王志國，孫鳳舉，姜曉峰，降宏瑜，魏 浩，邱愛慈，樓 成，文振明

(1. 西北核技術(shù)研究所，西安 710024; 2. 西安交通大學(xué)，西安 710049)

快直線型變壓器脈沖功率驅(qū)動源(fast linear transformer driver,FLTD)可直接產(chǎn)生百納秒級電脈沖，無須脈沖壓縮，是下一代快Z 箍縮驅(qū)動源中最有前景的技術(shù)路線[1-2]。為獲得高峰值功率，F(xiàn)LTD需要數(shù)目龐大的開關(guān)同步工作，對開關(guān)提出了非常嚴苛的低抖動同步觸發(fā)要求。大型FLTD脈沖源包含數(shù)萬至數(shù)十萬只的高功率氣體開關(guān)，大規(guī)模氣體開關(guān)同步觸發(fā)是制約FLTD技術(shù)工程應(yīng)用的瓶頸之一[3-4]。

目前，F(xiàn)LTD常規(guī)觸發(fā)方法為單級模塊引入4路觸發(fā)脈沖，每路脈沖觸發(fā)6～10只氣體開關(guān)[5-7]，為獲得低抖動，觸發(fā)脈沖幅值一般大于120 kV[8]。美國圣地亞國家實驗室提出的Z-300(48 MA)，Z-800裝置(60 MA)概念設(shè)計[9]，中國工程物理研究院提出的50 MA電磁驅(qū)動聚變大科學(xué)裝置(50 MA、150 ns)概念設(shè)計均采用上述同步觸發(fā)方式[10-14]，需要引入數(shù)目龐大的高電壓觸發(fā)電纜，觸發(fā)系統(tǒng)龐大、復(fù)雜，觸發(fā)電纜可靠性難以保證。

針對上述問題，本文提出一種單級FLTD模塊內(nèi)置觸發(fā)支路[15]、共用腔體FLTD組件觸發(fā)延時線觸發(fā)、單路FLTD級聯(lián)觸發(fā)的內(nèi)置級聯(lián)同步觸發(fā)新方法，可大幅降低引入觸發(fā)脈沖數(shù)目和觸發(fā)系統(tǒng)規(guī)模；建立了12級串聯(lián)共用腔體FLTD實驗平臺，實驗驗證了內(nèi)置同步觸發(fā)方法可行性，實驗結(jié)果表明，內(nèi)置級聯(lián)觸發(fā)方法可實現(xiàn)單路FLTD觸發(fā)時序調(diào)控，各級觸發(fā)支路開關(guān)抖動小于2 ns。

1 內(nèi)置級聯(lián)觸發(fā)原理

圖1為多級串聯(lián)FLTD內(nèi)置級聯(lián)觸發(fā)原理示意圖。多級FLTD模塊共用一個外腔體，每級通過多根均勻分布的金屬連接桿回流，每級FLTD單獨放置一個支路用于觸發(fā)其他并聯(lián)支路，該支路稱為觸發(fā)支路，其他支路稱為主放電支路。外部引入1路脈沖實現(xiàn)觸發(fā)支路開關(guān)放電，觸發(fā)支路產(chǎn)生電脈沖用于觸發(fā)模塊內(nèi)主放電支路；4～6級FLTD模塊串聯(lián)構(gòu)成1個FLTD組件，外觸發(fā)脈沖經(jīng)觸發(fā)延時線觸發(fā)組件內(nèi)部的每級觸發(fā)支路開關(guān)，觸發(fā)延時線時延與次級電脈沖傳輸時間相同，實現(xiàn)組件內(nèi)各級FLTD電脈沖按理想時序疊加；各個FLTD組件由前一個組件內(nèi)部觸發(fā)支路引出1路脈沖觸發(fā)后一個組件內(nèi)各級觸發(fā)支路，實現(xiàn)單路FLTD的依次級聯(lián)觸發(fā)。

