鄧珀昆，蔡厚智，龍井華，王 東，雷云飛，黃峻堃，王 勇，劉進(jìn)元

深圳大學(xué)物理與光電工程學(xué)院，光電子器件與系統(tǒng)教育部/廣東省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 廣東深圳 518060

脈沖功率技術(shù)通常使用儲(chǔ)能元件將較低功率的能量?jī)?chǔ)存，然后在極短時(shí)間內(nèi)釋放出來(lái)，從而產(chǎn)生超高功率脈沖[1-3]．脈沖功率技術(shù)是國(guó)防科技的重要技術(shù)基礎(chǔ)，廣泛應(yīng)用于脈沖雷達(dá)、慣性約束聚變及時(shí)間展寬分幅相機(jī)等領(lǐng)域．近年來(lái)，該技術(shù)被逐漸應(yīng)用于環(huán)境工程和醫(yī)學(xué)工程，如水利工程、繁殖植物種苗及結(jié)石破碎等[4-5]．

隨著慣性約束核聚變研究的深入，要求X射線分幅相機(jī)的時(shí)間分辨率小于30 ps，而目前實(shí)用X射線分幅相機(jī)時(shí)間分辨率為60～100 ps，無(wú)法滿足上述要求[6]．2010年，美國(guó)Lawrence Livermore National Laboratory(LLNL)應(yīng)用電子束脈沖展寬技術(shù)，成功研制出時(shí)間分辨率為5 ps的分幅相機(jī)[7]．該相機(jī)首先利用電子束脈沖展寬技術(shù)對(duì)電子束團(tuán)進(jìn)行時(shí)間寬度展寬，再用傳統(tǒng)微通道板(microchannel plate, MCP)變像管對(duì)時(shí)間展寬后的電子束團(tuán)進(jìn)行測(cè)量，從而獲得高時(shí)間分辨率[8]．然而，從光電陰極到MCP有一段長(zhǎng)度為50 cm的漂移區(qū)，電子束團(tuán)在漂移區(qū)運(yùn)動(dòng)時(shí)會(huì)在空間發(fā)散，影響了相機(jī)的空間分辨率．為防止電子束漂移時(shí)過(guò)度發(fā)散，需要長(zhǎng)磁透鏡對(duì)電子束進(jìn)行約束，提高空間分辨率[9]．由于焦耳熱效應(yīng)，長(zhǎng)磁透鏡無(wú)法長(zhǎng)時(shí)間工作在大電流環(huán)境，故需要采用大電流脈沖對(duì)其進(jìn)行激勵(lì)，使其產(chǎn)生強(qiáng)磁場(chǎng)[10]．

本研究采用Marx串聯(lián)與并聯(lián)相結(jié)合的電路結(jié)構(gòu)，設(shè)計(jì)應(yīng)用于長(zhǎng)磁透鏡的大電流脈沖發(fā)生器．傳統(tǒng)Marx 發(fā)生器的核心思想是對(duì)多個(gè)電容進(jìn)行并聯(lián)充電，通過(guò)開(kāi)關(guān)技術(shù)將其串聯(lián)起來(lái)，對(duì)負(fù)載直接放電以獲得高電壓脈沖輸出[11]．這種設(shè)計(jì)雖然可以提升輸出電壓幅度，在一定程度上提高電流幅值，但同時(shí)也會(huì)降低輸出脈沖寬度[12]，難以獲得時(shí)間寬度及電流峰值均較大的脈沖電流．采用多路Marx并聯(lián)放電結(jié)構(gòu)，可以通過(guò)減小電路等效內(nèi)阻提高輸出電壓幅值[13]、增大等效電容增加輸出脈沖寬度，并同時(shí)獲得較大的時(shí)間寬度及峰值電流；并聯(lián)結(jié)構(gòu)還能起到分流保護(hù)的作用，降低流經(jīng)每一路開(kāi)關(guān)元件的電流．本研究Marx脈沖發(fā)生器選擇大功率晶閘管作為開(kāi)關(guān)元件，具有電流觸發(fā)，阻斷電壓高，通流能力強(qiáng)，導(dǎo)通損耗小等特點(diǎn)[14]．設(shè)計(jì)上利用晶閘管電流驅(qū)動(dòng)特性，將門極通過(guò)穩(wěn)流電感以及限流電阻接地，當(dāng)晶閘管陰極為負(fù)電位時(shí)自動(dòng)導(dǎo)通．這種設(shè)計(jì)免去第1級(jí)外晶閘管的驅(qū)動(dòng)電路，節(jié)省電路開(kāi)發(fā)成本，壓縮電路體積．本研究設(shè)計(jì)的大電流脈沖發(fā)生器，輸出脈沖電流幅值為-1.1 kA、 寬度為2.68 ms，將其用于激勵(lì)長(zhǎng)磁透鏡可獲得0.6 T的磁場(chǎng)．

