韓克華，任 西，秦國圣，褚恩義

（陜西應(yīng)用物理化學(xué)研究所應(yīng)用物理化學(xué)國家級重點(diǎn)實(shí)驗室，陜西 西安 710061）

0 引言

高壓脈沖功率源是沖擊片雷管（Slapper）起爆的能量源，是爆炸箔沖擊片加載試驗的主要裝置，也是引信電子安全高壓起爆系統(tǒng)的主要使用部件。高壓脈沖功率源由三個主要元器件組成，分別為脈沖變壓器、高壓儲能電容器和高壓開關(guān)。從1980年到2006年引信年會的資料可以看出，國外的高壓脈沖功率源技術(shù)發(fā)展迅速［1－3］，在1994年 LLNL（Lawrence Livermore National Laboratories）實(shí)驗室研制的高壓脈沖功率源輸出效率可達(dá)80%［4－6］，在2008年52屆引信年會報道的脈沖功率源輸出效率可達(dá)90%［7－8］。目前國內(nèi)關(guān)于高壓脈沖功率源的報道的資料大部分都是其工作原理和設(shè)計思想［9－11］，在高壓脈沖功率源優(yōu)化設(shè)計、具體的輸出效率、有效能量、能量利用率等輸出特性方面卻未見報道。為此本文通過測試與計算，研究高壓脈沖功率源的輸出特性。

1 試驗與計算方法

沖擊片雷管在作用過程中，其內(nèi)部金屬橋箔在高壓脈沖功率源瞬間放電時產(chǎn)生的大電流作用下，產(chǎn)生電爆炸帶動飛片撞擊鈍感炸藥柱將其引爆，在此過程中，金屬橋箔需要在短時間內(nèi)得到足以使其產(chǎn)生等離子體的能量，這就要求高壓脈沖功率源輸出的脈沖大電流在幅度和時間特性上都能滿足要求［12］。利用試驗計算方法對高壓脈沖功率源能量輸出效率、有效能量和能量利用率進(jìn)行定量表征。給高壓脈沖功率源輸入一定的高電壓，按照試驗要求對不同負(fù)載放電曲線和參數(shù)進(jìn)行計算，可以得出高壓脈沖功率源能量輸出效率、有效能量和能量利用率的定值。

1.1 試驗裝置

實(shí)驗裝置測試原理框圖如圖1所示，包括采樣速率不低于1GS／s的數(shù)字存儲示波器（DSO）、高壓數(shù)字表、高壓脈沖功率源系統(tǒng)、電流測量線圈、分壓器、短路負(fù)載、爆炸橋箔等。

圖1 實(shí)驗裝置測試原理框圖Fig.1 Test principle of experiment device

脈沖變壓器將＋27V低電壓轉(zhuǎn)換成3 000V高電壓，經(jīng)整流后給高壓脈沖功率源中高壓脈沖電容器充電，用高壓數(shù)字表檢測充電電壓；當(dāng)高壓開關(guān)經(jīng)過觸發(fā)電路觸發(fā)時，高壓開關(guān)導(dǎo)通，高壓脈沖電容器上的高電壓經(jīng)過高壓開關(guān)對爆炸橋箔或者短路負(fù)載進(jìn)行放電，回路中的電流用電流測量線圈進(jìn)行測量，電壓用分壓器測試，數(shù)據(jù)用數(shù)字示波器進(jìn)行檢測并記錄。由于高壓脈沖電容器上的電壓是千伏級的，在放電過程中，瞬間電流和電壓較大，所以電流測量線圈和分壓器所測試的電流和電壓是經(jīng)過衰減過的，在讀取電流和電壓數(shù)據(jù)時，示波器顯示的電流和電壓數(shù)據(jù)乘以電流測量線圈和分壓器的衰減倍數(shù)，就是高壓脈沖電容器放電電流和電壓的實(shí)際值。

