組合開關(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 無錫214007）

引 言

脈沖功率技術(shù)在強電磁脈沖輻射、等離子體物理、電磁驅(qū)動、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)動源，具有很高的儲能密度，輸出電流可達兆安量級，但輸出電壓較低。所以，對于脈沖功率調(diào)制電路，驅(qū)動高阻抗負載是必不可少的。

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能元件和脈沖變壓器［3］。脈沖變壓器設(shè)計時，不論是初級繞組還是次級繞組，其線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)計帶來較大的難度［4］。而文中采用電爆炸絲和氣體開關(guān)的組合式高功率調(diào)制電路，替代脈沖變壓器，實現(xiàn)了將爆磁壓縮發(fā)生器產(chǎn)生的信號進行壓縮和陡化。在確保其輸出強度和頻率的前提下，該電路便于結(jié)構(gòu)的緊湊化設(shè)計，適合在系統(tǒng)的小型化設(shè)計中開展應(yīng)用研究。

1.氣體開關(guān)

目前，自擊穿式氣體開關(guān)的種類繁多，主要有球形和平面形，而平面電極的電場分布較均勻，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，但開關(guān)導(dǎo)通時，通道集中在球頭，燒蝕面積較小，使每個點的燒蝕情況加重，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)電極的實際擊穿特性，掌握氣體開關(guān)快速閉合的電氣特性，結(jié)合實驗室現(xiàn)有條件，進行了自擊穿靜態(tài)實驗和高壓陡化性能實驗，并對三種結(jié)構(gòu)開關(guān)在工作上百次之后的使用壽命進行了比較。

實驗裝置包括直流高壓源、高壓電容器、氣體開關(guān)、負載、氣壓泵、示波器以及分壓器。圖1、圖2、圖3分別是實驗原理圖和實驗裝置實物圖。直流高壓源的充電電壓可調(diào)，通過讀取充入的電壓值，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、配置簡單等特點，經(jīng)標(biāo)定其分壓比為1 249：1；分壓器采集的電壓信號經(jīng)40dB衰減器后接入示波器，最終得到放電電壓波形。

1.1 自擊穿實驗研究

該實驗的工作過程是：直流高壓源對高壓電容器充電，當(dāng)電容器兩端（即開關(guān)兩端）電壓達到自擊穿電壓時，氣體開關(guān)導(dǎo)通，電容器對負載放電，通過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，負載的電阻為130Ω.三種開關(guān)電極的間隙均為6mm.為了分析開關(guān)電極最大電場和平均電場對自擊穿電壓的影響，將球形電極的最大電場值作為其他兩種電極的最大電場，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)定的條件下實驗，先將開關(guān)在自擊穿條件下工作大約一百次，然后對開關(guān)進行實驗，每種情況測量三次，便可以得到不同結(jié)構(gòu)、不同間隙下的擊穿電壓，實驗數(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，與電極的最大場強值關(guān)系不大，也就是說，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)的影響較小；

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較短，相比之下更適合作為陡化開關(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 開關(guān)電極自擊穿實驗數(shù)據(jù)

1.2 高壓陡化實驗研究

為了分析三種電極在高壓狀態(tài)下對電壓的陡化程度以及電極間隙對脈沖波形的影響，開展了實驗研究，其工作流程是：首先，氣壓泵對氣體開關(guān)內(nèi)部充入6MPa氮氣，直流高壓源對電容器充電，當(dāng)電壓達到40kV時，氣壓泵放氣，開關(guān)導(dǎo)通，電容器對負載放電。其中，電容器的電容值為8 000pF，負載阻值為2kΩ；開關(guān)電極間隙為2.3mm；示波器測得的陡化波形如圖4所示。

對以上波形的參數(shù)進行平均化后的結(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，使每個點的燒蝕情況加重，導(dǎo)致使用壽命縮短［6］；相比之下，環(huán)形電極間隙場強最大值相對較大，有利于場值發(fā)射和多通道產(chǎn)生，且電極流柱來自環(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，這與試驗結(jié)果一致。因此，綜合以上的仿真和實驗分析結(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間內(nèi)注入較大的電流，經(jīng)過加熱、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)換為開路，這一特性可用來產(chǎn)生高電壓［7］。為此，采用Pspice通用電路仿真軟件，針對電爆炸絲的快速斷路特性開展仿真和實驗研究，如圖5所示。其中，C1為放電電容器，L3為儲能電感，L4為連接導(dǎo)線的電感，EEOS2為電爆炸絲，它由七根銅絲并聯(lián)而成，長度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［8］給出的數(shù)據(jù)，利用該曲線把該金屬制成的電爆炸絲斷路開關(guān)在Pspice軟件中生成一個表格模型，這樣在電路參數(shù)發(fā)生變化的情況下，可以對該電路進行模擬。在圖5所示的電路基礎(chǔ)上開展了系統(tǒng)實驗研究。其中，電爆炸絲兩端的電壓由電容分壓器和示波器測得。圖6為分別通過仿真和實驗獲得的電爆炸絲兩端電壓波形。

從圖6中可以看出，實際測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、汽化的相變過程，這需要能量的注入才能完成，而實驗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，實驗波形與仿真結(jié)果存在一定的誤差，但電爆炸的整個時間流程比較一致。

3.組合開關(guān)脈沖調(diào)制電路

在對電爆炸絲和氣體開關(guān)進行充分理論分析和實驗研究后，設(shè)計了組合開關(guān)脈沖調(diào)制兩級陡化電路，如圖7所示。首先，放電電容C1存儲的電壓對電路放電，產(chǎn)生的脈沖電流通過儲能電感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，電阻率產(chǎn)生突變性的增加，引起儲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)十萬伏的脈沖高壓。此時，由于初始能源已轉(zhuǎn)換為電感中的磁場能，且電爆炸過程很短，故該脈沖高壓加到氣體開關(guān)GAP2上，當(dāng)電壓高于氣體開關(guān)的擊穿閾值時，開關(guān)GAP2導(dǎo)通，儲能電感L2中的磁場能快速轉(zhuǎn)換成電能，輸送到負載R1，此處氣體開關(guān)用于陡化由電爆炸絲開關(guān)產(chǎn)生的脈沖的上升沿，最終在負載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)果開展脈沖調(diào)制電路的實驗研究，電爆炸絲開關(guān)與氣體開關(guān)配合使用，需要進行充電電壓、電爆炸絲數(shù)量、氣體開關(guān)氣壓等參數(shù)的多次調(diào)整，部分測試數(shù)據(jù)如表3所示。

表3 部分實驗數(shù)據(jù)

從表3數(shù)據(jù)可以看出，在不改變氣體開關(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關(guān)擊穿的條件下，隨著氣體開關(guān)壓力的逐漸提高，通過合理設(shè)置電爆炸絲數(shù)量，可使能量得到較為充分的壓縮。

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

4.結(jié) 論

采用環(huán)形電極氣體開關(guān)和電爆炸絲斷路開關(guān)設(shè)計了一種高功率脈沖調(diào)制電路，分別針對氣體開關(guān)和電爆炸絲開展了仿真和實驗研究，通過合理設(shè)置氣體開關(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，實現(xiàn)了組合開關(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，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)計的問題。實驗中采用的電容僅按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)制實驗，以獲得更高功率的脈沖輸出。

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