組合開(kāi)關(guān)高功率脈沖調(diào)制電路的研究

朱翼超 陳 宇 高 成 羅根新 邱 爽

（1.解放軍理工大學(xué)工程兵工程學(xué)院，江蘇 南京210007；2.總裝工程兵技術(shù)裝備研究所，江蘇 無(wú)錫214007）

引 言

脈沖功率技術(shù)在強(qiáng)電磁脈沖輻射、等離子體物理、電磁驅(qū)動(dòng)、大功率激光器等現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)領(lǐng)域中都有著極為重要的應(yīng)用［1－2］。爆磁壓縮發(fā)生器，作為脈沖功率驅(qū)動(dòng)源，具有很高的儲(chǔ)能密度，輸出電流可達(dá)兆安量級(jí)，但輸出電壓較低。所以，對(duì)于脈沖功率調(diào)制電路，驅(qū)動(dòng)高阻抗負(fù)載是必不可少的。

以往的脈沖調(diào)制電路主要包括起升壓和阻抗匹配作用的電感儲(chǔ)能元件和脈沖變壓器［3］。脈沖變壓器設(shè)計(jì)時(shí)，不論是初級(jí)繞組還是次級(jí)繞組，其線(xiàn)徑要足夠大以避免熔化，繞組之間應(yīng)保持一定的距離以防止擊穿，從而給脈沖調(diào)制電路結(jié)構(gòu)緊湊化設(shè)計(jì)帶來(lái)較大的難度［4］。而文中采用電爆炸絲和氣體開(kāi)關(guān)的組合式高功率調(diào)制電路，替代脈沖變壓器，實(shí)現(xiàn)了將爆磁壓縮發(fā)生器產(chǎn)生的信號(hào)進(jìn)行壓縮和陡化。在確保其輸出強(qiáng)度和頻率的前提下，該電路便于結(jié)構(gòu)的緊湊化設(shè)計(jì)，適合在系統(tǒng)的小型化設(shè)計(jì)中開(kāi)展應(yīng)用研究。

1.氣體開(kāi)關(guān)

目前，自擊穿式氣體開(kāi)關(guān)的種類(lèi)繁多，主要有球形和平面形，而平面電極的電場(chǎng)分布較均勻，放電通道的形成比較分散，不太穩(wěn)定；球形電極放電通道集中在球形電極的中心面積上，穩(wěn)定性很好，但開(kāi)關(guān)導(dǎo)通時(shí)，通道集中在球頭，燒蝕面積較小，使每個(gè)點(diǎn)的燒蝕情況加重，導(dǎo)致使用壽命縮短［5］。因此，采用的環(huán)形結(jié)構(gòu)氣體開(kāi)關(guān)，理論上既能在一定程度上確保放電通道集中在外環(huán)的邊緣上，又能保證一定的使用壽命，兼顧了球形和平面形電極的性能。

為研究三種結(jié)構(gòu)電極的實(shí)際擊穿特性，掌握氣體開(kāi)關(guān)快速閉合的電氣特性，結(jié)合實(shí)驗(yàn)室現(xiàn)有條件，進(jìn)行了自擊穿靜態(tài)實(shí)驗(yàn)和高壓陡化性能實(shí)驗(yàn)，并對(duì)三種結(jié)構(gòu)開(kāi)關(guān)在工作上百次之后的使用壽命進(jìn)行了比較。

實(shí)驗(yàn)裝置包括直流高壓源、高壓電容器、氣體開(kāi)關(guān)、負(fù)載、氣壓泵、示波器以及分壓器。圖1、圖2、圖3分別是實(shí)驗(yàn)原理圖和實(shí)驗(yàn)裝置實(shí)物圖。直流高壓源的充電電壓可調(diào)，通過(guò)讀取充入的電壓值，方便分析電極的放電電壓；分壓器采用水阻式硫酸銅，具有功率容量大、配置簡(jiǎn)單等特點(diǎn)，經(jīng)標(biāo)定其分壓比為1 249：1；分壓器采集的電壓信號(hào)經(jīng)40dB衰減器后接入示波器，最終得到放電電壓波形。

1.1 自擊穿實(shí)驗(yàn)研究

該實(shí)驗(yàn)的工作過(guò)程是：直流高壓源對(duì)高壓電容器充電，當(dāng)電容器兩端（即開(kāi)關(guān)兩端）電壓達(dá)到自擊穿電壓時(shí)，氣體開(kāi)關(guān)導(dǎo)通，電容器對(duì)負(fù)載放電，通過(guò)直流高壓源可得到電容器的放電電壓。其中，電容器的電容值為8 000pF，負(fù)載的電阻為130Ω.三種開(kāi)關(guān)電極的間隙均為6mm.為了分析開(kāi)關(guān)電極最大電場(chǎng)和平均電場(chǎng)對(duì)自擊穿電壓的影響，將球形電極的最大電場(chǎng)值作為其他兩種電極的最大電場(chǎng)，可求出環(huán)形和平面電極的間隙分別為7.1mm和5.24mm.