1 電路結(jié)構(gòu)及原理

1.1 電路自觸發(fā)原理

大電流脈沖發(fā)生器的電路結(jié)構(gòu)如圖1，模擬和測(cè)試所使用的負(fù)載為磁透鏡的等效電感1.14 mH和等效電阻500 mΩ．在觸發(fā)信號(hào)沒(méi)有到來(lái)時(shí)，所有晶閘管處于關(guān)斷狀態(tài)，采用大小為HV的直流電源給各支路電容充電，當(dāng)電容充滿時(shí)，回路電流為0 A，電容兩端電壓與直流電源電壓大小相等.

圖1 大電流脈沖發(fā)生器結(jié)構(gòu)示意Fig.1 Structure diagram of high current pulse generator

由于并聯(lián)脈沖電路的脈沖產(chǎn)生機(jī)理相同，故先分析位于圖1下方的第1條支路，如圖2．當(dāng)觸發(fā)信號(hào)到來(lái)時(shí)，觸發(fā)信號(hào)作用在第1級(jí)晶閘管S11的門極上，產(chǎn)生導(dǎo)通電流(如圖2藍(lán)線)，使S11導(dǎo)通．

圖3為第1級(jí)開(kāi)關(guān)導(dǎo)通回路．S11陽(yáng)極和陰極之間的壓降迅速?gòu)腍V降到0 V，使第1級(jí)電容C11上端的電位也迅速降到0 V，下端因感應(yīng)而產(chǎn)生-HV的電勢(shì)．由于支路電阻R11取值較大，支路分流較小，可視為斷開(kāi)．則晶閘管、電容與負(fù)載等形成導(dǎo)通回路，如圖3紅線所示．

圖2 第1級(jí)開(kāi)關(guān)觸發(fā)電流Fig.2 Triggering current of the first-stage switch

圖3 第1級(jí)開(kāi)關(guān)導(dǎo)通回路Fig.3 Conducting circuit of the first-stage switch

圖4為第2級(jí)開(kāi)關(guān)觸發(fā)電流電路圖．第2級(jí)晶閘管S12門極通過(guò)穩(wěn)流電感L11和限流電阻R13與地相連；當(dāng)C11下端電位降到-HV時(shí)，S12的門極與陰極產(chǎn)生壓降，獲得觸發(fā)電流(如圖4藍(lán)線)，從而使第2級(jí)晶閘管導(dǎo)通，則第2級(jí)晶閘管S12導(dǎo)通回路如圖5紅線所示．

圖4 第2級(jí)開(kāi)關(guān)觸發(fā)電流Fig.4 Triggering current of the second-stage switch

圖6為第3級(jí)開(kāi)關(guān)導(dǎo)通回路電路圖．同理，第3級(jí)S13也導(dǎo)通．最終單條支路,3個(gè)電容串聯(lián)，在輸出回路產(chǎn)生幅值為-3HV的電壓脈沖，放電回路導(dǎo)通，導(dǎo)通回路如圖6紅線所示．導(dǎo)通過(guò)程中，電容給負(fù)載電感和負(fù)載電阻放電．隨著電容電量的消耗，電容兩端電壓逐漸減小至0 V，回路電流也逐漸減小至0 V，晶閘管重新關(guān)斷，恢復(fù)至開(kāi)始充電狀態(tài)．

圖6 第3級(jí)開(kāi)關(guān)導(dǎo)通回路Fig.6 Conducting circuit of the third-stage switch

1.2 電路放電等效模型

在晶閘管導(dǎo)通放電過(guò)程中，若支路限流電阻選取適當(dāng)，則電阻分流較小，與主輸出回路電流相比可以忽略，電阻所在分支視為斷開(kāi)．因此，圖1中的晶閘管導(dǎo)通放電時(shí)，可等效為如圖7的回路．其中，L為負(fù)載等效電感；R為負(fù)載等效電阻；U(t)為輸出電壓；I(t)為輸出電流；C為各級(jí)串聯(lián)電容串聯(lián)與各并聯(lián)支路并聯(lián)后的等效電容值，即當(dāng)電路串聯(lián)為n級(jí)，有m個(gè)并聯(lián)分支，每個(gè)電容值為C0時(shí)，

