基于磁開關的低頻高壓脈沖電源的設計與仿真

朱雨翔　蘭　生（福州大學電氣工程與自動化學院，福州　350108）

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基于磁開關的低頻高壓脈沖電源的設計與仿真

朱雨翔蘭生
（福州大學電氣工程與自動化學院，福州350108）

摘要為了實現納秒級快前沿高壓脈沖，設計了基于磁開關的低頻高壓脈沖電源。通過電容充放電時間常數與磁開關相配合，最終輸出連續納秒級低頻高壓脈沖。應用saber電路仿真軟件中分析和搭建多級低頻高壓脈沖電路仿真模型，通過仿真分析各級電容器的電壓波形得知，磁開關將高壓脈沖從3.2μs壓縮至20ns，輸出脈沖峰值從初始10kV上升至30kV，最終輸出100Hz的連續低頻高壓脈沖。

關鍵詞：脈沖功率；磁開關；Saber；低頻高壓脈沖

Design and Simulation of a Low Frequency High Voltage Pulse Source based on the Theory of Magnetic Pulse Compression

Zhu YuxiangLan Sheng
（College of Electrical Engineering and Automation， Fuzhou University， Fuzhou350108）

Abstract In order to realize the high voltage nanosecond pulse， designed a low frequency high voltage pulse source based on the theory of， magnetic pulse compression. With constant of the capacitor charge and discharge and the magnetic switch， the experimental results show the continuous low frequency high voltage nanosecond pulse. to analysis and establishment the model of multistage and low frequency high voltage pulse， the model is presented based on the Saber software， From the experimental results and voltage waveform of all capacitor， high voltage pulse rise time from 3.2μs to 20ns， achieve treble pulse peak voltage and designed 100Hz low frequency high voltage pulse.

Keywords：pulsed power; magnetic pulse compressor; saber; low frequency high voltage pulse source

近年來，隨著脈沖功率開關技術的發展和儲能系統的改進，已被廣泛應用于粒子束、醫療技術、脈沖激光器等研究領域。功率開關技術其關鍵技術之一是脈沖陡化技術。在高功率脈沖發生器里，開關是最重要的器件之一，并且對擁有納秒級陡化技術對開關的要求非常高。相對于傳統的火花間隙開關、真空開關等，磁開關利用電感飽和來實現工作狀態轉換，不存在消電離和電極燒蝕等問題，磁開關在納秒級高壓脈沖電源中具有重要的前景和應用價值[1-3]。

磁開關[4-5]在電路中的主要功能是對脈沖進行壓縮，以及配合電容的充放電時間常數對脈沖波形進行銳化。要實現壓縮脈沖波形的目的，關鍵因素之一是磁開關磁心的選擇。通過所選擇的高矩形比磁滯回線的磁心以及磁開關的磁心面積來確定磁心匝數，并確定磁開關非飽和時間即磁脈沖壓縮時間；磁開關飽和后，通過銳化電容的充放電時間常數來陡化高壓脈沖波形。

本文對磁開關的設計及其計算方法作了說明，并分析了磁脈沖壓縮電路的工作原理。采用saber電路仿真軟件，搭建了多級磁壓縮高壓脈沖電路，計算磁心參數以及電容器的充放電時間常數，最終輸出納秒級高壓脈沖。

1　磁開關原理

1.1磁開關原理

磁開關實質上是一種非線性電感，該電感達到飽和后感抗會迅速下降。磁心的磁滯回線如圖1所示，磁開關處于非飽和狀態時，磁心的相對磁導率ur較高，磁開關電感較大，此時磁開關相當于斷開；當磁開關處于飽和狀態時，磁心的磁導率us接近真空，磁開關電感較小，此時磁開關相當于閉合。

圖1　磁心的磁滯回線

當磁開關處于未飽和狀態時，電感量為：

式中，u0為真空磁導率；ur為相對磁導率；L為磁心平均磁路長度；Sw為磁心繞組面積；N為匝數；Lr為未飽和電感量。

磁開關的耐壓時間與磁開關參數關系式可表示為：

式中，Vmax（t）為磁開關MS兩端所受的最大電壓；τ為磁開關非飽和時間；N為磁開關的繞線匝數；Am為磁心橫截面積；ΔB為磁心磁通密度變化幅度；α為磁心疊片系數。

由式（2）可以看出，磁開關的飽和時間取決于磁開關的兩端電壓、磁心橫截面積和磁心的匝數。

1.2多級磁壓縮電路參數設計原理

多級磁壓縮電路是低頻高壓脈沖電源的核心部分，主要是通過電容充放電時間常數與磁開關非飽和時間相配合，最終輸出連續納秒級上升沿的低頻高壓脈沖。為了達到輸出為納秒級的高壓脈沖，設計了三級脈沖。多級磁壓縮脈沖電路等效原理圖如圖2所示。

