基于薄膜開關的全自動快前沿高壓方波發生器研制

張國偉，陳志強，王海洋，陳維青，謝霖燊，何小平，趙 昕

（西北核技術研究所 強脈沖輻射環境模擬與效應國家重點實驗室，陜西 西安 710024）

在高電壓、脈沖功率技術、電力系統及電磁脈沖效應等研究領域，由于電流、電壓等級較高，脈沖波形上升沿快，一般無標準的探測器件對這些脈沖進行測試，需根據具體波形和環境設計測量器件，在使用前需對這些器件進行標定。對高電壓、大電流而言，若對分壓器、分流器、羅科夫斯基線圈等測量系統進行方波響應校驗，要求方波源不但有快前沿，而且有高幅值［1-2］。

常見的方波發生器有傳輸線型和電容放電型，利用傳輸線儲能然后放電產生方波脈沖是常用的方法。威爾士大學的Hancock 等［3］設計的ns方波發生器采用同軸電纜單傳輸線和水銀池簧片繼電器開關，產生上升沿105ps、幅值大于1kV 的方波。日本熊本大學研制了一臺平板傳輸線型方波發生器，通過場畸變開關控制脈沖輸出，產生幅值30kV、脈寬45ns、上升時間2ns的方波脈沖［4］。清華大學研制了一臺最高輸出電壓為10kV 的方波發生器，其上升時間為14.1～1.5ns，隨氣壓的變化而變化［5］。華中科技大學研制了一臺電容放電型方波發生器，以上升時間＜5ns的氣體間隙作為陡化開關，研制了上升時間為ns級的高壓方波發生器，該發生器的特點是脈寬較寬，達1μs［6］。高幅值快前沿方波發生器性能主要取決于放電開關的性能，需開關具備高耐壓和低電感的特性。氣體開關具有高耐壓的特點，但開關結構尺寸偏大，前沿相對較慢。水銀開關電感小、前沿快，但耐壓低。西北核技術研究所的馬連英等［7］研制了一臺基于薄膜開關的方波發生器，幅值1.5～8kV、前沿1.5ns、脈寬40ns。薄膜開關具有耐壓高、電感低的優點，但該設備每次放電后需手動更換絕緣膜。

本文擬研制一臺基于薄膜開關的方波發生器，設計自動換膜結構和PLC 控制系統，以解決薄膜開關換膜不方便、效率低的問題。

1 電路仿真分析

圖1為基于Blumlein傳輸線的方波發生器電路。高壓電源通過充電電阻和負載電阻為同軸傳輸線充電，充電后觸發薄膜開關，開關導通，電磁波在同軸傳輸線傳輸的過程為波過程，最終在負載上形成脈沖方波。負載上形成方波的前沿主要取決于放電回路的電感，電感越小，前沿越快。負載上電壓波形除與負載本身的特性有關外，還與Blumlein傳輸線的阻抗有關，即決定于負載與Blumlein傳輸線的阻抗匹配情況［8］。

圖1 基于Blumlein傳輸線的方波發生器電路Fig.1 Circuit of rectangular pulse generator based on Blumlein transmission line

圖2、3分別示出了等效電路模擬圖及模擬結果，理想狀態下，當輸出回路電感為10nH時，輸出脈沖上升時間為1ns。

圖2 等效電路模擬圖Fig.2 Equivalent circuit simulated diagram

圖3 方波發生器理想輸出波形Fig.3 Ideal output voltage waveform of rectangular pulse generator

1.1 傳輸線特性阻抗和負載阻抗對輸出波形的影響

當Blumlein傳輸線的特性阻抗與負載阻抗失配時，輸出脈沖波形呈階梯狀，輸出波形幅值也發生改變。當負載阻抗RT≠Z1＋Z2（Z1、Z2分別為兩條傳輸線的阻抗）時，負載上輸出波形幅值發生變化，出現阻尼或震蕩衰減（圖4）。當兩條傳輸線長度l1、l2失配時，負載上波形出現嚴重的畸變，脈寬和后沿參數變化較大（圖5）。因此，綜合以上條件，欲產生方波脈沖，兩傳輸線的長度必須相同，特性阻抗滿足條件RT＝Z1＋Z2，且Z1＝Z2＝RT／2。

圖4 阻抗失配（Z1＋Z2≠RT）條件下負載輸出波形Fig.4 Output voltage waveform with impedance mismatch

圖5 長度失配（l1≠l2）條件下負載輸出波形Fig.5 Output voltage waveform with length mismatch

1.2 放電回路電感及雜散參數對輸出波形的影響

放電回路電感包括傳輸線的電感、開關電感和連線電感。輸出波形前沿由峰化回路電感與負載阻抗決定，電感過大會導致輸出脈沖前沿變緩，同時使波形變差。放電回路電感對輸出波形的影響示于圖6。從圖6 可看出，放電回路電感越小，輸出波形前沿和后沿越陡，反之，則前沿變緩。

圖7、8示出了輸出回路雜散參數對輸出波形的影響。從波形可看出，輸出回路雜散電感引起輸出脈沖產生過沖；輸出回路雜散電容在一定范圍內對波形影響不大。

圖6 放電回路電感對輸出波形的影響Fig.6 Influence of inductance of discharge circuit on output waveform