1.2 試驗方法

如圖1所示接入試驗裝置，分別將負(fù)載更換為短路線負(fù)載、0.5Ω的無感電阻［13］、金屬橋箔，利用儲能電容器對其放電，用電流測量線圈和分壓器分別測試放電電流曲線和電壓曲線，測試曲線如圖2所示。

圖2（a）是負(fù)載為短路線時，所測試放電回路電流曲線，在美軍標(biāo) MIL－DTL－23659D中對其規(guī)定測試回路電流應(yīng)包含至少5個等間隔減幅振蕩電流，利用此振蕩波形參數(shù)可以進(jìn)行系統(tǒng)等效電阻，系統(tǒng)等效電感等性能參數(shù)的計算。圖2（b）是負(fù)載為0.5 Ω的無感電阻時，所測試放電回路電流曲線，利用此圖參數(shù)可進(jìn)行脈沖功率源的輸出能量計算。圖2（c）是負(fù)載為金屬橋箔時，所測試放電回路電流與電壓波形，利用此波形可以測試金屬橋箔在大電流沖擊下的動態(tài)參數(shù)，如爆發(fā)電流、爆發(fā)電壓、爆發(fā)時間，可以計算能量利用率等性能參數(shù)。

圖2 不同負(fù)載放電曲線Fig.2 Discharge curves of various loads

1.3 試驗數(shù)據(jù)計算方法

由于金屬橋箔在大電流的沖擊過程中，產(chǎn)生等離子體，其電阻是一個動態(tài)參數(shù)［10］，計算比較困難，故用0.5Ω的無感電阻替代金屬橋箔，進(jìn)行輸出效率的計算，其算法就是利用放電曲線和上升時間所包含的面積就能判斷出脈沖功率源輸出效率的高低，如放電曲線圖2（b）所示。具體計算方法如下：

脈沖功率源輸入總能量為：

脈沖功率源輸出能量為：

脈沖功率源輸出效率為：

式中，C為脈沖功率源儲能電容器容量，U為充電電壓，i為放電回路電流，R為0.5Ω。

脈沖功率源對金屬橋箔進(jìn)行放電時，加載在金屬橋箔上的能量具體表征方法如下：

金屬橋箔利用的能量為：

能量利用率為：

公式（4）中u、i為金屬橋箔作用時所測試的爆發(fā)電壓與爆發(fā)電流曲線參數(shù)。脈沖功率源對負(fù)載為金屬橋箔放電時，用電流測量線圈和分壓器測試的放電回路電流和電壓如圖2（c）所示，從測試波形可以看出，在橋箔爆發(fā)點(diǎn)后超過1μs的時間內(nèi)，起爆回路中都有電流、電壓存在。從橋箔爆炸氣化推動飛片加速到最高速度期間內(nèi)，橋箔消耗的能量大部分轉(zhuǎn)換為飛片動能，這部分能量稱其為有效能量。利用P＝U×I，將爆發(fā)電壓與爆發(fā)電流曲線相乘先得到功率曲線，再對功率曲線進(jìn)行積分，即得到加載在金屬橋箔上的能量。根據(jù)相關(guān)文獻(xiàn)，沖擊片雷管飛片加速過程約為200ns［12］，因此可將橋箔爆發(fā)點(diǎn)后200ns這一時刻作為區(qū)分有效能量的時間節(jié)點(diǎn)，故在數(shù)據(jù)處理中將爆發(fā)電流曲線、爆發(fā)電壓曲線起爆點(diǎn)后200ns以后的數(shù)據(jù)截去，不計入橋區(qū)消耗的能量。

2 高壓脈沖功率源輸出特性

由試驗與計算結(jié)果得到能量輸出效率與能量利用率。

2.1 能量輸出效率

對高壓脈沖功率源加載電壓分別為1.0kV，1.5kV，2.0kV，2.5kV，2.8kV 時，對負(fù)載為0.5 Ω無感電阻進(jìn)行放電測試，將放電電流曲線按照P＝I2×R可計算功率曲線，功率曲線如圖3所示。

