單級(jí)磁壓縮網(wǎng)絡(luò)理論分析與實(shí)驗(yàn)研究

劉天宇，指導(dǎo)教師：楊曉光

（河北衡水第一中學(xué)，河北衡水，053000）

單級(jí)磁壓縮網(wǎng)絡(luò)理論分析與實(shí)驗(yàn)研究

劉天宇，指導(dǎo)教師：楊曉光

（河北衡水第一中學(xué)，河北衡水，053000）

脈沖電源具有廣泛的應(yīng)用價(jià)值，而磁壓縮技術(shù)是脈沖電源的關(guān)鍵技術(shù)。本文分析了單級(jí)磁壓縮電路的結(jié)構(gòu)和工作原理，設(shè)計(jì)并搭建了一種單級(jí)磁壓縮電路，對(duì)其進(jìn)行了仿真分析與實(shí)驗(yàn)研究，仿真結(jié)果和實(shí)驗(yàn)結(jié)果具有很好的一致性。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，所設(shè)計(jì)的磁壓縮電路可有效陡化電流波形。

脈沖電源；磁開關(guān)；磁脈沖壓縮；Saber仿真

0 引言

脈沖電源技術(shù)在軍事與工業(yè)中應(yīng)用廣泛，如約束性核聚變、電子束、粒子束、直線加速器、激光技術(shù)、等離子體技術(shù)、電磁炮、電磁發(fā)射等[1-4]。脈沖功率系統(tǒng)一般通過(guò)高壓直流電源對(duì)儲(chǔ)能元件進(jìn)行充電，并通過(guò)快速功率開關(guān)的動(dòng)作將能量以脈沖形式迅速釋放到負(fù)載上,從而在負(fù)載端獲得高壓快速脈沖。

目前在高頻高壓脈沖電源充電系統(tǒng)中，半導(dǎo)體開關(guān)器件的過(guò)流和過(guò)壓?jiǎn)栴}嚴(yán)重影響了整個(gè)電源系統(tǒng)的效率和穩(wěn)定性[5]。要解決上述問(wèn)題，以磁開關(guān)為核心的磁壓縮網(wǎng)絡(luò)是最好的選擇。磁脈沖壓縮技術(shù)能有效克服火花隙開關(guān)、閘流管、晶閘管等大功率開關(guān)對(duì)脈沖功率系統(tǒng)限制，具有較強(qiáng)的可重復(fù)性,無(wú)磨損和較短的恢復(fù)時(shí)間的性能。因此磁開關(guān)被廣泛應(yīng)用于高頻脈沖功率技術(shù)領(lǐng)域[6-8]。

本文分析了磁脈沖壓縮電路的工作原理，并進(jìn)行了仿真與實(shí)驗(yàn)研究。

1 磁脈沖壓縮電源結(jié)構(gòu)與工作原理

磁開關(guān)是磁脈沖壓縮網(wǎng)絡(luò)中最重要的部件，磁脈沖壓縮開關(guān)實(shí)質(zhì)上是一種非線性電感，該電感達(dá)到飽和后感抗會(huì)迅速下降。磁心的磁滯回線如圖1所示。磁開關(guān)處于非飽和狀態(tài)時(shí)，磁心的相對(duì)磁導(dǎo)率較高，磁開關(guān)電感較大，此時(shí)磁開關(guān)相當(dāng)于斷開；當(dāng)磁開關(guān)處于飽和狀態(tài)時(shí)，磁心的相對(duì)磁導(dǎo)率μr,接近真空，磁開關(guān)電感較小，此時(shí)磁開關(guān)相當(dāng)于閉合。

當(dāng)磁開關(guān)處于未飽和狀態(tài)時(shí)，電感量為

式（1）中：μ0為真空磁導(dǎo)率；μr為相對(duì)磁導(dǎo)率，處于圖1中的Ⅱ區(qū)域；l為磁心平均磁路長(zhǎng)度;S為磁心繞組面積；N為匝數(shù)，Lr為未飽和電感量。

當(dāng)磁開關(guān)處于飽和狀態(tài)時(shí)，電感量為

Lsat為飽和電感量；μsat為磁開關(guān)飽和時(shí)的相對(duì)磁導(dǎo)率，處于圖1中的Ⅲ區(qū)域，由圖1可知此時(shí)磁芯的相對(duì)磁導(dǎo)率接近為1，Lsat很小，磁開關(guān)處于“閉合狀態(tài)”。

磁開關(guān)耐壓時(shí)間關(guān)系式為,

式（3）中：Umax為磁開關(guān)兩端所受的最大電壓；N為磁開關(guān)的繞線匝數(shù)；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(shù)。

