CN103715937A

CN103715937A - 两个倍压电路串联输出的磁脉冲压缩单元及磁脉冲压缩源

Info

Publication number: CN103715937A
Application number: CN201310676093.5A
Authority: CN
Inventors: 潘亚峰; 丁臻捷; 方旭; 王刚; 胡龙; 浩庆松; 范菊平; 袁雪林
Original assignee: Northwest Institute of Nuclear Technology
Current assignee: Northwest Institute of Nuclear Technology
Priority date: 2013-12-12
Filing date: 2013-12-12
Publication date: 2014-04-09
Anticipated expiration: 2033-12-12
Also published as: CN103715937B

Abstract

本发明涉及两个倍压电路串联输出的磁脉冲压缩单元及磁脉冲压缩源，其特征在于：磁饱和脉冲变压器ST₁和电容C₁、C₂构成一个次级倍压电路，磁饱和脉冲变压器ST₂和电容C₃、C₄构成另一个次级倍压电路；次级倍压电路的两个次级电容C₁和C₂，C₃和C₄串联后形成两倍充电电压输出，两个倍压电路串联后四个串联电容C₁、C₂、C₃和C₄形成接近四倍电压输出。一种磁脉冲压缩源，输入单元是磁饱和脉冲变压器ST₁和ST₂的初级回路；磁脉冲压缩单元为两个包含磁饱和脉冲变压器的次级倍压电路的串联输出回路；输出单元是基于半导体断路开关（SOS）的脉冲产生回路。优点在于：效率不受影响，克服了现有技术通过增加脉冲压缩级数提高输出电压导致的系统效率下降问题。

Description

两个倍压电路串联输出的磁脉冲压缩单元及磁脉冲压缩源

技术领域

本发明属于脉冲功率技术领域，涉及两个倍压电路串联输出的磁脉冲压缩单元及磁脉冲压缩源。

背景技术

高重频高功率脉冲技术已广泛应用于环境治理、医学等诸多领域。磁开关为带有铁磁芯的多匝螺绕环，铁磁材料在饱和前后磁导率差异非常大，表现出开关特性，磁饱和脉冲变压器为磁开关的一种。基于磁开关的脉冲压缩源通过多级压缩实现从微秒到纳秒时间的脉冲压缩，磁脉冲压缩源重频运行稳定。

为了实现更高的输出电压，磁脉冲压缩设计一般采取的方法有：一、结合磁饱和脉冲变压器，采用次级倍压电路；二、增加脉压级数，并采用磁饱和脉冲变压器或者倍压电路；三、增加升压变压器次级匝数。第一种方法较为常用。第二种方法带来了脉压级数增加后系统效率降低的问题。对于第三种方法，可以通过密绕或者加大磁芯尺寸来增加变压器次级匝数，但是匝数过多会引起匝间绝缘问题，适用于高重频运行的铁氧体磁芯的尺寸增大后磁性能下降，且成本上升。第三种方法增加变压器次级匝数后，次级饱和电感增大，变压器饱和后的脉压时间相应增大，为获得需要的输出脉冲宽度可能需要另外增加一级脉压电路。

现有技术表明，在采用倍压电路的基础上进一步提高输出脉冲电压往往需要增加脉压级数，然而脉压级数的增加降低了系统效率。

发明内容

为了避免现有技术的不足之处，本发明提出一种两个倍压电路串联输出的磁脉冲压缩单元及磁脉冲压缩源，实现了更高电压的短脉冲产生，解决了现有技术通过增加脉压级数提高输出电压导致的系统效率下降问题。

一种两个倍压电路串联输出的磁脉冲压缩单元（图1），其特征在于包括磁饱和脉冲变压器ST₁、ST₂和ST₃，四个电容C₁、C₂、C₃和C₄，以及磁开关MS₁；脉冲变压器ST₁的次级和ST₂的次级相串联，电容C₂和C₃相串联，电容C₁、磁饱和脉冲变压器ST₃的初级、磁开关MS₁和C₄相串联，三个串联电路实现并联；脉冲变压器ST₁的次级和ST₂的次级串联电路的中心点接地，电容C₂和C₃串联电路的中心点接地；磁饱和脉冲变压器ST₁和电容C₁、C₂构成一个次级倍压电路，磁饱和脉冲变压器ST₂和电容C₃、C₄构成另一个次级倍压电路；次级倍压电路的两个次级电容C₁和C₂，C₃和C₄串联后形成两倍充电电压输出，两个倍压电路串联后四个串联电容C₁、C₂、C₃和C₄形成接近四倍电压输出。所述的电容C₁、C₂、C₃和C₄的电容量相等。所述磁饱和脉冲变压器ST₁和ST₂具有相同的参数、同步升压且磁芯同步饱和。所述三个磁饱和脉冲变压器ST₁、ST₂和ST₃和磁开关MS₁均采用铁氧体磁芯。