圖1 多級串聯(lián)FLTD內(nèi)置級聯(lián)觸發(fā)原理示意圖Fig.1 Schematic of inter-cascade trigger of multi-stage series FLTD

2 內(nèi)置級聯(lián)觸發(fā)仿真模型

2.1 單級FLTD內(nèi)置觸發(fā)仿真模型

根據(jù)內(nèi)置觸發(fā)支路及角向傳輸線結(jié)構(gòu)，建立場-路協(xié)同仿真模型如圖2所示。其中，觸發(fā)支路、主放電支路、觸發(fā)隔離電阻及置地電阻等部分使用電路模型，元件參數(shù)均通過實際放電回路測量獲得；角向傳輸線、中間絕緣板及外腔體等結(jié)構(gòu)使用3維電磁模型，按器件實際材料及3維尺寸設(shè)置參數(shù)。其中：觸發(fā)支路電容C2為50 nF；觸發(fā)回路等效電感L為200 nH；觸發(fā)回路等效電阻R4為0.3 Ω；置地電阻R2取2 kΩ；主放電支路等效為開關(guān)分布電容與主支路電容串聯(lián)，開關(guān)等效電容C2為3 pF；發(fā)隔離電阻R3為300 Ω；發(fā)隔離電感L3為2 μH。

(b) Field-cricuit co-simulation model

利用建立的場-路協(xié)同仿真模型分別獲得了內(nèi)置及常規(guī)觸發(fā)方式下主支路開關(guān)的觸發(fā)脈沖波形，如圖3所示。內(nèi)置觸發(fā)方式觸發(fā)支路充電電壓為±80 kV，常規(guī)觸發(fā)方式引入電脈沖140 kV/20 ns。常規(guī)觸發(fā)方式下觸發(fā)脈沖陡度為7.0 kV·ns-1，內(nèi)置觸發(fā)方式下觸發(fā)脈沖陡度為7.4 kV·ns-1，且觸發(fā)脈沖幅值更高(約為280 kV，是常規(guī)觸發(fā)方式2倍)，有利于主支路開關(guān)同步[16]。

圖3 內(nèi)置及常規(guī)觸發(fā)方式下觸發(fā)脈沖波形Fig.3 Waveforms of trigger pulses under inter and general trigger methods

2.2 FLTD組件觸發(fā)延時線仿真模型

建立觸發(fā)延時線觸發(fā)場-路協(xié)同仿真模型，如圖4所示。其中，觸發(fā)器及高壓電纜、延時線末端電阻、觸發(fā)隔離電阻及4級觸發(fā)支路等部分使用電路模型，觸發(fā)延時線使用3維電磁模型。電路模型中：觸發(fā)器電容C1為25 nF；觸發(fā)器回路電感L1為140 nH；等效回路電阻R1為0.1 Ω；觸發(fā)高壓電纜長度為10 m，阻抗為50 Ω；觸發(fā)支路等效為開關(guān)分布電容與觸發(fā)支路電容串聯(lián)，等效電容C2為10 pF，觸發(fā)隔離電阻R2為1 kΩ。

(a) Schematic of three-dimensional structure

(b) Field-cricuit co-simulation model

利用建立的場-路協(xié)同仿真模型獲得了觸發(fā)延時線觸發(fā)方式下觸發(fā)脈沖波形，如圖5所示。

(a) Voltage and current waveforms of trigger delay line

(b) Trigger voltage waveforms of 4 stages

觸發(fā)器輸出前行波電壓為60 kV時，觸發(fā)延時線末端可獲得幅值約為100 kV，前沿小于20 ns的觸發(fā)脈沖，觸發(fā)電流約為0.53 kA，計算觸發(fā)延時線等效阻抗Z約為190 Ω。各級觸發(fā)支路開關(guān)獲得的觸發(fā)脈沖幅值及前沿基本相同，各級延時約為6.0 ns，每級觸發(fā)延時線長度為1.5 m，可得觸發(fā)脈沖在觸發(fā)延時線中的傳輸速率為0.25 m·ns-1。

