單級磁壓縮網絡理論分析與實驗研究

劉天宇，指導教師：楊曉光

（河北衡水第一中學，河北衡水，053000）

單級磁壓縮網絡理論分析與實驗研究

劉天宇，指導教師：楊曉光

（河北衡水第一中學，河北衡水，053000）

脈沖電源具有廣泛的應用價值，而磁壓縮技術是脈沖電源的關鍵技術。本文分析了單級磁壓縮電路的結構和工作原理，設計并搭建了一種單級磁壓縮電路，對其進行了仿真分析與實驗研究，仿真結果和實驗結果具有很好的一致性。實驗結果表明，所設計的磁壓縮電路可有效陡化電流波形。

脈沖電源；磁開關；磁脈沖壓縮；Saber仿真

0 引言

脈沖電源技術在軍事與工業中應用廣泛，如約束性核聚變、電子束、粒子束、直線加速器、激光技術、等離子體技術、電磁炮、電磁發射等[1-4]。脈沖功率系統一般通過高壓直流電源對儲能元件進行充電，并通過快速功率開關的動作將能量以脈沖形式迅速釋放到負載上,從而在負載端獲得高壓快速脈沖。

目前在高頻高壓脈沖電源充電系統中，半導體開關器件的過流和過壓問題嚴重影響了整個電源系統的效率和穩定性[5]。要解決上述問題，以磁開關為核心的磁壓縮網絡是最好的選擇。磁脈沖壓縮技術能有效克服火花隙開關、閘流管、晶閘管等大功率開關對脈沖功率系統限制，具有較強的可重復性,無磨損和較短的恢復時間的性能。因此磁開關被廣泛應用于高頻脈沖功率技術領域[6-8]。

本文分析了磁脈沖壓縮電路的工作原理，并進行了仿真與實驗研究。

1 磁脈沖壓縮電源結構與工作原理

磁開關是磁脈沖壓縮網絡中最重要的部件，磁脈沖壓縮開關實質上是一種非線性電感，該電感達到飽和后感抗會迅速下降。磁心的磁滯回線如圖1所示。磁開關處于非飽和狀態時，磁心的相對磁導率較高，磁開關電感較大，此時磁開關相當于斷開；當磁開關處于飽和狀態時，磁心的相對磁導率μr,接近真空，磁開關電感較小，此時磁開關相當于閉合。

當磁開關處于未飽和狀態時，電感量為

式（1）中：μ0為真空磁導率；μr為相對磁導率，處于圖1中的Ⅱ區域；l為磁心平均磁路長度;S為磁心繞組面積；N為匝數，Lr為未飽和電感量。

當磁開關處于飽和狀態時，電感量為

Lsat為飽和電感量；μsat為磁開關飽和時的相對磁導率，處于圖1中的Ⅲ區域，由圖1可知此時磁芯的相對磁導率接近為1，Lsat很小，磁開關處于“閉合狀態”。

磁開關耐壓時間關系式為,

式（3）中：Umax為磁開關兩端所受的最大電壓；N為磁開關的繞線匝數；Am為磁心橫截面積；ΔB為磁心磁通密度變化幅度；α為磁心疊片系數。

圖1 磁開關磁芯B-H曲線

由式（3）可以看出，磁開關的飽和時間取決于磁開關的兩端電壓、磁心橫截面積和磁心的匝數[9]。

如圖2所示為單級磁壓縮網絡。圖中電容C0、C1、C2容值相等，L0為普通電感，L1是磁開關，R0為電路等效電阻，R1為電源系統的負載。圖3為單級磁脈沖壓縮網絡電容電壓波形與輸出電流波形。磁開關磁芯初始化至剩磁-Br，首先在t=t0時閉合開關S0，電源給電容C0充電至U后打開S0（t=t1）。然后在t=t1時閉合S1，此時C0通過L0、R0將存儲的電能傳遞到C1，C1的電壓逐漸升高，根據電感的伏秒積平衡方程式（4）可知，電感兩端承受的電壓對時間的積分和繞組匝數N、磁芯截面積S、磁通量密度變化ΔB三者的乘積相等[7]。

因而，L1磁芯中的磁通密度開始從-Br處沿磁化曲線向+Bs增長。如果磁開關參數設計恰當，那么磁開關恰好在電容C1電壓達到最大值時磁開關飽和，此時，磁開關的電感急劇下降，電容C1向電容C2迅速放電，形成高脈沖電流io，波形如圖3所示。

圖2 簡化的單級磁壓縮網絡

圖3 典型單級磁脈沖壓縮網絡電容電壓波形與輸出電流波形

2 仿真分析

本文搭建了仿真模型，為了提高仿真和檢測的準確性，磁壓縮系統中加入了磁復位電路。磁芯選用德國VAC公司的納米晶磁芯“T60006-L2045-V102”。磁滯損耗小，飽和磁感應強度為1.2T，磁芯的平均磁路長度和磁芯的橫截面積分別為11.8 cm和0.855cm2，內徑為30mm、外徑為45mm和高為15mm。所用環形磁芯的B-H曲線如圖1所示。仿真參數設置：初級儲能電容電壓U=10V，電容C0=C1=C2==3uF，電感L0=2.4mH，磁開關L1線圈匝數為N=30匝，磁壓縮系統仿真電路圖如圖4所示。磁壓縮系統仿真波形如圖5所示，從圖中可以看出，C1的峰值電壓為10V，C2的峰值電壓為95V，壓縮倍數為n=9.5。與理論分析具有很好的一致性。

3 實驗驗證

本文依據理論分析與仿真結果搭建了磁脈沖系統實驗電路。實驗參數：電源U=10V，電容C0=C1=C2=3uF，電感L0=2.4mH，磁開關L1的線圈匝數N=30匝，非飽和狀態下的電感值為0.14H。實驗結果如圖6所示，Vc1=9v，Vc2=90v，壓縮倍數為10倍，與仿真結果具有很好的一致性。

圖4 磁壓縮系統仿真電路圖

圖5 磁壓縮系統仿真波形圖

圖6 磁壓縮系統實驗波形圖

4 結論

利用磁開關和電容器設計了單級磁脈沖壓縮網絡電路，仿真與實驗結果驗證了理論分析的正確性。本文所設計單級磁脈沖壓縮電路可以將脈沖壓縮十倍左右，實現了磁脈沖壓縮的功能。

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Theoretical analysis and experimental study of a single stage magnetic compression network

Liu Tianyu, teacher: Yang Xiaoguang
(Hebei hengshui no.1 middle school,Hengshui Hebei,053000)

Pulse power supplies have widespread application value, in which, magnetic compression technique is a key technology. In this paper, the circuit topology and work principle are analyzed, and a single stage magnetic compression circuit is constructed followed by simulation analysis and experimental study.The simulation result has good agreement with the test result, which shows that the designed magnetic compression circuit can effectively yield sharpening pulses.

Pulse power supplies;Magnetic switch;Magnetic pulse compression;Simulation