一种利用磁脉冲压缩单元构成的磁脉冲压缩源（图2），其特征在于包括输入单元、磁脉冲压缩单元和输出单元；所述输入单元是磁脉冲压缩单元的磁饱和脉冲变压器ST₁和ST₂的初级线圈并联后，与初级电容C_{0_1}、C_{0_2}和快速闭合开关S形成初级回路；所述输出单元是磁饱和脉冲变压器ST₃次级的一端与开关SOS的一端连接，ST₃次级的另一端通过电容C₅接地，开关SOS的另一端接地，负载R的一端接地，另一端与SOS的非接地端连接。所述快速闭合开关S采用多个绝缘栅双极晶体管IGBT开关的串并联组合。

本发明的优点在于：通过对两个磁饱和脉冲变压器的次级倍压电路进行串联输出，实现了输出电压的进一步提高；与现有技术通过增大磁芯尺寸和增加次级匝数提高输出电压相比，本发明经济成本低，利于小型化；能量效率不受影响，克服了现有技术通过增加脉压级数提高输出电压导致的系统效率下降问题。

附图说明

图1为本发明两个倍压电路串联输出的磁脉冲压缩单元。附图标记：A、B—磁饱和脉冲变压器ST₁的初级线圈两端；C、D—磁饱和脉冲变压器ST₂的初级线圈两端；E、F—磁饱和脉冲变压器ST₃的次级线圈两端。

图2为本发明磁脉冲压缩源的实施例。

图3为单个倍压电路的电压波形。其中U₁、U₂分别为电容C₁和C₂两端的电压，U_1～2为电容C₁和C₂的串联电压。

图4为两个倍压电路的串联输出波形。其中U_1～2为电容C₁和C₂的串联电压，U_1～4为四个电容C₁～C₄的串联电压，U₅为电容C₅的电压。

图5为SOS的泵浦波形和负载R的输出波形。其中I_{ST3_2}为磁饱和脉冲变压器ST₃的次级线圈电流，I_SOS为开关SOS的电流，I_R为负载R为300Ω时的负载电流。

图6为负载R的功率曲线。

具体实施方式

现结合实施例、附图对本发明作进一步描述：

本实施例磁脉冲压缩源（图2）由输入单元、磁脉冲压缩单元和输出单元三个部分组成。

实施例的输入单元为两个磁饱和脉冲变压器ST₁和ST₂的初级回路，在次级升压过程中变压器磁芯处于非饱和的状态，在升压工作之前需对磁芯进行励磁。输入单元的工作原理为：初级直流电源DC对电容C₀充电完成后，触发导通快速闭合开关S，电容C₀上的初级储能通过磁饱和脉冲变压器ST₁和ST₂向各自的次级传输。当变压器的初次级回路谐振时能量效率最高。

实施例的磁脉冲压缩单元为两个包含磁饱和脉冲变压器的次级倍压电路的串联输出回路（图1和图2）。磁饱和脉冲变压器ST₁和ST₂次级的一端连接并接地，另一端极性相反。磁脉冲压缩单元的工作原理为：（1）在磁饱和脉冲变压器ST₁和ST₂的次级同步升压过程中，磁开关MS₁和磁饱和脉冲变压器ST₃发生磁芯提前饱和，即电压降趋于零，四个电容C₁～C₄的充电电压相等；（2）当四个电容C₁～C₄的充电电压达到最大时，磁饱和脉冲变压器ST₁和ST₂发生磁芯同步饱和，磁饱和脉冲变压器ST₁的饱和次级电感与电容C₂形成振荡回路，电容C₂的极性发生翻转，与电容C₁串联后的电压接近原充电电压的两倍，同样另一个次级倍压电路的电容C₃、C₄串联后接近两倍充电电压，两个次级倍压电路的二倍压极性是相反的。在实际工作中，磁饱和脉冲变压器ST₁和ST₂的磁芯同步饱和的理想条件难以满足，假设磁饱和脉冲变压器ST₁的磁芯先发生饱和，则在电容C₂的极性翻转过程中，电容C₁、磁饱和脉冲变压器ST₁的饱和次级、电容C₃和C₄、饱和的磁开关MS₁和磁饱和脉冲变压器ST₃的饱和初级构成串联回路，回路电流与电容C₁、C₄的充电电流方向相反、与电容C₃的充电电流方向相同，故磁开关MS₁和磁饱和脉冲变压器ST₃的磁芯从饱和状态翻转为非饱和状态，电容C₃电压幅值的增大则加快磁饱和脉冲变压器ST₂的磁芯发生饱和；（3）当4个电容C₁～C₄的串联电压接近充电电压的四倍时，磁开关MS₁发生磁芯饱和，4个串联电容C₁～C₄的储能向磁饱和脉冲变压器ST₃的次级电容C₅传递。

