一種基于雙向自適應(yīng)放電開關(guān)的脈沖源的研制

張世杰ZHANG Shi-jie；陳煒峰CHEN Wei-feng；陳城CHEN Cheng

（南京信息工程大學(xué)，南京 210000）

0 引言

電磁脈沖是瞬間產(chǎn)生的物理現(xiàn)象，通常陡前沿、窄寬度、寬頻帶和高瞬間能量。[1]電磁脈沖可以通過線路耦合的方式將電磁脈沖產(chǎn)生的巨大能量傳至電子設(shè)備，瞬間產(chǎn)生的高能量會破壞電路結(jié)構(gòu)，例如會引起晶體二極管、電阻和電容器、繼電器等電子元器件燒毀等。所以，電磁脈沖相關(guān)技術(shù)（電磁脈沖產(chǎn)生及電磁脈沖產(chǎn)生時電器元件的保護等）成為各國研究熱點之一。[2]

隨著現(xiàn)代電磁脈沖、新型強激光、新型武器研究和可控?zé)岷巳诤涎芯康刃骂I(lǐng)域的出現(xiàn)，脈沖能量技術(shù)發(fā)展迅速，其應(yīng)用領(lǐng)域越來越廣泛，特別是在醫(yī)學(xué)、能源領(lǐng)域。[3]然而，由于高壓脈沖源裝置一般體積過大，運輸過程中極易損壞部件，因此，研究一種運輸便捷的高壓脈沖裝置是十分有必要的。而放電開關(guān)影響著脈沖源的各項技術(shù)參數(shù)，是脈沖源研制中的重點對象。

1 基本原理

脈沖源的工作原理是：高壓直流能源經(jīng)過充電電阻對儲能設(shè)備充電，形成充電電路；儲能裝置按規(guī)定電壓充電后，放電開關(guān)由斷開狀態(tài)變?yōu)榻油ɑ蚩刂茽顟B(tài)，使儲能裝置通過放電開關(guān)放電，形成放電電路和高壓端輸出所需的脈沖。[4]經(jīng)過示波器及其它測量設(shè)備，得到波形和參數(shù)。[5]脈沖源結(jié)構(gòu)原理圖如圖1 所示，脈沖源等效電路原理圖如圖2 所示。

圖1 脈沖源結(jié)構(gòu)原理圖

圖2 脈沖源等效電路原理圖

2 放電開關(guān)設(shè)計

放電開關(guān)很大程度上決定著脈沖的參數(shù)，所以對開關(guān)的設(shè)計極為重要。通常要確保開關(guān)傳輸功率盡可能大、靈敏度盡可能大、波動盡可能小時，還要求開關(guān)電容、電感、電阻等參數(shù)要小。[6]

2.1 電極選型

由于開關(guān)屬于機械運動部件、工作時易產(chǎn)生較高熱量繼而更容易氧化、結(jié)構(gòu)較為特殊以及材料性質(zhì)特別等因素，普通開關(guān)的性能相對較差且使用壽命相對較短。[7]電極作為開關(guān)通斷時電流發(fā)生載體，需要防止頻繁接觸電流以避免開關(guān)觸點部分熔焊，因此合適的電極材料至關(guān)重要。

電極材料作為對照實驗中的變量，選擇銀、銅、鉬三重金屬，經(jīng)過放電實驗，探究在同種材料、不同規(guī)格和不同材料、同種規(guī)格條件下，電極材料觸點的性能，并將兩組數(shù)據(jù)綜合，以得到最適合的材料規(guī)格。[8]在整個實驗中，開關(guān)浸至變壓器油中以模擬實際使用時的情景。實驗結(jié)果顯示：金屬鉬在2.5kV 的多次實驗中，表面基本完好，而銅和銀均出現(xiàn)不同程度的磨損甚至溶焊現(xiàn)象。根據(jù)上述實驗，可以得出結(jié)論：金屬鉬相較于金和銀，對于作為2.5kV 脈沖放電開關(guān)觸點更具有優(yōu)勢，實驗顯示，在模擬使用環(huán)境下，鉬的硬度更大、熔點更高，在大電流、高溫環(huán)境下，形變或熔焊的出現(xiàn)概率更低，并且其阻抗較為穩(wěn)定。

2.2 開關(guān)總體設(shè)計

研制的放電開關(guān)結(jié)構(gòu)如圖3 所示，實物圖如圖4 所示。放電開關(guān)設(shè)置在油箱內(nèi)，放電開關(guān)包括推拉式電磁鐵1、彈簧2、絕緣桿3、擺球4、兩個第一電極5、兩個第二電極6，放電開關(guān)整體泡在裝有變壓器油的油中，起絕緣作用，減少抖動。

圖3 放電開關(guān)結(jié)構(gòu)圖

圖4 放電開關(guān)

