新型纳秒脉冲电源的参数设计与实验研究

摘要：提出了一种新型的高压纳秒脉冲电源，该装置输出电压和频率可调，控制极为方便；输出波形稳定，谐波分量小；工作稳定，可靠性高。电源主要采用省去磁芯复位电路的两级磁脉冲压缩技术与运行可靠的半导体断路开关技术，该电源应用广泛，可用于对一些气体、液体、固体介质的放电研究和其他需要高压电源的场合。详细分析了该电源的工作原理，并测得各种实验电压波形。着重介绍了磁脉冲压缩网络的参数设计，得出了电源在获得较高输出电压峰值时的磁开关(MS)和可饱和变压器的具体参数，并通过一系列对比实验验证了参数设计的准确性。结果表明，相关元件参数固定后，非线性磁芯的饱和都有一个最佳时刻。
关键词：脉冲电源；半导体断路开关；磁脉冲压缩

1 引言
开关是脉冲功率系统中的关键元件，开关性能的好坏决定了脉冲功率系统的好坏。许多传统的脉冲电源以机械式火花隙、水开关、真空开关等作为主开关，虽然能获得高峰值的窄脉冲，但均存在寿命短、重复频率低等问题，制约了脉冲电源的发展。为了解决上述问题，利用功率半导体开关结合磁脉冲压缩开关的方法来产生高压快脉冲，并得到了较快的发展。尤其是近年来一种新颖的磁脉冲压缩网络的应用，使得存在已久的MS复位问题得以解决，使MS能在高电压、高重复频率脉冲下长时间工作，且半导体断路开关的最高工作重复频率可达兆赫兹级。在此提出了一种基于SOS和两级磁脉冲压缩网络的新型拓扑电路，并设计了一套新型的实用化高压纳秒脉冲电源。

2 高压脉冲电源
图1为高压脉冲电源原理图，它主要由两级磁脉冲压缩系统与SOS系统组成。最高充电电压为1．5 kV的全桥串联谐振电源将C1充电至630 V，给晶闸管V一个触发脉冲使其导通，C1通过L1与可饱和变压器PT1给并联的C2和C3充电，当PT1饱和后，电感剧降，C2与PT1次级发生谐振，当C2两端电压达到反向峰值时，A点处的电压达到约18．8 kV，此时MS饱和，C2和C3串联起来通过可饱和变压器PT给C4充电，充电电流为SOS提供正向电流，C4充满电后，PT达到饱和，其次级电感急剧下降，于是C4开始通过PT2次级及SOS放电，此时SOS流过反向电流，于是在SOS上产生一个较大的反恢复电流，从而会在负载R上产生一个峰值高达51 kV，半高宽120 ns，峰值前沿60 ns的负极性脉冲。非线性磁芯在整个电源系统中起着不可忽视的作用，PT1，PT2，MS的饱和时间都最终会对负载输出产生影响，故非线性磁芯的参数设计就显得比较关键。

3 可饱和变压器与磁开关参数设计
3．1 PT1的设计
V导通后，初始储能电容C1给C2和C3充电时的电路图可等效如图2a所示。设定变压器变比n1=N1：N2=1：20，L’为MS，PT2和电路中杂散电感的总和，由于L’折算到初级的电感较小，可忽略不计，可得到折算到初级后的等效电路图如图2b所示，其中C2'=2C2N2=176／3 μF。

式中：u为电感两端承受的电压；N为线圈匝数；S为磁芯的截面积；△B为磁芯磁感应强度变化量，△B=Bs+Br，Bs为饱和磁感，Br为剩余磁感。
将式(1)代入式(2)，则有：
，将PT2次级等效到初级，可得简化电路如图4b所示。其中，。可得C4两端电压达到最大值的时间为：

PT2初级两端电压可近似表示为：

将式(6)代入式(2)可得PT2初级匝数NPT2=1．88，取2匝，则次级为10匝，使用1个磁芯材料为型号为ONL-1308050的环形磁芯。表1为所设计的可饱和变压器及磁开关相关数据。

4 实验结果
电源元件参数：V为1 kA／1．8 kV，二极管VD为1．2 kA／1．8 kV，L1=0．65 μH，C1为35 μF／1．5 kV，C2，C3为0．073 μF／24 kV，C4为2 000 PF／60 kV，SOS为60 kV／25 A，R为50 Ω／200 W。相关元件参数固定后，在初始充电电压为630 V时，通过改变可饱和变压器和MS的匝数，以确定最佳匝数和获得较高的输出效果。
4．1 PT1匝数变化的影响
当NMS=13，NPT2=2：10时，改变NPT1后，负载电压uR的实验波形如图5所示。可见，NPT1=1：20时的负载电压峰值要比NPT1=2：40时高很多，但脉宽变化不大。这是因为NPT1=2：40时饱和时间较长，以至C2充满电后未能饱和，影响了C2峰值的反向，从而对负载输出产生了影响。

4．2 MS匝数变化的影响
当NPT1=1：20，NPT2=2：10时，改变NMS，μR波形如图6所示。

可见，NMS=13时的负载电压峰值比NMS=5或30时高，脉宽变化不大。这是因为NMS=5时MS饱和时间较短，以至其饱和时μA未能达到最大值；而NMS=30时MS饱和时间较长，其饱和时μA早已达到最大值且电压有所下降。这两种情况都会影响能量的传输，从而影响负载的输出。
4．3 PT2匝数变化的影响
当NPT1=1：20，NMS=13时，改变NPT2后，μR波形如图7所示。