实施例的输出单元为基于半导体断路开关（SOS）的脉冲产生回路，工作原理为：磁饱和脉冲变压器ST₃的次级电容C₅的升压过程，同时也是开关SOS的正向泵浦过程；当电容C₅的电压幅值达到最大时，磁饱和脉冲变压器ST₃的磁芯发生饱和，ST₃的饱和次级电感、电容C₅和开关SOS形成振荡回路，为开关SOS的反向泵浦过程；SOS反向泵浦结束后发生开关发生纳秒量级的快速截断，从而在输出负载R上形成很快的脉冲前沿。

仿真电路的具体参数为：C_{0_1}=C_{0_2}=5.76μF、C₁=C₂=C₃=C₄=1.8nF、C₅=0.2nF；ST₁和ST₂的初次级匝数比均为1:40，ST₃的初次级匝数比为1:2；C_{0_1}和C_{0_2}初始充电电压1kV，初级电路开关S在t=0时刻闭合。图3～图6给出了仿真结果。图3给出了单个倍压电路的电压波形，t=5μs时刻磁饱和脉冲变压器ST₁发生磁芯饱和；t=5μs～5.98μs期间电容C₂上的电压发生极性翻转而电容C₁上的电压保持不变；t=5.98μs时刻C₂电压极性翻转过程结束，电容C₁和C₂上的电压相近，两个电容的串联电压U_1～2达到最大为66kV。图4给出了两个倍压电路串联输出的波形，t=5.98μs时刻两个倍压电路的四个电容C₁～C₄的串联电压为130kV，该时刻磁开关MS发生磁芯饱和；t=5.98μs～6.18μs期间，磁饱和脉冲变压器ST₃的初级能量向次级传递，该过程同时也为SOS的正向泵浦过程；t=6.18μs时刻次级电容C₅上的电压达到最大为186kV，该时刻ST₃的发生磁芯饱和。t=6.18μs～6.213μs期间，ST₃的次级饱和线圈、C₅和SOS形成振荡回路，该过程为SOS的反向泵浦过程，SOS在接近回路电流I_{ST3_2}最大值时开始发生截断，同时负载电流开始增大，300Ω负载R的电流峰值767A，脉宽25ns（图5）。负载阻值为200～450Ω时，输出功率为170～176MW（图6）。

Claims

1.一种两个倍压电路串联输出的磁脉冲压缩单元，其特征在于包括磁饱和脉冲变压器ST₁、ST₂和ST₃，四个电容C₁、C₂、C₃和C₄，以及磁开关MS₁；脉冲变压器ST₁的次级和ST₂的次级相串联，电容C₂和C₃相串联，电容C₁、磁饱和脉冲变压器ST₃的初级、磁开关MS₁和C₄相串联，三个串联电路实现并联；脉冲变压器ST₁的次级和ST₂的次级串联电路的中心点接地，电容C₂和C₃串联电路的中心点接地；磁饱和脉冲变压器ST₁和电容C₁、C₂构成一个次级倍压电路，磁饱和脉冲变压器ST₂和电容C₃、C₄构成另一个次级倍压电路；次级倍压电路的两个次级电容C₁和C₂，C₃和C₄串联后形成两倍充电电压输出，两个倍压电路串联后四个串联电容C₁、C₂、C₃和C₄形成接近四倍电压输出。

2.根据权利要求1所述的两个倍压电路串联输出的磁脉冲压缩单元，其特征在于：所述的电容C₁、C₂、C₃和C₄的电容量相等。

3.根据权利要求1所述的两个倍压电路串联输出的磁脉冲压缩单元，其特征在于：所述磁饱和脉冲变压器ST₁和ST₂具有相同的参数、同步升压且磁芯同步饱和。

4.根据权利要求1所述的两个倍压电路串联输出的磁脉冲压缩单元，其特征在于：所述三个磁饱和脉冲变压器ST₁、ST₂和ST₃采用铁氧体磁芯。

5.根据权利要求1所述的两个倍压电路串联输出的磁脉冲压缩单元，其特征在于：所述磁开关MS₁采用铁氧体磁芯。

6.一种利用权利要求1～5所述任一项磁脉冲压缩单元的构成的磁脉冲压缩源，其特征在于包括输入单元、磁脉冲压缩单元和输出单元；所述输入单元是磁脉冲压缩单元的磁饱和脉冲变压器ST₁和ST₂的初级线圈并联后，与初级电容C_{0_1}、C_{0_2}和快速闭合开关S形成初级回路；所述输出单元是磁饱和脉冲变压器ST₃次级的一端与开关SOS的一端连接，ST₃次级的另一端通过电容C₅接地，开关SOS的另一端接地，负载R的一端接地，另一端与SOS的非接地端连接。

7.根据权利要求6所述的磁脉冲压缩源，其特征在于：所述快速闭合开关S采用多个绝缘栅双极晶体管IGBT开关的串并联组合。