2.3 多級串聯(lián)FLTD級聯(lián)觸發(fā)仿真模型

建立了多級串聯(lián)FLTD級聯(lián)觸發(fā)電路仿真模型，如圖6所示。

圖6 多級串聯(lián)FLTD級聯(lián)觸發(fā)電路仿真模型Fig.6 Cricuit simulation model of multi-stage series FLTD

由圖6可見，模型包括上游共用腔體單元內(nèi)的觸發(fā)支路、角向傳輸線、隔離電阻及主放電支路、高壓引出線、下游共用腔體單元內(nèi)的觸發(fā)延時線、隔離電阻及觸發(fā)支路等部分。內(nèi)置觸發(fā)支路參數(shù)與單級FLTD仿真模型相同，6個主支路參數(shù)等效為1個支路(其中1個支路為5個主支路參數(shù)等效)，置地電阻R為2 kΩ，角向傳輸線阻抗Z1為60 Ω，高壓引出線傳輸時間為5 ns，阻抗Z2與觸發(fā)延時線阻抗Z3均為190 Ω。觸發(fā)支路開關(guān)分布電容C2為10 pF，觸發(fā)隔離電阻R2為1 kΩ。

利用電路仿真模型獲得了多級串聯(lián)FLTD級聯(lián)觸發(fā)仿真波形，如圖7所示。上游觸發(fā)支路充電電壓為±80 kV，經(jīng)級聯(lián)高壓線饋入下游觸發(fā)延時線的觸發(fā)脈沖幅值約為225 kV，是觸發(fā)支路充電電壓的2.8倍，脈沖上升時間(0～100%)約為50 ns，在電壓為120 kV處出現(xiàn)約10 ns的平頂。為獲得較小的開關(guān)抖動，應(yīng)使下游觸發(fā)支路開關(guān)在觸發(fā)脈沖到達120 kV之前導(dǎo)通。估算高壓引出線傳輸時間為5 ns，次級電脈沖傳輸時間為39 ns(1.3 m水介質(zhì)傳輸線)，則下游觸發(fā)支路開關(guān)導(dǎo)通時延為34 ns時，可實現(xiàn)多級串聯(lián)FLTD次級電脈沖的理想時序疊加。

圖7 多級串聯(lián)FLTD級聯(lián)觸發(fā)仿真波形Fig.7 Simulation waveforms of cascade trigger pulses of multi-stage series FLTD

2.4 12級串聯(lián)FLTD級聯(lián)觸發(fā)實驗驗證

建立了采用內(nèi)置級聯(lián)觸發(fā)方法的12級串聯(lián)共用腔體FLTD實驗平臺，如圖8所示。這是國際上首臺采用水介質(zhì)傳輸線的太瓦級FLTD裝置，總長度4.8 m，直徑2.5 m，包含3個FLTD組件，276個主放電支路、12個觸發(fā)支路，其中主放電支路電容器參數(shù)為100 kV/100 nF，觸發(fā)支路電容器參數(shù)為100 kV/50 nF，每個組件由4級FLTD模塊串聯(lián)構(gòu)成，每個FLTD模塊采用內(nèi)置觸發(fā)支路觸發(fā)，每個FLTD組件內(nèi)部采用觸發(fā)延時線觸發(fā)，延時間隔固定為7.5 ns，F(xiàn)LTD組件之間采用級聯(lián)觸發(fā)，通過調(diào)節(jié)觸發(fā)支路開關(guān)工作系數(shù)可在一定范圍內(nèi)調(diào)控觸發(fā)時延。研制的12級串聯(lián)FLTD裝置僅需引入1路觸發(fā)脈沖，6路充電電纜(正負各3路)和1路氣路，大幅簡化了輔助系統(tǒng)規(guī)模，同時可實現(xiàn)放電支路的原位在線維修替換。