為了使電極在較穩(wěn)定的條件下實(shí)驗(yàn)，先將開(kāi)關(guān)在自擊穿條件下工作大約一百次，然后對(duì)開(kāi)關(guān)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，每種情況測(cè)量三次，便可以得到不同結(jié)構(gòu)、不同間隙下的擊穿電壓，實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)如表1所示。

從表1可以發(fā)現(xiàn)：

1）三種結(jié)構(gòu)電極的自擊穿電壓主要由電極的間隙決定，與電極的最大場(chǎng)強(qiáng)值關(guān)系不大，也就是說(shuō)，不同結(jié)構(gòu)電極的間距相同，自擊穿電壓也相同，受電極結(jié)構(gòu)的影響較??；

2）在自擊穿情況下，若電極間隙均為6mm，環(huán)形電極和球形電極產(chǎn)生的電壓波形上升前沿相對(duì)較短，相比之下更適合作為陡化開(kāi)關(guān)的電極結(jié)構(gòu)；

3）隨著電極間距的減小，形成的脈沖波形峰值越高，這可能是不同的自擊穿電壓導(dǎo)致的，因此，下一步針對(duì)相同的放電電壓，分析這三種結(jié)構(gòu)電極產(chǎn)生的電壓脈沖波形。

表1 開(kāi)關(guān)電極自擊穿實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)

1.2 高壓陡化實(shí)驗(yàn)研究

為了分析三種電極在高壓狀態(tài)下對(duì)電壓的陡化程度以及電極間隙對(duì)脈沖波形的影響，開(kāi)展了實(shí)驗(yàn)研究，其工作流程是：首先，氣壓泵對(duì)氣體開(kāi)關(guān)內(nèi)部充入6MPa氮?dú)猓绷鞲邏涸磳?duì)電容器充電，當(dāng)電壓達(dá)到40kV時(shí)，氣壓泵放氣，開(kāi)關(guān)導(dǎo)通，電容器對(duì)負(fù)載放電。其中，電容器的電容值為8 000pF，負(fù)載阻值為2kΩ；開(kāi)關(guān)電極間隙為2.3mm；示波器測(cè)得的陡化波形如圖4所示。

對(duì)以上波形的參數(shù)進(jìn)行平均化后的結(jié)果，如表2所示。

表2 電壓陡化波形相關(guān)參數(shù)

由表2可以看出，在相同放電電壓的情況下，三種電極產(chǎn)生的脈沖波形幅值相差不大，脈沖前沿存在一定的差異。其中，平面電極電場(chǎng)分布均勻，放電路徑較分散，火花通道電感較大，形成的脈沖前沿相對(duì)較寬，且較不穩(wěn)定；球形電極雖陡化性能適中，但由于通道集中在球形頂端，燒蝕面積較小，使每個(gè)點(diǎn)的燒蝕情況加重，導(dǎo)致使用壽命縮短［6］；相比之下，環(huán)形電極間隙場(chǎng)強(qiáng)最大值相對(duì)較大，有利于場(chǎng)值發(fā)射和多通道產(chǎn)生，且電極流柱來(lái)自環(huán)狀邊緣，火花通道所處位置半徑較大，有利于減小火花通道電感，陡化波形的上升前沿最短，這與試驗(yàn)結(jié)果一致。因此，綜合以上的仿真和實(shí)驗(yàn)分析結(jié)果，作為功率調(diào)制電路中陡化脈沖、拓寬頻譜的電極而言，采用環(huán)形結(jié)構(gòu)最為合適。

2.電爆炸絲

電爆炸絲是金屬絲在極短的時(shí)間內(nèi)注入較大的電流，經(jīng)過(guò)加熱、液化、氣化、等離子體形成等狀態(tài)，電爆炸絲的電氣特性將發(fā)生劇烈變化，電阻隨著物理狀態(tài)的變化而不斷上升，其阻值可增加數(shù)百、甚至上千歐姆，使回路由短路狀態(tài)迅速轉(zhuǎn)換為開(kāi)路，這一特性可用來(lái)產(chǎn)生高電壓［7］。為此，采用Pspice通用電路仿真軟件，針對(duì)電爆炸絲的快速斷路特性開(kāi)展仿真和實(shí)驗(yàn)研究，如圖5所示。其中，C1為放電電容器，L3為儲(chǔ)能電感，L4為連接導(dǎo)線(xiàn)的電感，EEOS2為電爆炸絲，它由七根銅絲并聯(lián)而成，長(zhǎng)度l＝500mm，直徑d＝0.05mm.