圖2　多級磁壓縮電路圖

開關S閉合，C0、L0和C1形成諧振電路，能量從C0傳遞到C1，此時磁開關MS處于非飽和狀態，其電感值非常大，可視作開路。回路1中電容C1電壓順時值和電流瞬時值為

其中

當C1的電壓到最大時，磁開關MS飽和，其感抗非常小，磁開關飽和電感量Lsat為

電容器C1充電時間等于磁開關MS1非飽和時間，設磁開關MS1非飽和時間為t0：

磁開關MS1飽和時，能量再次通過C1Lsat諧振傳送到C2中，電容C2充電時間即磁開關MS2非飽和時間為

第一級磁脈沖壓縮電路壓縮比為

同理設磁開關MS3磁開關非飽和時間為t2。

2　仿真與分析

2.1磁開關磁心模型

設計磁開關磁心采用鐵基非晶合金材料（FT-3M）作為磁心。磁心模型如圖3所示：外徑R2為80mm，內徑R1為50mm，高度h為25mm，磁心參數見表1。

表1　磁心參數

圖3　磁開關磁心模型

2.2低頻高壓脈沖電源的設計

低頻高壓脈沖電源如圖4所示，交流電工頻220V、經過變壓器將電壓升高，先給C0充電至10kV，開關閉合，閉合時間為磁開關MS1非飽和時間。開關閉合后C0-L0-C1形成諧振電路并給C1充電，此時MS1處于非飽和狀態，相當于開路，當磁開關（MS1）飽和時，MS1相當于小電感，形成新的諧振電路給C2充電，同理MS2和MS3亦是如此，不斷的壓縮高壓脈沖的上升時間，形成納秒級的高壓脈沖。為了實現連續的高壓脈沖，當開關的閉合時間與磁開關非飽和時間相等時，開關斷開，C0開始充電。

圖4　低頻高壓脈沖電源

磁開關的參數設計是根據式（1）至式（7），選取電感L0為25μH，電容器C0和C1容量為0.1μF，C2容量為10nF，C3容量為5nF，C4容量為1nF。根據法拉第定律計算磁開關MS1、MS2、MS3匝數分別為25匝、10匝、2匝。

2.3低頻高壓脈沖電源仿真與分析

應用Saber電路仿真軟件對低頻高壓脈沖電源仿真與分析的原理圖進行仿真，得到各電容器的電壓波形如圖5和圖6所示。

根據式（3）可知，C0-L0-C1諧振時，電容器C1在3.5μs時電壓達到最大。從圖5可知電容器C1的電壓略小于電容器C0的初始電壓，是因為在3.2μs時磁開關MS1處于飽和狀態即磁開關導通，并且磁開關以及線路存在一定的阻抗。

圖5　C0和C1電壓變化波形

圖6　C2、C3和C4電壓變化波形

根據圖5和圖6可知，電容器C1、C2、C3和C4上高壓脈沖波形，各電容器的電壓充電時間分別為3.2μs、0.4μs、70ns、20ns，壓縮比分別為

從仿真結果圖5和圖6電容器兩端電壓波形可知。電容器C2電壓峰值從8kV增大到約15.8kV，增大了1.975倍；電容器C3電壓峰值從15.8kV增大到約20.8kV，增大了1.316倍；電容器C4電壓峰值從20.8kV增大到約29kV，增大了1.39倍。

經實際測試，電容器C0的充電時間為5ms，所以設高壓側開關每隔10ms閉合一次，電容器C4兩端輸出波形如圖7所示，輸出高頻磁脈沖高壓脈沖發生器負載兩端電壓輸出波形，圖中可以看出，在每隔10ms左右形成一道高壓脈沖。

圖7　電容器C4電壓變化波形

此種多級磁壓縮高壓脈沖電源不僅在負載兩端實現上升沿為20ns，脈沖峰值為30kV的高壓脈沖，并且最終輸出頻率為100Hz的連續低頻脈沖。有效的驗證了基于磁壓縮開關的高壓脈沖電源的有效性。

3　結論

1）通過仿真結果可以得知，磁開關MS1、MS2、MS3的非飽和時間分別3.2μs、0.5μs、80ns，很明顯磁開關的設計能夠達到磁壓縮脈沖的作用，壓縮效果非常明顯。

2）諧振電路C0-L0-C1的諧振周期約為8μs，如圖7和圖8可知，從單次高壓脈沖放電，各電容器的電壓充電時間分別為3.2μs、0.4μs、70ns、20ns，總壓縮比：

磁開關通過配合各電容器的容量，以及通過壓縮諧振時間和銳化電容充電時間的配合，很好的實現將高壓脈沖陡度從微秒級壓縮至納秒級，并輸出高壓脈沖。

3）通過對電容器充放電時間的測試，最終輸出頻率為100Hz的低頻連續高壓脈沖。

參考文獻

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朱雨翔（1990-），男，江西省上饒市，碩士生，主要從事磁壓縮高壓脈沖發生器的研究。

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