圖3 短路負(fù)載輸出功率曲線圖Fig.3 Power curves of short circuit

在有效的時間內(nèi)對功率曲線進(jìn)行積分，式（2）計算結(jié)果即為高壓脈沖功率源的輸出能量，再利用式（3）進(jìn)行計算，可以得到高壓脈沖功率源的輸出效率。試驗用高壓脈沖功率源所用高壓脈沖電容器容量為0.2μF，對功率曲線積分后，所得輸出能量以及計算輸出效率曲線如圖4所示。

由圖3的功率曲線可以看出，隨著加載電壓的升高，功率曲線所包圍的面積也逐漸增大，這說明隨著加載電壓的升高，輸出能量是逐漸增加的。由圖4（a）可以看出，隨著加載電壓的升高，輸入能量和輸出能量都是漸增趨勢，但是輸入能量增加的趨勢較大，而輸出能量的增加趨勢較為平緩，輸出效率曲線如圖4（b）所示，輸入電壓范圍從1.0～3.0kV，電壓加載范圍較寬，而輸出效率卻在33%～45%之間緩慢遞增，由試驗和計算結(jié)果可以得出高壓脈沖功率源輸出效率隨著加載電壓大幅度的增加，其遞增較為緩慢，變化范圍較窄的結(jié)論。

圖4 輸入和輸出能量與輸出效率曲線Fig.4 Curves of energy and efficiency

2.2 能量利用率

利用高壓脈沖功率源對相同參數(shù)的金屬橋箔進(jìn)行放電，利用電流測量線圈、分壓器進(jìn)行回路電流、負(fù)載加載電壓的測量。不同加載電壓下所測試的峰值電流、爆發(fā)電流、峰值時間和爆發(fā)時間曲線如圖5所示。利用P＝U×I可計算功率曲線，如圖6所示。利用式（4）對功率曲線在有效時間內(nèi)進(jìn)行積分，即功率曲線所包圍的有效面積為加載在金屬橋箔上的能量。利用式（5）進(jìn)行計算，可得到不同加載電壓下的金屬橋箔的能量利用率，如圖7所示。

圖5 不同電壓下橋箔爆炸性能參數(shù)對比曲線Fig.5 Exploding performance curves of exploding foil

由圖5（a）可以看出，隨著加載電壓的不斷升高，峰值電流和爆發(fā)電流也隨之升高。通過對爆發(fā)時間與峰值時間的比較，如圖5（b）所示，當(dāng)發(fā)火電壓為2.2～2.7kV之間，爆發(fā)時間最接近峰值時間，在發(fā)火電壓為2.5kV時，峰值時間與爆發(fā)時間接近重合。通過對爆發(fā)時間與峰值時間的比較，分別對功率曲線在有效時間內(nèi)進(jìn)行積分，如圖6所示，得到不同放電電壓加載在金屬橋箔上的有效能量。通過圖6可以看出，功率曲線在峰值的上升部分面積較小，下降面積較大，則說明加載在金屬橋箔上的功率，主要消耗在橋箔汽化產(chǎn)生等離子體的過程。在發(fā)火電壓為2.5kV時，功率曲線的有效面積最大，輸出的有效能量也最大。利用式（5）進(jìn)行計算有效能量利用率，不同加載電壓下的有效能量利用率如圖7所示，在加載電壓為2.2kV時，金屬橋箔能量利用率為最高點(diǎn)，為11.3%，在加載電壓為2.5 kV時，能量利用率為10.9%。