(1)

圖7 脈沖發(fā)生器放電等效電路圖Fig.7 Pulse generator discharge equivalent circuit diagram

設(shè)充電直流電源電壓為U0， 則輸出電流I(t)可表示為[15]

(2)

(3)

由式(2)可見(jiàn)，在輸出負(fù)載參數(shù)固定的情況下，輸出電流幅值與充電直流電壓、儲(chǔ)能電容值呈正相關(guān)．而輸出電流脈沖半高寬與式(2)中的sin(ωt) 有關(guān)，當(dāng)ω越小時(shí)，脈沖寬度越大，電流激勵(lì)時(shí)間越長(zhǎng)，故可以選擇提高等效儲(chǔ)能電容值的方式提高脈沖寬度．

2 模擬結(jié)果及分析實(shí)驗(yàn)

2.1 輸出電壓和電流波形

使用Protues仿真軟件，搭建3級(jí)串聯(lián)3路并聯(lián)Marx脈沖發(fā)生器電路，在負(fù)載電阻500 mΩ、負(fù)載電感1.14 mH、充電直流電壓600 V及儲(chǔ)能電容1 500 μF條件下，測(cè)量電路產(chǎn)生的輸出電壓與電流脈沖波形，搭建電路結(jié)構(gòu)如圖8．采用型號(hào)為70tps12的晶閘管作為脈沖發(fā)生器的開(kāi)關(guān)元件．該器件具有高達(dá)1.2 kV的斷態(tài)重復(fù)峰值電壓，正向浪涌電流為1 400 A．串聯(lián)回路的單級(jí)充電電壓為600 V，儲(chǔ)能電容選用1 500 μF的電解電容．

圖8 三級(jí)串聯(lián)2路并聯(lián)自觸發(fā)Marx發(fā)生器仿真電路Fig.8 Simulation circuit of three-stage series and two-stage parallel self-triggering Marx generator

圖9為Marx脈沖發(fā)生器輸出電壓與電流波形．其中，輸出電壓幅值為-1.7 kV、半高寬(full width at half maximum, FWHM)為1.22 ms；輸出回路電流峰值為-1.1 kA、半高寬為 2.68 ms．為觀察電路自觸發(fā)過(guò)程，對(duì)各級(jí)電容下極板電壓進(jìn)行采樣，得到各級(jí)晶閘管導(dǎo)通時(shí)脈沖前沿以及峰值變化曲線，如圖10．由圖10(a)可見(jiàn)，第1、2級(jí)晶閘管的導(dǎo)通時(shí)間相差750 ns，第2、3級(jí)晶閘管的導(dǎo)通時(shí)間相差931 ns．由圖10(b)可見(jiàn)，各級(jí)電容輸出電壓逐級(jí)遞增，且相差接近600 V，與理論分析結(jié)果相符．

2.2 充電電壓與輸出電流關(guān)系

在3級(jí)串聯(lián)3路并聯(lián)Marx脈沖發(fā)生器電路中，負(fù)載電阻為500 mΩ，負(fù)載電感為1.14 mH，改變充電直流電壓，可獲得不同直流電壓下的電流波形．圖11為輸出電流脈沖的峰值和半高寬隨充電直流電壓的變化曲線，其中，電壓由100 V增加到1 100 V．由圖11(a)可見(jiàn)，當(dāng)充電直流電壓增大時(shí)，輸出電流脈沖的峰值也在增大，當(dāng)儲(chǔ)能電容為1 500 μF、充電電壓達(dá)570 V時(shí)，輸出電流脈沖峰值達(dá)到1 kA，平均脈沖寬度為2.67 ms；當(dāng)儲(chǔ)能電容為1 000 μF時(shí)，充電電壓則需要達(dá)到680 V，輸出電流脈沖峰值才能達(dá)到1 kA，平均脈沖寬度為2.17 ms．由圖11(b)可見(jiàn)，兩條曲線沒(méi)有發(fā)生大幅度變化，表明脈沖寬度與電壓大小無(wú)關(guān)．

