脈沖形成網絡PFN放電特性研究

王維昌　趙錦成

摘 要： 脈沖形成網絡（PFN）作為雷達發射機的重要組成部分，承擔著儲能和放電的雙重作用，而且在醫療、激光、高能電子領域得到了廣泛應用。首先從PFN的工作原理出發，分析了其電路結構以及對應的各項參數指標，利用Simulink對其放電特性進行了仿真，得到其放電波形，并分析了影響脈沖方波電流的因素。

關鍵詞： 脈沖形成網絡； 脈沖電流； 線性調制器； 方波電流

中圖分類號： TN787?34 文獻標識碼： A 文章編號： 1004?373X（2015）01?0144?03

Abstract：：As one of the key parts of radar transmitter， pulse?forming network （PFN） plays a dual role of energy storage and discharge， and has been widely used in the fields of medical， laser and high energy. The working principle， circuit structure and corresponding specifications of PFN are analysed. The discharge waveform was obtained in the Simulink simulation for discharge characteristics. The factors which affect pulse rectangular wave current are analyzed.

Keywords： pulse forming network； pulse current； linear modulator； rectangular wave current

0 引 言

脈沖形成網絡也稱人工線、仿真線（Pulse?forming Networks，PFN），是雷達線性脈沖調制器中的重要元件之一。

目前普遍使用的脈沖形成網絡是電壓反饋型結構，用來模擬無損耗傳輸線的傳輸特性，以產生雷達發射機中所需要的方波電流，在雷達發射機的線型調制器中起著放電和儲能的雙重作用。

隨著電力電子器件的飛速發展，線型脈沖調制器作為一種效率比較高的脈沖調制器，不僅在雷達發射機中應用，在高能電子加速器、醫療加速器、工業輻照加速器、同步輻射加速器等領域中也得到了廣泛應用。為此，作為線型脈沖功率調制器的關鍵元件之一，PFN引起了人們越來越多的重視。

本文從PFN的基本原理入手，探討了PFN的拓撲結構，研究其充放電特性中鏈數、電感電容參數選擇等對脈沖波形的影響，并通過仿真驗證了結論的正確性。

1 脈沖形成網絡結構特性

1.1 無損耗傳輸線

由于雷達的發射元件為脈沖性負荷，所以要求供電系統能夠輸出矩形的方波電壓，利用無損耗傳輸線可以產生理想的矩形脈沖。假定一根長為[l，]波阻抗為[Z，]電壓為[U0]的無損傳輸線，當[t=0]時，閉合開關K，對電阻[R]進行放電，如圖1（a）所示。

1.2 鏈式脈沖形成網絡

在傳輸線中，波的傳播速度為300 m/μs，要設計一個1 000 μs的矩形方波就需要1 500 km的輸電線，這顯然是很不現實的。傳輸線是由分布的電容和電感組成的，在試驗中可以用集中參數電容和電感組成的模擬網絡來代替。雖然有限數目的網絡不能夠精確地模擬真實分布的參數傳輸線，但增加網絡元件的數目一定程度上可以產生與矩形波相似的脈沖。

通過分析PFN的放電過程，可以得到以下結論：

（1） 由式（5）可知，在正失配狀態時，PFN在一個脈沖之后有剩余的正向電壓，如采用閘流管作為開關元件，則在下一個充電周期開始時，閘流管還在繼續導通。優點是可以得到比匹配狀態大一些的輸出電壓，但是系統效率低，調制器容易產生連通。

（2） 當PFN工作在負失配狀態下時， PFN兩端電壓在下一個脈沖到來前為負值，這樣有利于閘流管兩端消除電離。因為閘流管在脈沖過后不能承受過大的反向電壓，所以調制器通常工作在負失配狀態，并用反峰電路限制過大的反向電壓，以起到對閘流管的保護作用。

2 電路仿真及其結果分析

2.1 PFN放電電路仿真

在方波沖擊電流電路參數計算的基礎上，利用圖2對PFN方波發生電路進行仿真。以某型號線性調制器的PFN為例，其負載兩端額定電壓為30 V，額定電流為120 A，脈沖頻率為1 kHz，工作占空比為10%。為了得到滿意的波形以及調試方便，這里選取PFN的鏈數為12，根據第2節可以計算出PFN的總電感[L=]15 mH，總電容[C=]240 mF，如圖4所示。

2.2 影響PFN放電波形的因素

從圖5負載電流波形圖可以看出，當每一鏈的電感平均值相同時，電流過沖過大，并且電流幅值隨時間有一定的降落。

（1） 首鏈電感對波形的影響。從圖5可以看出，在首鏈處，電流波形有明顯過沖震蕩，波形上升速度快，若增大首鏈電感，其他條件不變，波形如圖6所示。雖然電流上升速度減緩，但過沖震蕩明顯減小，因此，靠近負載端首鏈電感對波頭影響顯著。

（2） 中間電感對波形的影響。對圖6頂部放大后得到圖7（a），從圖7（a）中可以看出由于電感內阻的存在，從60 μs后電流存在明顯的降落。為了獲得理想的方波電流，可以適當減少中間段的電感量，調整后的波形如圖7（b）所示， 電流無明顯降落，基本維持在要求范圍內。

（3） 末鏈電感對波形影響。在圖7的基礎上，分別增加末鏈的電感值到原來的兩倍，即[L12=]2.5 μH；減小末鏈的電感值到原來的[12，]即[L12=]0.625 μH，結果如圖8所示，可以看出：增大末鏈電感時，脈沖電流后沿持續時間變長，電流下降速度變慢；減小末鏈電感時，脈沖電流后沿持續時間變短，電流下降速度變快。

由上述仿真波形可以得出：若將沖擊方波電流波形分成[n]段，則靠近負載的首鏈對應于方波電流的上升沿和持續時間，末鏈對應于方波電流的下降沿，其他鏈則影響沖擊方波電流的持續時間的各個相應部分。減小某一鏈的電感使對應該段的電流幅值增大，反之，增加電感則使該段對應波形電流幅值下降。

3 結 語

隨著電力電子器件的飛速發展和雷達總體要求水平的逐步提高，行波管、速調管等微波功率管得到越來越多的應用，線性脈沖調制器作為一種高效的脈沖調制電路，其應用范圍也越來越廣，因此，為了滿足不同型號線性脈沖調制器的需要，PFN的技術指標要求也隨之發生了一些相應的變化。本文從脈沖形成網絡PFN的結構和原理出發，分析了其工作參數計算方法和放電特性， 并通過仿真分析了影響PFN放電波形的因素。實踐證明，在對PFN進行設計時，必須針對其不同的特點，選取合適的電路結構和鏈數，并進行精確地調試，以滿足對PFN波形指標的要求。為了確保PFN運行時的高效率和長壽命，必須對其進行熱設計，這方面還有許多工作需要深入研究。

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