CN110932707A - 一种降低磁开关饱和电感的电路结构及磁开关 - Google Patents
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Abstract
本发明属于脉冲功率技术领域，公开了一种降低磁开关饱和电感的电路结构及磁开关，磁开关包括主绕组，磁芯，附属绕组，陡化电容以及负载。附属绕组绕制在磁芯上；陡化电容的正极与负极分别与附属绕组的两端电连接。本发明通过增加附属绕组与陡化电容的方式，磁开关饱和之后主绕组磁场与陡化电容磁场方向相反，通过降低主绕组内磁通量进而减小饱和电感的目的，能够将主绕组电感降低至自身结构电感之下。本发明提供的降低磁开关饱和电感的电路结构，结构简单，方便实现或进行现有装置的改造。
Description
技术领域
本发明属于脉冲功率技术领域，涉及一种降低磁开关饱和电感的电路结构及具有该电路结构的磁开关。
背景技术
磁开关是脉冲功率技术领域现阶段唯一的一种固态大功率导通开关，耐压及通流能力极强，是固态化脉冲功率装置的首选主开关。较为常见的应用场合包括作为脉冲形成线的放电开关，目的是在负载上形成上升沿较快、具有一定平顶的方波脉冲。在形成线充电阶段，磁开关处于非饱和状态，此时磁开关发挥关断作用，其目的是保证形成线被充到预定电压且负载上不出现预脉冲；随着形成线充电过程的进行，其充电电压与充电时间之积达到磁开关固有伏秒积时，磁芯饱和，此时磁开关切换到导通状态，其作用是将形成线储存的能力向负载释放。
磁开关作为脉冲形成线主开关时，为获得较快的输出脉冲上升前沿，需减小磁开关的饱和电感。而为了压制预脉冲，又希望增大其非饱和电感。由于关断与导通过程共用同一绕组，导致两种需求是相互矛盾的。实际使用中，通常需要减小绕组匝数，牺牲负载预脉冲以达到减小饱和电感的目的。众所周知，电感的大小与绕组匝数及通过绕组中的磁通量成正比，要想同时获得较低的预脉冲比重以及较快的上升前沿，需要引入新的机制。
发明内容
为了解决现有磁开关无法兼顾磁开关关断与导通性能，同时获得较低预脉冲以及较快上升沿的问题，本发明提出了一种降低磁开关饱和电感的电路结构，兼顾磁开关关断与导通性能，采用增加附属绕组与陡化电容的方法，使得将预脉冲抑制在较低水平的同时，在磁芯导通之后通过附属陡化电容的作用，将磁开关饱和电感也降至较低水平。
该方法的核心思想是：将形成线充电过程中的漏电流的能量储存起来，而后在主脉冲到来时，利用储存起来的能量对主脉冲进行前沿的陡化。
本发明是通过以下技术方案来实现：
一种降低磁开关饱和电感的电路结构，其特殊之处在于：包括附属绕组与陡化电容；上述附属绕组用于绕制在磁开关磁芯上，上述陡化电容的正极与负极分别与附属绕组的两端电连接。
本发明还提供一种磁开关，包括磁芯与绕制在磁芯上的主绕组；上所述主绕组的输入端用于连接前级，输出端用于连接负载；此处前级可以是脉冲形成线；
其特殊之处在于：还包括附属绕组与陡化电容；
上述附属绕组绕制在磁芯上；上述陡化电容的正极与负极分别与附属绕组的两端电连接；主绕组为磁开关绕组，附属绕组与陡化电容相结合发挥降低磁开关饱和电感的作用。
进一步地，为了提高磁开关性能，上述磁芯材料采用铁基纳米晶带材。
工作过程如下：
充电过程中，较小的漏电流流过主绕组，此时磁芯处于非饱和态，漏电流的能量通过磁芯耦合至附属绕组，并储存在陡化电容内；
随着充电完成，磁芯饱和，前级开始通过主绕组向负载放电，与此同时，陡化电容开始反向放电。陡化电容放电产生的磁场会有部分沿磁芯而通过主绕组，并且该磁场方向与主绕组内磁场方向相反。从而达到减小主绕组内磁通量进而减小饱和电感的目的。
本发明的有益效果是：
1、本发明通过增加附属绕组与陡化电容的方式，磁开关饱和之后主绕组磁场与陡化电容磁场方向相反，通过降低主绕组内磁通量进而减小饱和电感的目的，能够将主绕组电感降低至自身结构电感之下；