圖7 輸出回路雜散電容對輸出波形的影響Fig.7 Influence of stray capacitor on output waveform

圖8 輸出回路雜散電感對輸出波形的影響Fig.8 Influence of stray inductance on output waveform

2 薄膜開關設計

薄膜開關性能直接決定輸出方波脈沖的性能參數。薄膜開關的電感決定輸出脈沖的前沿，薄膜開關阻抗是否連續決定輸出方波脈沖波形是否畸變?；谏鲜鲭娐贩抡娣治?，薄膜開關設計應遵循以下原則：1）開關電感盡可能小，以滿足快上升沿要求；2）合理設計開關結構，使過渡段阻抗盡可能連續；3）開關在滿足絕緣條件下結構盡可能緊湊。

薄膜開關的結構如圖9所示，包括陽極、陰極、絕緣子、觸發結構及電纜連接結構等。開關陽極和陰極之間由絕緣膜隔開，絕緣膜可采用聚丙烯薄膜、聚酯薄膜等耐壓強度較高的復合絕緣材料，絕緣膜厚度約10～50μm，傳輸線充電達到預設電壓后，由觸發結構戳破絕緣膜產生快速放電，薄膜開關屬于傳輸線的一部分，為保證阻抗連續，薄膜開關采用同軸結構設計，開關過渡段尺寸嚴格控制，保證阻抗50Ω。由于開關采用緊湊的同軸變直徑結構，盡可能減小了開關的結構電感。

圖9 薄膜開關結構Fig.9 Structure diagram of dielectric foil switch

放電回路電感由放電通道火花電感和開關結構電感兩部分組成。由于薄膜厚度僅10μm量級，薄膜擊穿后放電通道非常短，放電通道距離約0.1 mm，根據火花電感計算公式L0＝14d0（d0為火花通道 長度）［9-10］，計算得到火花通道電感約1.4nH。放電回路電感主要是由開關結構電感決定，開關陰陽極之間通過一寬度約5mm的銅片相連，銅片和陽極可等效為帶狀傳輸線，傳輸線長度約5mm，銅片與陽極之間的距離約為10mm，根據帶狀傳輸線電感計算公式L1＝μ0μrd1／b1（L1為 開 關 結 構 電 感，μ0為真空磁導率，μr 為相對磁導率，b1為帶寬，d1為兩帶間距離）［9-10］可得到開關結構電感約12.5nH，因此薄膜開關總電感估算為L＝L0＋L1＝13.9nH。

3 自動換膜系統設計

3.1 自動換膜結構設計

薄膜開關使用的絕緣膜為消耗品，每次擊穿后需更換新的薄膜，若手動更換，將嚴重影響裝置工作效率。本裝置研制的另一個關鍵的環節就是開發自動換膜裝置。設計基于步進電機的自動換膜裝置，每次薄膜擊穿后，換膜裝置自動將新的薄膜向前拖動，在合適的位置停止，等待下一次操作。

圖10示出了換膜結構，圖10中卷膜機構采用步進電機作為驅動，帶動卷軸，當需換膜時，首先由PLC 控制電磁閥將薄膜開關陰極與陽極拉開，然后步進電機轉動，將薄膜拉動一定長度，最后電磁閥關閉，陰陽極壓緊，完成換膜。

圖10 方波發生器自動換膜結構Fig.10 Structure diagram of automatical change dielectric foil of rectangular pulse generator

3.2 自動換膜PLC程序設計

為實現全自動操作，換膜動作采用PLC 程序自動控制，程序流程如圖11所示。

方波發生器工作模式分自動和手動兩種。兩種模式均采用觸摸屏作為人機界面，手動實驗時，首先在觸摸屏上設置實驗電壓，然后點擊換膜按鈕，PLC 模塊控制自動換膜結構完成換膜，之后點擊升壓按鈕，PLC 模塊控制高壓電源升至預設電壓，最后點擊放電按鈕，完成放電。自動實驗時，首先在觸摸屏上設置好電壓、實驗次數等參數，點擊放電按鈕，程序將自動完成預設次數的實驗。該裝置工作頻率約0.1 Hz。

4 測試結果

采用帶寬2GHz的衰減器和示波器對方波發生器的輸出波形進行測試。

圖12為發生器加壓6kV 時獲得的典型方波波形，圖13 為波形前沿細節，方波上升沿為1.25ns。

圖11 方波發生器自動換膜程序流程圖Fig.11 Flow chart of automatical change dielectric foil program

根據前沿計算公式tr＝2.2L／R（R 為傳輸線阻抗，取25 Ω）反推得到回路電感L＝14.2nH，與前面的電感估算值相當。對方波發生器進行調試，最高輸出電壓10kV，幅值可調范圍2～8kV。方波脈寬可通過更換電纜長度改變，脈寬可調范圍20～100ns。

5 結論

本文設計了10kV ns前沿全自動方波發生器，采用薄膜開關作為主放電開關，薄膜開關設計結構緊湊、阻抗連續，有效降低了放電回路電感。采用步進電機驅動自動換膜結構以及觸摸屏PLC控制，實現了全自動換膜，解決了薄膜開關使用不方便的問題。輸出電壓幅值2～8kV可調，前沿1.25ns，脈寬20～100ns可調。該方波發生器具有輸出電壓高、前沿快、結構緊湊、外觀簡潔大方、操作簡單方便等特點。

圖13 加壓6kV 時輸出波形前沿Fig.13 Risetime of output waveform with 6kV

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