放電開關(guān)采用雙向自適應(yīng)的電控結(jié)構(gòu)，推拉式電磁鐵固定在油箱內(nèi)底端，推拉式電磁鐵通過連接桿與彈簧的一端連接，絕緣桿的兩端固定有擺球，其中一個擺球的一側(cè)設(shè)置有兩個第一電極，兩個第一電極與油箱之間固定連接，其中另一個擺球的一側(cè)設(shè)置有兩個第二電極，兩個第二電極與油箱之間固定連接，當按下開關(guān)按鈕，電流經(jīng)過推拉式電磁鐵，推拉式電磁鐵的推拉桿收縮，帶動加長桿移動，彈簧伸長，連接桿擺動，擺球與兩個第一電極觸碰，松開開關(guān)按鈕，彈簧回縮帶動擺球右側(cè)回到原先位置。

3 脈沖源整體設(shè)計

由前文可知，脈沖源由高壓電源、充電電阻、儲能電容、放電開關(guān)和負載電阻組成。脈沖源整體結(jié)構(gòu)示意圖如圖5 所示。

圖5 脈沖源整體結(jié)構(gòu)示意圖

3.1 脈沖源選型

常用的高壓電源有兩種：高壓恒流源和高壓恒壓源。[9]通過對比兩者的區(qū)別選擇更便宜且使用方便的恒壓源來作為脈沖源的初級電源。選擇的直流高壓電源含有一個顯示界面和轉(zhuǎn)換開關(guān)，可以輕松的觀察參數(shù)和調(diào)節(jié)正負極性。

充電電阻選用玻璃釉膜電阻，經(jīng)調(diào)查研究得出，這種電阻電性能穩(wěn)定，耐電壓高，溫度系數(shù)低，耐短期過載強，功率大，適用于高壓、大功率電路中，且無感效果好。[10]

儲能電容選擇薄膜式電容器。這種電容器雖然體積稍顯過大，但它有著消耗小、能自愈的特性，適合作為脈沖源的儲能裝置。

選擇10 支額定阻值100Ω、額定功率100W 的繞線電阻并聯(lián)得到負載電阻。根據(jù)檢測觀察得出，這種設(shè)計負載電感僅有60nH 左右，對微秒級脈沖源的上升沿影響較小。同時該電阻使用樹脂密封外部，具有可降低寄生電感、增強散熱功能、減小體積、延長使用壽命、過負荷能力強和熱穩(wěn)定性好的優(yōu)點。[11]

3.2 脈沖源總成

整體布局設(shè)計基本需要考慮到以下因素。首先是布線，要保證線路不交叉，連接線短，線路保證暢通等。[12]如果存在布線不規(guī)范的問題，則會在實驗過程中產(chǎn)生大量雜散參數(shù)，這些參數(shù)會極大改變輸出結(jié)果，造成偏差。其次高壓設(shè)備中高壓部分在設(shè)計時必須遠離設(shè)備殼體，做好絕緣，確保各部件之間連接穩(wěn)固。

脈沖源整體設(shè)計中，油浸開關(guān)高壓輸出端和負載電阻高壓端的絕緣通過采用聚四氟乙烯加工件進行處理；開關(guān)內(nèi)部支架使用有機玻璃作為材料，有機玻璃具有較好的絕緣作用，而且便于安裝且其結(jié)構(gòu)具有較好的穩(wěn)定性。充電電阻與機柜面板隔離通過有機玻璃管實現(xiàn)，來保證高壓端與地的隔離。[13]將開關(guān)放入變壓器油中，確保變壓器油整個包裹住開關(guān)整體，以防開關(guān)電極對外部金屬放電。[14]接地時需考慮到合適的接地線及接地可靠性，最終選擇3cm寬、0.2mm 銅帶作為接地線。整體脈沖源如圖6 所示。

圖6 脈沖源整體

4 測試結(jié)果

將開關(guān)接入脈沖源油箱中，接入放電回路，通過輸出波形檢測開關(guān)性能如圖7 所示，開關(guān)參數(shù)如表1 所示。

圖7 測試波形

表1 開關(guān)參數(shù)

5 結(jié)論

該高壓脈沖源裝置結(jié)構(gòu)緊湊，連接穩(wěn)固，輸出脈沖性能穩(wěn)定，且移動方便，拆卸簡單，儲能電容通過銅條連接，充電時不易燒毀，繞線電阻通過銅板并聯(lián)，降低寄生電感，放電開關(guān)整體泡在裝有變壓器油的油箱中，采用雙向電控自適應(yīng)開關(guān)結(jié)構(gòu)，雙電極結(jié)構(gòu)適用于更多場合，且擺錘半球與電極結(jié)合處緊密貼合，提高了觸發(fā)準確性。高壓電源設(shè)有緊固組件，提高了移動時的安全系數(shù)。高壓脈沖源整體裝于小車中，便于移動，通過按壓按鈕通放電，安全有效，結(jié)構(gòu)設(shè)計合理，有效降低了移動時出現(xiàn)的部件損壞。