2、本发明提供的降低磁开关饱和电感的电路结构，结构简单，方便实现或进行现有装置的改造。
附图说明
图1为本发明降低磁开关饱和电感的电路结构在磁开关上应用的结构示意图；
图中附图标记为：1-主绕组，2-磁芯，3-附属绕组，4-陡化电容，5-负载；
图2为本发明的实施例示意图；
图中附图标记为：1-主绕组，2-磁芯，3-附属绕组，4-陡化电容，5-负载，6-充电电源，7-脉冲形成线。
具体实施方式
下面结合具体的实施例对本发明做进一步的详细说明，所述是对本发明的解释而不是限定。
如图1，本发明附属绕组3绕制在磁开关磁芯2上，陡化电容4的正极与负极分别与附属绕组3的两端电连接。主绕组1为磁开关绕组，其两端分别与前级及负载连接，附属绕组3与陡化电容4相结合发挥降低磁开关饱和电感的作用。
其工作时序是：图1中，用实线箭头标出磁开关处于断开状态时的电流流向，用虚线箭头标出磁开关饱和导通之后的电流流向，图中实心圆的位置标示二者相连。
充电过程中，较小的漏电流流过主绕组，这种机制的核心思想是将充电过程中的漏电流的能量储存起来，而后在主脉冲到来时，利用储存起来的能量对主脉冲进行前沿的陡化。图中实线箭头所示为磁开关上两个绕组的充电方向，虚线箭头所示为放电方向。可以看出，随着充电完成，磁芯2饱和，前级开始通过主绕组1向负载5放电，与此同时，陡化电容4开始反向放电。此时，由于磁芯2已经饱和，初次级之间的耦合作用非常微弱。但是，由于磁芯2饱和之后相对磁导率不可能降为1，陡化电容4放电产生的磁场会有部分沿磁芯2而通过主绕组1，并且该磁场方向与主绕组1内磁场方向相反。从而达到减小主绕组1内磁通量进而减小饱和电感的目的。
下面介绍本发明应用于磁开关作为脉冲形成线主开关的实施方案，如图2所示。此时，理想情况下期望在负载上获得一个前沿较快的阶梯波。形成线输出半高宽为40ns的方波脉冲时，采用甘油绝缘，脉冲形成线7轴向长度约为1m，磁芯用量通过下式计算：
其中充电电压为Uc(t)，由充电电源6决定，磁芯饱和充电时间为ts，在这里，同样也是输出脉冲的宽度，Sm为磁芯横截面积，ΔBmax为磁芯允许的最大磁感应强度增量，其值等于Bs与Br之差，Bs与Br分别为磁性材料的饱和磁感应强度与剩余磁感应强度，N为磁芯上的绕组匝数，KT为磁芯填充系数。
充电过程中，充电电源6输出一定幅值的高压脉冲为脉冲形成线7的内外筒之间充电，该过程中会有漏电流通过主绕组1。此时磁芯2处于非饱和态，漏电流的能量通过磁芯2耦合至附属绕组3，并储存在陡化电容4内。当充电电源6输出的电压与充电时间之积满足式(a)时，磁芯2饱和，储存于脉冲形成线7内的能量开始通过主绕组1向负载5释放，若无陡化结构，此时由于主绕组1饱和电感较大，会导致在负载5上获得的脉冲前沿拉长，从而影响系统的输出性能。采用本发明的降低磁开关饱和电感的电路结构后，在脉冲形成线7内的能量向负载5释放的过程中，陡化电容4通过附属绕组3反向放电，产生的磁场有一部分耦合至主绕组1内，并与此时主绕组1内的磁场方向相反，达到抵消磁通量的目的。此时主绕组1的电感降至最低，系统输出脉冲前沿得到陡化。
Claims (3)
1.一种降低磁开关饱和电感的电路结构，其特征在于：包括附属绕组与陡化电容；所述附属绕组用于绕制在磁开关磁芯上，所述陡化电容的正极与负极分别与附属绕组的两端电连接。
2.一种磁开关，包括磁芯与绕制在磁芯上的主绕组；所述主绕组的输入端用于连接前级，输出端用于连接负载；
其特征在于：还包括附属绕组与陡化电容；
所述附属绕组绕制在磁芯上；所述陡化电容的正极与负极分别与附属绕组的两端电连接。
3.根据权利要求2所述的磁开关，其特征在于：所述磁芯材料采用铁基纳米晶带材。
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