電爆炸絲的阻值是影響回路電流電壓波形的主要因素。本仿真模型中采用文獻(xiàn)［8］給出的數(shù)據(jù)，利用該曲線(xiàn)把該金屬制成的電爆炸絲斷路開(kāi)關(guān)在Pspice軟件中生成一個(gè)表格模型，這樣在電路參數(shù)發(fā)生變化的情況下，可以對(duì)該電路進(jìn)行模擬。在圖5所示的電路基礎(chǔ)上開(kāi)展了系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)研究。其中，電爆炸絲兩端的電壓由電容分壓器和示波器測(cè)得。圖6為分別通過(guò)仿真和實(shí)驗(yàn)獲得的電爆炸絲兩端電壓波形。

從圖6中可以看出，實(shí)際測(cè)得的波形在上升階段呈現(xiàn)階梯狀，其主要原因是電爆炸絲經(jīng)歷了熔化、汽化的相變過(guò)程，這需要能量的注入才能完成，而實(shí)驗(yàn)波形中脈沖前沿平頂階段的能量就是被爆炸絲的相變所吸收。因此，實(shí)驗(yàn)波形與仿真結(jié)果存在一定的誤差，但電爆炸的整個(gè)時(shí)間流程比較一致。

3.組合開(kāi)關(guān)脈沖調(diào)制電路

在對(duì)電爆炸絲和氣體開(kāi)關(guān)進(jìn)行充分理論分析和實(shí)驗(yàn)研究后，設(shè)計(jì)了組合開(kāi)關(guān)脈沖調(diào)制兩級(jí)陡化電路，如圖7所示。首先，放電電容C1存儲(chǔ)的電壓對(duì)電路放電，產(chǎn)生的脈沖電流通過(guò)儲(chǔ)能電感L2和電爆炸絲EEOS1，電爆炸絲被加熱，電阻率不斷增加，當(dāng)電爆炸絲發(fā)生爆炸形成等離子體時(shí)，電阻率產(chǎn)生突變性的增加，引起儲(chǔ)能電感中電流的劇烈變化，根據(jù)VL＝Ldi/dt，電感上產(chǎn)生數(shù)十萬(wàn)伏的脈沖高壓。此時(shí)，由于初始能源已轉(zhuǎn)換為電感中的磁場(chǎng)能，且電爆炸過(guò)程很短，故該脈沖高壓加到氣體開(kāi)關(guān)GAP2上，當(dāng)電壓高于氣體開(kāi)關(guān)的擊穿閾值時(shí)，開(kāi)關(guān)GAP2導(dǎo)通，儲(chǔ)能電感L2中的磁場(chǎng)能快速轉(zhuǎn)換成電能，輸送到負(fù)載R1，此處氣體開(kāi)關(guān)用于陡化由電爆炸絲開(kāi)關(guān)產(chǎn)生的脈沖的上升沿，最終在負(fù)載R1兩端輸出高電壓、快前沿的高功率脈沖。此外，L1、L3為附加電感，C2為附加電容。

結(jié)合以上的仿真結(jié)果開(kāi)展脈沖調(diào)制電路的實(shí)驗(yàn)研究，電爆炸絲開(kāi)關(guān)與氣體開(kāi)關(guān)配合使用，需要進(jìn)行充電電壓、電爆炸絲數(shù)量、氣體開(kāi)關(guān)氣壓等參數(shù)的多次調(diào)整，部分測(cè)試數(shù)據(jù)如表3所示。

表3 部分實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)

從表3數(shù)據(jù)可以看出，在不改變氣體開(kāi)關(guān)氣壓的條件下，隨著電壓的提升，合理改變電爆炸絲的數(shù)量參數(shù)，壓縮能力得到明顯的提高。在充電電壓不變并確保氣體開(kāi)關(guān)擊穿的條件下，隨著氣體開(kāi)關(guān)壓力的逐漸提高，通過(guò)合理設(shè)置電爆炸絲數(shù)量，可使能量得到較為充分的壓縮。