因此，在儲(chǔ)能電容一定的條件下，充電直流電壓值與輸出電流脈沖峰值呈正相關(guān)，與式(2)的結(jié)論一致；脈沖寬度與式(2)中的三角函數(shù)項(xiàng)相關(guān)，而在負(fù)載電感和負(fù)載電阻固定的情況下，此項(xiàng)僅與儲(chǔ)能電容相關(guān)，故電壓改變無(wú)法改變脈沖寬度．

圖9 脈沖發(fā)生器輸出電壓和電流波形Fig.9 Pulse generator output voltage and current waveforms

圖10 各級(jí)晶閘管導(dǎo)通時(shí)脈沖前沿以及峰值變化曲線Fig.10 Pulse front and peak value curves of thyristors at all levels during conducting

圖11 不同電壓下輸出電流峰值及FWHM變化曲線Fig.11 Output current peak value and FWHM under different voltages

2.3 儲(chǔ)能電容值與輸出電流關(guān)系

采用3級(jí)串聯(lián)3路并聯(lián)的Marx脈沖發(fā)生器電路，通過(guò)改變電路中儲(chǔ)能電容值，分別測(cè)量輸出電流脈沖的峰值與寬度．圖12為輸出電流脈沖的峰值和半高寬隨儲(chǔ)能電容值從200 μF增至1 500 μF的變化曲線．從圖12(a)可見(jiàn)，當(dāng)儲(chǔ)能電容值提高時(shí)，輸出電流脈沖的峰值增大，當(dāng)直流電壓為1 000 V、儲(chǔ)能電容達(dá)到430 μF時(shí)，輸出電流脈沖峰值達(dá)到1 kA；當(dāng)直流電壓為600 V，充電電壓則需要達(dá)到1 200 μF時(shí)，輸出電流脈沖峰值才能達(dá)到1 kA．由圖12(b)可見(jiàn)，儲(chǔ)能電容值與輸出電流脈寬呈正相關(guān)，不同電壓條件下，脈沖寬度曲線高度重合，進(jìn)一步說(shuō)明脈寬與充電直流電壓值無(wú)關(guān)．

圖12(a)中2條曲線的增長(zhǎng)率隨儲(chǔ)能電容值的增加不斷減小，曲線趨于平緩．在200～400 μF段的平均增長(zhǎng)率為46.7%，而在1 200～1 400 μF段的平均增長(zhǎng)率下降到約8%，且不同電壓條件下增長(zhǎng)率變化趨勢(shì)一致，表明通過(guò)增大儲(chǔ)能電容值來(lái)增加脈沖發(fā)生器輸出電流的方法具有一定局限性．

圖12 不同電容下輸出電流峰值與FWHM的變化曲線Fig.12 Output current peak value and FWHM under different capacitances

2.4 并聯(lián)級(jí)數(shù)與輸出電流關(guān)系

為測(cè)定不同并聯(lián)級(jí)數(shù)對(duì)輸出電流波形的影響，在單路為3級(jí)串聯(lián)的條件下，實(shí)驗(yàn)測(cè)量1～5級(jí)并聯(lián)電路的輸出電流脈沖波形．圖13為不同儲(chǔ)能電容值條件下，脈沖發(fā)生器輸出電流脈沖峰值和脈沖寬度隨并聯(lián)級(jí)數(shù)的變化曲線．可見(jiàn)，輸出電流峰值與脈沖寬度均隨電路并聯(lián)級(jí)數(shù)的增加而逐漸提高，與改變儲(chǔ)能電容值實(shí)驗(yàn)時(shí)的變化趨勢(shì)相似，圖13(a)和(b)中的曲線增長(zhǎng)率均逐漸減小，這是由于改變并聯(lián)級(jí)數(shù)等效于增加并聯(lián)電容數(shù)量，從而增加了電路的等效電容值，故增加并聯(lián)級(jí)數(shù)與增加儲(chǔ)能電容值，對(duì)電路輸出的影響相似．采用Marx并聯(lián)結(jié)構(gòu)，不僅可以減小輸出回路內(nèi)阻，提高帶載能力，還可以提高輸出回路的等效電容，提高輸出電流值和脈沖寬度．

圖13 不同并聯(lián)級(jí)數(shù)輸出電流峰值、FWHM變化曲線Fig.13 Output current peak value and FWHM under different parallel stages

2.5 脈沖激勵(lì)磁透鏡產(chǎn)生磁場(chǎng)