(a) Design

(b) Picture

利用12級共用腔體串聯(lián)FLTD實驗平臺開展了內(nèi)置級聯(lián)觸發(fā)方法的可行性驗證。通過每級觸發(fā)支路開關(guān)上布置的B-dot探頭，測量獲得了±(60～80) kV充電電壓、60%～80%工作系數(shù)下，12級FLTD模塊觸發(fā)支路開關(guān)時延與抖動如圖9所示。由圖9可見，12級FLTD模塊可實現(xiàn)按理想時序依次觸發(fā)放電，觸發(fā)支路開關(guān)抖動小于2 ns。通過調(diào)節(jié)觸發(fā)支路開關(guān)工作系數(shù)，可實現(xiàn)3個FLTD組件導(dǎo)通時序調(diào)控，第3個組件導(dǎo)通時刻最大調(diào)控范圍約為20 ns，等效觸發(fā)時序系數(shù)[12](相鄰2級模塊導(dǎo)通時間間隔與對應(yīng)電磁脈沖傳輸時間的比值)為0.83～1.17。

(a) Trigger timing under ±60 kV charge voltage

(b) Trigger timing under ±70 kV charge voltage

(c) Trigger timing under ±80 kV charge voltage

不同充電電壓下，負載電流波形如圖10所示。采用水電阻負載，近似匹配阻抗設(shè)計。由圖10(a)可見，充電電壓為±83 kV時，負載端可獲得電壓峰值約為1.1 MV、電流峰值約為1.0 MA、前沿約為74 ns的脈沖電流輸出；由圖10(b)可見，負載電流峰值隨充電電壓近似線性增加，表明FLTD裝置內(nèi)部開關(guān)觸發(fā)放電同步性較好。

(a) Load current vs. time under different charging voltages

(b) Load peak current vs. charging voltage

3 結(jié)論

針對FLTD型驅(qū)動源大規(guī)模氣體開關(guān)同步觸發(fā)問題，本文提出了一種內(nèi)置級聯(lián)同步觸發(fā)新方法，采用單級FLTD模塊內(nèi)置觸發(fā)支路、共用腔體FLTD組件觸發(fā)延時線觸發(fā)及單路FLTD級聯(lián)觸發(fā)方法，可大幅降低引入觸發(fā)脈沖數(shù)目和觸發(fā)系統(tǒng)規(guī)模。建立了基于內(nèi)置觸發(fā)的FLTD 3維電磁及電路仿真模型，仿真結(jié)果表明：內(nèi)置觸發(fā)方式產(chǎn)生的觸發(fā)脈沖陡度與常規(guī)觸發(fā)方式相當(dāng)，但觸發(fā)脈沖幅值更高，是常規(guī)觸發(fā)方式的2倍，更有利于主支路開關(guān)同步；觸發(fā)延時線等效阻抗Z約為190 Ω，觸發(fā)延時線中觸發(fā)脈沖的傳輸速率約為0.25 m·ns-1，且各級觸發(fā)脈沖幅值及前沿基本相同；級聯(lián)觸發(fā)脈沖幅值是觸發(fā)支路充電電壓的約2.8倍，上升時間約為50 ns，次級采用水介質(zhì)傳輸線時可實現(xiàn)理想時序觸發(fā)。

建立了12級串聯(lián)共用腔體FLTD實驗平臺，實驗驗證了內(nèi)置同步觸發(fā)方法可行性，實現(xiàn)了引入1路脈沖同步觸發(fā)12級串聯(lián)FLTD，大幅降低了引入觸發(fā)脈沖數(shù)目和觸發(fā)系統(tǒng)規(guī)模。實驗結(jié)果表明：內(nèi)置級聯(lián)觸發(fā)方法可實現(xiàn)單路FLTD內(nèi)氣體開關(guān)按理想時序依次導(dǎo)通，各級觸發(fā)支路開關(guān)抖動小于2 ns，通過調(diào)節(jié)觸發(fā)支路開關(guān)工作系數(shù)，可實現(xiàn)單路FLTD導(dǎo)通時序調(diào)控，時序系數(shù)范圍為0.83～1.17。