圖1 磁開關(guān)磁芯B-H曲線

由式（3）可以看出，磁開關(guān)的飽和時(shí)間取決于磁開關(guān)的兩端電壓、磁心橫截面積和磁心的匝數(shù)[9]。

如圖2所示為單級(jí)磁壓縮網(wǎng)絡(luò)。圖中電容C0、C1、C2容值相等，L0為普通電感，L1是磁開關(guān)，R0為電路等效電阻，R1為電源系統(tǒng)的負(fù)載。圖3為單級(jí)磁脈沖壓縮網(wǎng)絡(luò)電容電壓波形與輸出電流波形。磁開關(guān)磁芯初始化至剩磁-Br，首先在t=t0時(shí)閉合開關(guān)S0，電源給電容C0充電至U后打開S0（t=t1）。然后在t=t1時(shí)閉合S1，此時(shí)C0通過(guò)L0、R0將存儲(chǔ)的電能傳遞到C1，C1的電壓逐漸升高，根據(jù)電感的伏秒積平衡方程式（4）可知，電感兩端承受的電壓對(duì)時(shí)間的積分和繞組匝數(shù)N、磁芯截面積S、磁通量密度變化ΔB三者的乘積相等[7]。

因而，L1磁芯中的磁通密度開始從-Br處沿磁化曲線向+Bs增長(zhǎng)。如果磁開關(guān)參數(shù)設(shè)計(jì)恰當(dāng)，那么磁開關(guān)恰好在電容C1電壓達(dá)到最大值時(shí)磁開關(guān)飽和，此時(shí)，磁開關(guān)的電感急劇下降，電容C1向電容C2迅速放電，形成高脈沖電流io，波形如圖3所示。

圖2 簡(jiǎn)化的單級(jí)磁壓縮網(wǎng)絡(luò)

圖3 典型單級(jí)磁脈沖壓縮網(wǎng)絡(luò)電容電壓波形與輸出電流波形

2 仿真分析

本文搭建了仿真模型，為了提高仿真和檢測(cè)的準(zhǔn)確性，磁壓縮系統(tǒng)中加入了磁復(fù)位電路。磁芯選用德國(guó)VAC公司的納米晶磁芯“T60006-L2045-V102”。磁滯損耗小，飽和磁感應(yīng)強(qiáng)度為1.2T，磁芯的平均磁路長(zhǎng)度和磁芯的橫截面積分別為11.8 cm和0.855cm2，內(nèi)徑為30mm、外徑為45mm和高為15mm。所用環(huán)形磁芯的B-H曲線如圖1所示。仿真參數(shù)設(shè)置：初級(jí)儲(chǔ)能電容電壓U=10V，電容C0=C1=C2==3uF，電感L0=2.4mH，磁開關(guān)L1線圈匝數(shù)為N=30匝，磁壓縮系統(tǒng)仿真電路圖如圖4所示。磁壓縮系統(tǒng)仿真波形如圖5所示，從圖中可以看出，C1的峰值電壓為10V，C2的峰值電壓為95V，壓縮倍數(shù)為n=9.5。與理論分析具有很好的一致性。

3 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

本文依據(jù)理論分析與仿真結(jié)果搭建了磁脈沖系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)電路。實(shí)驗(yàn)參數(shù)：電源U=10V，電容C0=C1=C2=3uF，電感L0=2.4mH，磁開關(guān)L1的線圈匝數(shù)N=30匝，非飽和狀態(tài)下的電感值為0.14H。實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖6所示，Vc1=9v，Vc2=90v，壓縮倍數(shù)為10倍，與仿真結(jié)果具有很好的一致性。

圖4 磁壓縮系統(tǒng)仿真電路圖

圖5 磁壓縮系統(tǒng)仿真波形圖

圖6 磁壓縮系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)波形圖

4 結(jié)論

利用磁開關(guān)和電容器設(shè)計(jì)了單級(jí)磁脈沖壓縮網(wǎng)絡(luò)電路，仿真與實(shí)驗(yàn)結(jié)果驗(yàn)證了理論分析的正確性。本文所設(shè)計(jì)單級(jí)磁脈沖壓縮電路可以將脈沖壓縮十倍左右，實(shí)現(xiàn)了磁脈沖壓縮的功能。

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Theoretical analysis and experimental study of a single stage magnetic compression network

Liu Tianyu, teacher: Yang Xiaoguang
(Hebei hengshui no.1 middle school,Hengshui Hebei,053000)

Pulse power supplies have widespread application value, in which, magnetic compression technique is a key technology. In this paper, the circuit topology and work principle are analyzed, and a single stage magnetic compression circuit is constructed followed by simulation analysis and experimental study.The simulation result has good agreement with the test result, which shows that the designed magnetic compression circuit can effectively yield sharpening pulses.

Pulse power supplies;Magnetic switch;Magnetic pulse compression;Simulation