經(jīng)過(guò)對(duì)各參數(shù)不斷的調(diào)整，結(jié)果表明在電爆炸絲為6根，充電為35kV，氣體開(kāi)關(guān)充氣2Mpa情況下，陡化效果非常明顯，實(shí)測(cè)波形如圖8所示，其上升前沿最大上升時(shí)間為1.68ns，根據(jù)測(cè)量的幅值換算，壓縮得到的脈沖電壓峰值為197kV，壓縮能量達(dá)到5倍以上。

4.結(jié) 論

采用環(huán)形電極氣體開(kāi)關(guān)和電爆炸絲斷路開(kāi)關(guān)設(shè)計(jì)了一種高功率脈沖調(diào)制電路，分別針對(duì)氣體開(kāi)關(guān)和電爆炸絲開(kāi)展了仿真和實(shí)驗(yàn)研究，通過(guò)合理設(shè)置氣體開(kāi)關(guān)氣壓、間隙和電爆炸絲根數(shù)等參數(shù)，壓縮能力得到明顯提高，實(shí)現(xiàn)了組合開(kāi)關(guān)與較大體積的脈沖變壓器的替換。在保證較穩(wěn)定的輸出高頻率、高功率脈沖要求的同時(shí)，使得系統(tǒng)的體積得到有效壓縮，解決了脈沖調(diào)制系統(tǒng)小型化設(shè)計(jì)的問(wèn)題。實(shí)驗(yàn)中采用的電容僅按1/30比例模擬爆磁壓縮發(fā)生器產(chǎn)生的電流，下一步將開(kāi)展爆炸磁頻率壓縮發(fā)生器與該脈沖調(diào)制電路的聯(lián)合調(diào)制實(shí)驗(yàn)，以獲得更高功率的脈沖輸出。

［1］楊 宇，伍友成，耿力東，等.含變壓器電感儲(chǔ)能脈沖功率源的電路模擬和實(shí)驗(yàn)研究［J］.強(qiáng)激光與粒子束，2009，21（4）：621－624.YANG Yu，WU Youcheng，GENG Lidong，et al.Circuit simulation and experimental research of pulse generator with inductive energy storage and transformer［J］.High Power Laser and Particle Beams，2009，21（4）：621－624.（in Chinese）

［2］RHEE M J，F(xiàn)INE T A，KUNG C C.Basic Circuits for Inductive－energy Pulsed Power Systems［J］.J Appl Phys，1990，67（9）：4333－4337.

［3］李相強(qiáng)，劉慶想，趙 柳，等.徑向線(xiàn)饋電網(wǎng)絡(luò)的模式轉(zhuǎn)換與單模傳輸條件分析［J］.電波科學(xué)學(xué)報(bào)，2010，25（3）：553－558.LI Xiangqiang，LIU Qinxiang，ZHAO Liu，et al.Mode transformation and single mode propagation condition of the radial line feeding net work［J］.Chinese Journal of Radio Science，2010，25（3）：553－558.（in Chinese）

［4］楊漢武，鐘輝煌，張建德.新型爆磁壓縮脈沖功率調(diào)制電路［J］.國(guó)防科技大學(xué)報(bào)，2005，27（4）：37－40.YANG Haiwu，ZHONG Huihuang，ZHANG Jiande.A novel power conditioning circuit for flux compression generators［J］.Journal of National University of Defense Technology，2005，27（4）：37－40.（in Chinese）

［5］程新兵，劉金亮，陳 蒸，等.高電壓長(zhǎng)壽命型氣體火花開(kāi)關(guān)的設(shè)計(jì)及初步研究［J］.強(qiáng)激光與粒子束，2008，20（10）：1753－1756.CHENG Xinbing，LIU Jinliang，CHEN Zheng，et al.Design and primary experiment of high voltage longlife gas spark switch［J］.High Power Laser and Particle Beams，2008，20（10）：1753－1756.（in Chinese）

［6］楊津基.氣體放電［M］.北京：原子能出版社，1983.

［7］劉錫三.脈沖功率技術(shù)［M］.北京：國(guó)防工業(yè)出版社，2005.

［8］TUCKER T J，TOTH R P.A Computer Code for the Prediction of the Behavior of Electrical Circuits Containing Exploding Wire Elements［R］.Albuquerque：Sandia Labs，1975.