重复频率直线变压器在长脉冲高功率源中的应用

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1、第22卷第1O期强激光与粒子束Vo1．22，No．102010年1O月HIGHPOWERLASERANDPARTICLEBEAMSOct．。2010文章编号：1001—4322(2010)i0～2497—04重复频率直线变压器在长脉冲高功率源中的应用向飞，谭杰，王淦平，罗敏，曹绍云，康强(中国工程物理研究院应用电子学研究所，四川绵阳621900)摘要：在初级脉冲整形的基础上，利用快直线变压器技术，可以使长脉冲高功率微波驱动源的结构紧凑并实现模块化。为此着重分析了直线变压器的传输效率，研究了导致系统输出波形畸变的主要因素。通过工

2、程实验，取得了功率数GW、重复频率25Hz、前沿约40ns、宽度约160ns的长脉冲电子束流输出。关键词：长脉冲高功率微波驱动源；直线变压器；传输效率；波形畸变中圈分类号：TM83文献标志码：Adoi：10．3788／HPLPB20102210．2497随着脉冲功率技术的发展，对源的功率水平、重复频率高低，电子束输出品质和系统集成度等要求越来越高。而传统技术具有各种各样的局限性：如Marx发生器耐压要求高，体积庞大，能量利用效率低，运行维护不方便；基于电感储能技术的装置虽然体积小，但是高功率断路开关随着导通时间增大断路抖动变大

3、，不利于多系统集成，半导体堆开关抖动虽小，但功率容量有限，代价过高；而脉冲变压器充电，长脉冲形成线放电的装置体积很大，不利于实用。20世纪9O年代以来，俄罗斯人提出直线变压器驱动源(LTD)的概念。直线变压器驱动源实质是一个1：l的脉冲变压器功率源，其在单模块中实现电流汇聚，在多个LTD模块感应叠加后实现电压汇聚，最终实现超大功率脉冲用于z箍缩等核爆领域研究口；另外还有一类叫做感应电压加法器的全固态大功率源也采用相同技术，区别在于其开关多使用半导体开关堆，重复频率可以很高，用于驱动常规速调管]。总体上该类装置的特点是采用模块化

4、设计，体积小，重量轻，效率高。所以如果采用快直线变压器驱动源(FLTD)技术_3]，剔除常规LTD次级的高功率形成线和大电压开关直接驱动负载，借鉴脉冲在初级整形的手段_4]，有望实现紧凑型、模块化长脉冲高功率源。该项研究的核心FLTD，能量高效率传输与波形畸变的控制是关键所在，是本文重点研究内容。1传输效率FLTD采用三同轴结构，其初次级以整个外壳为公用地，这样分布参数影响最小。电流主要沿初次级圆柱表面轴向流动，即磁场H主要表现为0分量H，以轴向电流J为独立变量，则得到a(rHo)(1)一一——由于初次级电流方向相反而大小相当

5、，所以系统涡流损耗很低，主要表现为磁滞损耗与波传输损耗。磁滞损耗w主要由磁芯工作时的磁感应增量AB、磁场增量△H、磁芯有效体积与重复频率，决定，其表达式为WB—fVABAH(2)式中：AB由次级电压U、脉冲高宽T、磁芯有效截面S决定，由感应定律得到AB—UT／S；△H由激磁电流i决定，而LTD磁芯为了提高利用率，总是使用退磁回路让其工作点在磁滞回线正负两端，结合安培环路定理得到AH=2i／(2uf)，为磁环平均半径。所以能量传输系数为)7B一1一≈1—277(1一'7)(3)式中：为初级电压；和分别为电压与电流的传输效率；叩与

6、负载R2、初级内阻Rt相关，一2叩Rz／(R+R)，而订≈L／(L十L)，L为磁化电感，L为回路总电感(含开关电感、结构电感、所有引线电感)Is]。波传输功率与管壁表面阻抗和波导介质相关。电磁波可以视为导电媒质中趋肤深度内传输的平面波，表面阻抗为Z一(1+j)~／／口一(1+j)R。(4)*收稿日期：2009一l1—12；修订日期：20i0—04—16作者简介：向飞(1978一)，男，湖北恩施人，硕士，助理研究员，研究方向为脉冲功率技术；xiangfeiyan2004@163．corn。2498强激)l[：与粒子束第22卷式中

7、：厂为波频率；为磁导率；为电导率。对同轴线TEM波，波导壁损耗因子一≈㈤式中：n，b分别为同轴线内外径；e为介电常数。而单位长度同轴线介质损耗因子与其相对介电常数e、损耗角正切tanc~、以及传输波长。(真空介质中)密切相关，表示为一an3(6)显然初级线圈大部为磁芯占据，所以波损耗主要指次级回路波传输损耗。波传输因子为聃≈exp[-2(a+6Zd)z](7)式中：f为次级长度。所以LTD传输效率r／-=77e，那么磁化电感越大，回路电感越小，~．~．NNNCgN，介质损耗越小．电压反射系数越低，能量效率越高。2波形控制RL1

8、￡2波形畸变主要是指前沿与平顶畸变。畸变主要有两个来一VVV—一一一——源：一是分布参数；二是LTD开关性能。由于变压器磁化电感比结构漏感要大，可以忽略其分流作用，纯阻性负载R等效电路如图l所示，其中为初级电压源，R为初级部分等效内阻，L，L。分别为折算到初次级的漏感，(、，