寬度.
2.3儲(chǔ)能電容值與輸出電流關(guān)系
采用3級(jí)串聯(lián)3路并聯(lián)的Marx脈沖發(fā)生器電路，通過改變電路中儲(chǔ)能電容值，分別測(cè)量輸出電流脈沖的峰值與寬度.圖12為輸出電流脈沖的峰值和半高寬隨儲(chǔ)能電容值從200μF增至1500μF的變化曲線.從圖12(a)可見，當(dāng)儲(chǔ)能電容值提高時(shí)，輸出電流脈沖的峰值增大，當(dāng)直流電壓為1000V、儲(chǔ)能電容達(dá)到430μF時(shí)，輸出電流脈沖峰值達(dá)到1kA;當(dāng)直流電壓為600V，充電電壓則需要達(dá)到1200μF時(shí)，輸出電流脈沖峰值才能達(dá)到1kA.由圖12(b)可見，儲(chǔ)能電容值與輸出電流脈寬呈正相關(guān)，不同電壓條件下，脈沖寬度曲線高度重合，進(jìn)一步說明脈寬與充電直流電壓值無關(guān).
圖12(a)中2條曲線的增長(zhǎng)率隨儲(chǔ)能電容值的增加不斷減小，曲線趨于平緩.在200～400μF段的平均增長(zhǎng)率為46.7%，而在1200～1400μF段的平均增長(zhǎng)率下降到約8%，且不同電壓條件下增長(zhǎng)率變化趨勢(shì)一致，表明通過增大儲(chǔ)能電容值來增加脈沖發(fā)生器輸出電流的方法具有一定局限性.
2.4并聯(lián)級(jí)數(shù)與輸出電流關(guān)系
為測(cè)定不同并聯(lián)級(jí)數(shù)對(duì)輸出電流波形的影響，在單路為3級(jí)串聯(lián)的條件下，實(shí)驗(yàn)測(cè)量1～5級(jí)并聯(lián)電路的輸出電流脈沖波形.圖13為不同儲(chǔ)能電容值條件下，脈沖發(fā)生器輸出電流脈沖峰值和脈沖寬度隨并聯(lián)級(jí)數(shù)的變化曲線.可見，輸出電流峰值與脈沖寬度均隨電路并聯(lián)級(jí)數(shù)的增加而逐漸提高，與改變儲(chǔ)能電容值實(shí)驗(yàn)時(shí)的變化趨勢(shì)相似，圖13(a)和(b)中的曲線增長(zhǎng)率均逐漸減小，這是由于改變并聯(lián)級(jí)數(shù)等效于增加并聯(lián)電容數(shù)量，從而增加了電路的等效電容值，故增加并聯(lián)級(jí)數(shù)與增加儲(chǔ)能電容值，對(duì)電路輸出的影響相似.采用Marx并聯(lián)結(jié)構(gòu)，不僅可以減小輸出回路內(nèi)阻，提高帶載能力，還可以提高輸出回路的等效電容，提高輸出電流值和脈沖寬度.
2.5脈沖激勵(lì)磁透鏡產(chǎn)生磁場(chǎng)
長(zhǎng)磁透鏡可以等效為一個(gè)螺線管，其結(jié)構(gòu)如圖14.其中，l為螺線管長(zhǎng)度;r為螺線管的半徑;z為管內(nèi)某點(diǎn)與螺線管中心點(diǎn)o的軸向距離.通電時(shí)，螺線管在內(nèi)部某一點(diǎn)產(chǎn)生的磁場(chǎng)強(qiáng)度為[16]其中，μ0為真空中的磁導(dǎo)率;n為螺線管單位長(zhǎng)度匝數(shù);I為激勵(lì)電流大小.仿真實(shí)驗(yàn)中采用的磁透鏡螺線管r=5cm，l=50cm，I取脈沖發(fā)生器輸出電流峰值1.1kA.依次模擬電流下降90%～60%時(shí)的磁場(chǎng)變化，根據(jù)式(4)計(jì)算得到不同位置的磁感應(yīng)強(qiáng)度變化曲線，如圖15(a).可見，當(dāng)激勵(lì)電流為1100A時(shí)，磁透鏡中心位置磁感應(yīng)強(qiáng)度為0.68T;在磁透鏡5～45cm內(nèi)，磁感應(yīng)強(qiáng)度高于0.60T;當(dāng)激勵(lì)電流降至峰值的90%時(shí)，中心位置磁感應(yīng)強(qiáng)度為0.61T;在磁透鏡10～40cm內(nèi)，磁感應(yīng)強(qiáng)度高于0.60T;當(dāng)激勵(lì)電流低于峰值的90%時(shí)，磁透鏡內(nèi)磁場(chǎng)總體低于0.60T.
激勵(lì)電流取脈沖發(fā)生器的輸出電流脈沖，并在磁透鏡的5～25cm內(nèi)取樣，得到磁透鏡不同位置磁感應(yīng)強(qiáng)度隨時(shí)間的變化曲線，如圖15(b).其中，磁透鏡的中心位置為25cm.可見，在15～25cm內(nèi)，磁場(chǎng)變化相近，且在0.9～2.3ms，強(qiáng)度高于0.60T，時(shí)間寬度為1.4ms;在10cm處，強(qiáng)度高于0.60T的時(shí)間寬度降到1.2ms;在5cm處，磁場(chǎng)僅在峰值處達(dá)到0.60T，與圖12結(jié)果一致。
結(jié)語
本研究設(shè)計(jì)一種可用于感性負(fù)載的Marx串并聯(lián)脈沖發(fā)生器電路.電路為3級(jí)串聯(lián)及3路并聯(lián)結(jié)構(gòu)，采用直流電源600V充電，儲(chǔ)能電容為1500μF.在負(fù)載電感為1.14mH、負(fù)載電阻為500mΩ時(shí)，輸出幅值為-1.1kA、寬度為2.68ms的電流脈沖.分析電路自觸發(fā)過程，第1、2級(jí)晶閘管的導(dǎo)通時(shí)間相差750ns，而第2、3級(jí)晶閘管的導(dǎo)通時(shí)間相差931ns.采用該電流脈沖激勵(lì)長(zhǎng)磁透鏡產(chǎn)生持續(xù)時(shí)間為1.2ms、強(qiáng)度高于0.60T的脈沖磁場(chǎng).研究影響輸出電流峰值和脈沖寬度的因素.模擬結(jié)果表明，提高充電直流電壓值可提高輸出電流脈沖峰值，對(duì)脈沖寬度影響不大，這種方式受限于實(shí)際使用條件及所采用電容的耐壓值;采用容值更高的儲(chǔ)能電容不僅可以提高輸出電流脈沖幅值，還能提高其脈沖寬度，但同樣受制于實(shí)際采用的電容值;通過引入Marx并聯(lián)結(jié)構(gòu)方式，可彌補(bǔ)實(shí)際使用時(shí)的缺陷，提高電路帶載能力.設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)根據(jù)實(shí)際情況，將上述方式相結(jié)合，互相彌補(bǔ)缺點(diǎn)，以達(dá)到實(shí)際使用要求.——論文作者：鄧珀昆，蔡厚智，龍井華，王東，雷云飛，黃峻堃，王勇，劉進(jìn)元