圖6 不同放電電壓下的功率曲線Fig.6 Power curves of various voltage discharging

圖7 不同電壓下的能量利用率曲線Fig.7 Effective energy curves of various voltage discharging

從以上的試驗計算結(jié)果可以看出，在發(fā)火電壓為2.2～2.7kV之間，爆發(fā)時間最接近峰值時間，在發(fā)火電壓為2.5kV時，峰值時間與爆發(fā)時間接近重合；在發(fā)火電壓為2.5kV時，功率曲線的有效面積最大，輸出的有效能量也最大；在加載電壓為2.2kV時，金屬橋箔能量利用率為最高點(diǎn)，為11.3%，在加載電壓為2.5kV時，能量利用率為10.9%，這說明，對于相同參數(shù)的金屬橋箔，爆發(fā)功率越大，峰值時間和爆發(fā)時間越接近，則金屬橋箔轉(zhuǎn)化給飛片的能量越大，金屬橋箔的能量利用率越高。

3 試驗結(jié)果分析

由于高壓脈沖功率源主要器件為脈沖變壓器、高壓脈沖電容器和高壓開關(guān)，脈沖變壓器主要是向高壓脈沖電容器提供初始能量。當(dāng)高壓脈沖電容器將儲存的電壓通過高壓開關(guān)對負(fù)載進(jìn)行放電時，此時放電回路可以等效為一個RLC串聯(lián)電路。其中C為高壓脈沖電容器容量，L為放電回路等效電感和負(fù)載電感之和，R為放電回路等效電阻和負(fù)載電阻之和。

在RLC串聯(lián)放電回路中，由于放電回路的總電阻R即放電回路等效電阻與負(fù)載電阻之和、放電回路的總電感L即放電回路等效電感與負(fù)載電感之和、電容容量C是屬于放電回路固有參數(shù)，當(dāng)負(fù)載為定值時，總阻抗是定值，根據(jù)RLC串聯(lián)電路特性可知，電流衰減系數(shù)與總電感成反比，振蕩角頻率與總電感的平方根值成反比，振蕩周期與總電感的平方根值成正比，放電回路總電流與加載電壓成正比，與振蕩角頻率的正弦函數(shù)成正比。所以在RLC串聯(lián)放電回路中，總阻抗為定值時，放電回路電流的大小不僅與加載電壓有關(guān)，還與振蕩角頻率的正弦值有關(guān)，并且振蕩角頻率的正弦值小于1，所以負(fù)載輸出能量隨著加載能量的增加而增加，但是輸出能量遞增較為緩慢，由于放電回路的輸出效率為輸出能量與加載能量的比值，如公式（3），這就造成了輸出效率隨著加載電壓的升高遞增較為平緩的緣故。

當(dāng)高壓脈沖功率源輸出端負(fù)載為0.5Ω的無感電阻時，此時只考慮脈沖功率源放電回路的等效電感。從放電測試波形如圖2（b）所示可以看出，當(dāng)負(fù)載為0.5Ω無感電阻時，放電波形為衰減振蕩波形，放電波形符合欠阻尼振蕩電路振蕩波形，從波形中可以看出，該放電回路中的電流衰減較快，振蕩周期較短。由于此時負(fù)載為0.5Ω無感負(fù)載，放電回路中的總電感較小，總電阻較大，造成電路衰減系數(shù)較大，電流衰減較快，衰減振蕩角頻率較大，振蕩周期較短。符合以上理論分析的結(jié)果，即脈沖功率源放電回路阻抗為定值時，回路總電感越小，電流衰減系數(shù)越大，電流衰減越快，振蕩角頻率越大，振蕩周期越小，振蕩越快的特性。從高壓脈沖功率源輸出特性的試驗和計算結(jié)果可以看出，當(dāng)負(fù)載為0.5Ω的無感電阻時，由于放電回路總阻抗是定值，所以回路中的電流隨著加載電壓的增加而增加，負(fù)載上的電壓隨著加載電壓的升高而升高，故負(fù)載輸出能量隨著加載電壓的升高是逐漸增加，但是由于振蕩角頻率的正弦值小于常數(shù)1，故負(fù)載輸出能量的增加趨勢較為平緩，能量輸出效率變化范圍較窄。