長(zhǎng)磁透鏡可以等效為一個(gè)螺線管，其結(jié)構(gòu)如圖14．其中，l為螺線管長(zhǎng)度；r為螺線管的半徑；z為管內(nèi)某點(diǎn)與螺線管中心點(diǎn)o的軸向距離．通電時(shí)，螺線管在內(nèi)部某一點(diǎn)產(chǎn)生的磁場(chǎng)強(qiáng)度為[16]

圖14 磁透鏡螺線管結(jié)構(gòu)示意Fig.14 Schematic diagram of magnetic lens solenoid structure

(4)

其中，μ0為真空中的磁導(dǎo)率；n為螺線管單位長(zhǎng)度匝數(shù)；I為激勵(lì)電流大?。抡鎸?shí)驗(yàn)中采用的磁透鏡螺線管r=5 cm，l=50 cm，I取脈沖發(fā)生器輸出電流峰值1.1 kA．依次模擬電流下降90%～60%時(shí)的磁場(chǎng)變化，根據(jù)式(4)計(jì)算得到不同位置的磁感應(yīng)強(qiáng)度變化曲線，如圖15(a)．可見(jiàn)，當(dāng)激勵(lì)電流為1 100 A時(shí)，磁透鏡中心位置磁感應(yīng)強(qiáng)度為0.68 T；在磁透鏡5～45 cm內(nèi)，磁感應(yīng)強(qiáng)度高于0.60 T；當(dāng)激勵(lì)電流降至峰值的90%時(shí)，中心位置磁感應(yīng)強(qiáng)度為0.61 T；在磁透鏡10～40 cm內(nèi)，磁感應(yīng)強(qiáng)度高于0.60 T；當(dāng)激勵(lì)電流低于峰值的90%時(shí)，磁透鏡內(nèi)磁場(chǎng)總體低于0.60 T．

激勵(lì)電流取脈沖發(fā)生器的輸出電流脈沖，并在磁透鏡的5～25 cm內(nèi)取樣，得到磁透鏡不同位置磁感應(yīng)強(qiáng)度隨時(shí)間的變化曲線，如圖15(b)．其中，磁透鏡的中心位置為25 cm．可見(jiàn)，在15～25 cm內(nèi)，磁場(chǎng)變化相近，且在0.9～2.3 ms，強(qiáng)度高于0.60 T，時(shí)間寬度為1.4 ms；在10 cm處，強(qiáng)度高于0.60 T的時(shí)間寬度降到1.2 ms；在5 cm處，磁場(chǎng)僅在峰值處達(dá)到0.60 T，與圖12結(jié)果一致．

圖15 磁透鏡產(chǎn)生磁場(chǎng)強(qiáng)度變化曲線Fig.15 Magnetic field strength produced by magnetic lens

結(jié) 語(yǔ)

本研究設(shè)計(jì)一種可用于感性負(fù)載的Marx串并聯(lián)脈沖發(fā)生器電路．電路為3級(jí)串聯(lián)及3路并聯(lián)結(jié)構(gòu)，采用直流電源600 V充電，儲(chǔ)能電容為1 500 μF．在負(fù)載電感為1.14 mH、負(fù)載電阻為500 mΩ時(shí)，輸出幅值為-1.1 kA、寬度為2.68 ms的電流脈沖．分析電路自觸發(fā)過(guò)程，第1、2級(jí)晶閘管的導(dǎo)通時(shí)間相差750 ns，而第2、3級(jí)晶閘管的導(dǎo)通時(shí)間相差931 ns．采用該電流脈沖激勵(lì)長(zhǎng)磁透鏡產(chǎn)生持續(xù)時(shí)間為1.2 ms、強(qiáng)度高于0.60 T的脈沖磁場(chǎng)．研究影響輸出電流峰值和脈沖寬度的因素．模擬結(jié)果表明，提高充電直流電壓值可提高輸出電流脈沖峰值，對(duì)脈沖寬度影響不大，這種方式受限于實(shí)際使用條件及所采用電容的耐壓值；采用容值更高的儲(chǔ)能電容不僅可以提高輸出電流脈沖幅值，還能提高其脈沖寬度，但同樣受制于實(shí)際采用的電容值；通過(guò)引入Marx并聯(lián)結(jié)構(gòu)方式，可彌補(bǔ)實(shí)際使用時(shí)的缺陷，提高電路帶載能力．設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)根據(jù)實(shí)際情況，將上述方式相結(jié)合，互相彌補(bǔ)缺點(diǎn)，以達(dá)到實(shí)際使用要求．