单级磁脉冲压缩系统实验研究

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1、第２０卷第８期强激光与粒子束Ｖｏｌ．２０，Ｎｏ．８２００８年８月ＨＩＧＨＰＯＷＥＲＬＡＳＥＲＡＮＤＰＡＲＴＩＣＬＥＢＥＡＭＳＡｕｇ．，２００８文章编号：１００１４３２２（２００８）０８１３９７０５单级磁脉冲压缩系统实验研究张东东１，严萍１，王珏１，周媛１，２，邵涛１（１．中国科学院电工研究所，北京１００１９０；２．中国科学院研究生院，北京１０００４９）摘要：基于没有附加磁芯复位电路的磁脉冲压缩网络，设计研制了单级磁脉冲压缩系统；介绍了系统电路的工作情况，通过计算给出了系统关键元件的参数；应用Ｐｓｐｉｃｅ仿真分析软件对系统电路进行仿真，

2、仿真结果显示，负载为５００Ω时，饱和变压器和磁开关的磁芯所需饱和时间分别为６μｓ和５００ｎｓ。实验结果表明：系统接２００Ω负载时，输出脉冲幅值约１８．５ｋＶ，下降时间约４０ｎｓ，脉冲宽度约７０ｎｓ，最高重复频率可达５００Ｈｚ；引入高压快速恢复二极管替代续流电感，不仅有效抑制了负载预脉冲，而且输出脉冲尾部的振荡幅值与持续时间都显著减小。关键词：脉冲功率；磁脉冲压缩；磁开关；快速恢复高压二极管中图分类号：ＴＮ７８文献标志码：Ａ磁脉冲压缩（ＭＰＣ）技术有效地克服了火花隙开关、闸流管、晶闸管等大功率开关性能的不足给脉冲功率系统带来的限制。Ｍｅｌｖｉｌ

3、ｌｅ于１９５１年首次提出，利用可饱和电抗器（磁开关）作为开关元件以产生大功率脉［１］冲。由于磁脉冲压缩器是固态脉冲压缩装置，不含气体放电部件，不需要形成放电等离子体通道，没有电极侵蚀，也不存在放电恢复时间，因而具有非常长的寿命。近年来一种新颖的磁脉冲压缩网络的应用使得困扰已［２１０］久的磁开关复位问题得以解决，磁开关能够达到很高的重复率。为了更加系统地研究这种磁脉冲压缩网［５，７］络，本文根据这种磁脉冲压缩网络设计了单级磁脉冲压缩系统，并对其进行实验研究。１单级磁脉冲压缩系统设计１．１工作原理图１所示的单级磁脉冲压缩系统是基于没有附加磁芯复

4、位电路的磁脉冲压缩网络拓扑结构设计的。它由两部分组成：低压部分和高压部分。低压部分包括：主储能电容犆、晶闸管ＴＨＹ以及电感犔；高压部分采用１１１变压器油绝缘，包括：可饱和变压器ＰＴ、磁开关ＭＳ、储能电容器犆和犆以及电抗器犔（为犆和犆提供充１１３４２３４［７］电回路）。图２为高压部分实物图。磁脉冲压缩系统电路的工作情况描述为主储能电容犆１预先充电至６００Ｖ；当晶闸管ＴＨＹ导通以后，主储能电容犆上的能量通过可饱和变压器ＰＴ传送给电容犆和犆；经过６后，犆１１１３４μｓ３和犆两端的电压幅值达到约１８ｋＶ，这时可饱和变压器ＰＴ饱和，犆两端电压通过可饱和

5、变压器ＰＴ的副边４１３１Ｆｉｇ．１ＯｎｅｓｔａｇｅＭＰＣｓｙｓｔｅｍＦｉｇ．２Ｐｈｏｔｏｇｒａｐｈｏｆｔｈｅｈｉｇｈｖｏｌｔａｇｅｐａｒｔ图１单级磁脉冲压缩系统电路图２高压部分实物图收稿日期：２００７１０２３；修订日期：２００８０７２８基金项目：国家自然科学基金项目（５０４３７０２０，５０７０７０３２）作者简介：张东东（１９８０—），男，博士，主要从事高压脉冲电源研究；ｚｈｄｄ＠ｍａｉｌ．ｉｅｅ．ａｃ．ｃｎ。１３９８强激光与粒子束第２０卷迅速放电，经过５００ｎｓ的时间犆两端电压达到反向峰值；这时犆和磁开关ＭＳ交汇点处的电压就由原来

6、的３４１０电位变化到约－３５ｋＶ，磁开关ＭＳ１饱和。由于磁开关ＭＳ１饱和以后的电感（犔ＭＳ＝２μＨ）相对于犔２（犔２＝１５０μＨ）的电感很小，所以最终能量可以在约１００ｎｓ的时间释放到负载两端。１．２主要器件选择１．２．１晶闸管放电回路由犆１，犔１，ＰＴ１及ＴＨＹ１构成。犆１两端电压６００Ｖ，放电时间６，回路放电时能量向ＰＴ次级传递，等效电路如图３所示。μｓ１２，整个次级电容等效到初级的电容量犆ｍ＝（犆３＋犆４）犖２＝１．６３μＦ回路电容犆＝犆／（犆）＝０．９０。回路放电时间τ＝６，由τ１犆ｍ１＋犆ｍμＦμｓ＝π槡犔犆，可得犔＝４．０５μＨ。

7、则回路放电峰值电流犐ｐｅａｋ＝犝槡犆／犔＝２８２．８４Ａ。５００Ｈｚ下的平均电流犐ａｖｅｒａｇｅ＝犐ｐｅａｋ槡τｄ犳／２＝１０．９５Ａ。由以上结果可知，ＴＨＹ１选用ＫＫ系列５００Ａ／１６００Ｖ可控硅，可Ｆｉｇ．３Ｓｉｍｐｌｉｆｉｅｄｅｑｕｉｖａｌｅｎｔｃｉｒｃｕｉｔ满足要求。参数为：通态平均电流犐，断态重复峰值电压Ｔ＝５００Ａｄｅｓｃｒｉｂｉｎｇｔｈｅ犆３，犆４ｃｈａｒｇｅ犝ＤＲＭ＝１６００Ｖ，通态峰值电压犝ＴＭ＝２．６Ｖ，断态重复峰值电流犐ＤＲＭ＜图３犆３和犆４并联充电时的等效电路６０ｍＡ，门极触发电压犝ＧＴ为１．０～１．６Ｖ，门极触发电流

8、犐ＧＴ为８０～１０２ｍＡ，关断时间狋ｇ≤２７μｓ，通态电压上升率ｄ狌／ｄ狋＞５００Ｖ／μｓ，断态电流上升率ｄ犻／ｄ狋＞２００Ａ／μｓ。为能吸收管子反向阻断时由于ｄ犻