當(dāng)負(fù)載變?yōu)榻饘贅虿瓡r，由于橋箔自身存在電阻和電感，所以此時放電回路中的總電感為放電回路等效電感與金屬橋箔電感之和，放電回路總電阻為放電回路等效電阻與金屬橋箔電阻之和。從放電波形圖2（c）可以看出，負(fù)載為金屬橋箔時，放電波形為欠阻尼振蕩波形，電流衰減較慢，周期較長，正是由于金屬橋箔的電阻較小造成電路衰減系數(shù)較小，金屬橋箔的電感增加了回路電感影響了振蕩周期。金屬橋箔發(fā)生的電爆炸是一個動態(tài)變化過程，金屬橋箔在大電流沖擊的過程中，在某一時刻發(fā)生汽化，這點(diǎn)也叫做金屬橋箔的爆發(fā)點(diǎn)，如圖2（c）所示，爆發(fā)電流曲線的凹點(diǎn)，也是爆發(fā)電壓最大值所對應(yīng)的點(diǎn)，這一點(diǎn)雖說是金屬橋箔的爆發(fā)點(diǎn)，但并不是沖擊片雷管的起爆點(diǎn)，根據(jù)沖擊片雷管起爆機(jī)理，在金屬橋箔汽化后，還需要更多的能量將汽化的金屬等離子體進(jìn)行加速，使其剪切飛片，使飛片高速經(jīng)過加速膛，直接撞擊藥柱，使藥柱起爆。但是沖擊片雷管起爆的主要因素就是金屬橋箔的汽化程度，所以金屬橋箔的爆發(fā)程度以及能量利用程度是沖擊片雷管能否起爆的直接影響因素，而金屬橋箔利用高壓脈沖功率源輸出的能量不是隨著加載電壓的升高而升高。根據(jù)金屬橋箔爆炸性能得知［11］，金屬橋箔在電爆炸過程中經(jīng)歷緩慢加熱、熔化、汽化和爆炸，較多的能量損耗在發(fā)火線路上。所以在金屬橋箔發(fā)生電爆炸時，爆發(fā)點(diǎn)太超前，爆炸后電流繼續(xù)上升，后面的能量不能得到利用而浪費(fèi)；爆發(fā)點(diǎn)對于峰值電流太靠后，則爆炸箔爆發(fā)電流低，發(fā)火時間長，作用在爆炸箔上的能量減少，相應(yīng)的飛片速度較低不能引起炸藥爆轟。故對于相同參數(shù)的金屬橋箔，能量利用率最高點(diǎn)為爆發(fā)電流與峰值電流最接近或重合點(diǎn)，即爆發(fā)電流時間與峰值電流時間差值最小點(diǎn)。

通過對高壓脈沖功率源輸出特性的試驗與計算結(jié)果以及理論分析結(jié)果得知，高壓脈沖功率源的輸出效率隨著加載電壓的升高遞增較為緩慢；對于相同參數(shù)的金屬橋箔，爆發(fā)功率越大，峰值時間和爆發(fā)時間越接近，則金屬橋箔轉(zhuǎn)化給飛片的能量越大，金屬橋箔的能量利用率越高。

4 結(jié)論

本文通過利用高壓數(shù)字表檢測充電電壓，用分壓器測試電壓，用數(shù)字示波器檢測并記錄數(shù)據(jù)。經(jīng)計算得出高壓脈沖功率源加載電壓從1.0～3.0kV大幅度的增加，輸出效率在33%～45%遞增較為緩慢，變化范圍較窄；加載電壓為2.2kV時，高壓脈沖功率源爆發(fā)功率最大，能量利用率最高，為11.3%；對于相同參數(shù)的金屬橋箔，爆發(fā)功率越大，峰值時間和爆發(fā)時間越接近，則金屬橋箔轉(zhuǎn)化給飛片的能量越大，金屬橋箔的能量利用率越高。對試驗與計算結(jié)果的分析表明：高壓脈沖功率源輸出特性與理論分析規(guī)律相符合。

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