快前沿單級(jí)磁壓縮發(fā)生器的試驗(yàn)研究

李 彪，李 孜，饒俊峰，姜 松

(上海理工大學(xué) 光電信息與計(jì)算機(jī)工程學(xué)院，上海 200093)

0 引言

隨著高功率脈沖技術(shù)的發(fā)展，脈沖發(fā)生器已被廣泛應(yīng)用于各個(gè)領(lǐng)域，如探地雷達(dá)系統(tǒng)[1]、介質(zhì)阻擋放電[2]、生物細(xì)胞處理[3]、高速攝像機(jī)驅(qū)動(dòng)和低溫等離子體產(chǎn)生[4]等。考慮到介質(zhì)阻擋放電的物理?xiàng)l件，快前沿、窄脈寬和高幅值是實(shí)現(xiàn)介質(zhì)阻擋放電的關(guān)鍵，脈沖激勵(lì)被認(rèn)為是產(chǎn)生均勻大氣放電等離子體的好方法。

磁脈沖壓縮技術(shù)能有效地陡化和壓縮脈沖，很大程度上提高脈沖的上升沿，與傳統(tǒng)的氣體、液體開關(guān)相比，磁開關(guān)具有壽命長(zhǎng)、重復(fù)頻率高、體積更緊湊穩(wěn)定性可靠的優(yōu)點(diǎn)。本文設(shè)計(jì)了單級(jí)磁壓縮脈沖發(fā)生器，使其輸出高壓高頻納秒級(jí)陡前沿脈沖，通過半導(dǎo)體開關(guān)Insulated Gate Bipolar Transistor(IGBT)來控制發(fā)生器的工作頻率。針對(duì)磁芯內(nèi)殘留的剩磁會(huì)影響磁壓縮效果，介紹一種直流復(fù)位電路清理磁開關(guān)在單次、重復(fù)頻率工作下的剩磁。電阻取值不當(dāng)拖慢后沿，選用合適的阻值等效DBD，使陡峭的窄脈沖激發(fā)DBD二次放電，應(yīng)用于介質(zhì)阻擋放電效果明顯效率更高。

1 磁壓縮原理

1.1 簡(jiǎn)化的磁壓縮電路

磁開關(guān)實(shí)質(zhì)是纏繞在可飽和磁芯上的繞組，利用磁性材料的非線性特性，磁開關(guān)的感抗隨著相對(duì)磁導(dǎo)率的變化而急劇下降，飽和磁導(dǎo)率比未飽和時(shí)小數(shù)個(gè)量級(jí)，正是磁開關(guān)這一特性使得儲(chǔ)能元件儲(chǔ)存的能量在短時(shí)間內(nèi)得到釋放，從而達(dá)到脈沖壓縮的目的[5-11]。簡(jiǎn)化的單級(jí)磁壓縮電路如圖1所示，給C0一個(gè)初始電壓，C0經(jīng)過LC震蕩給C1充電，磁開關(guān)SI1初始化到負(fù)的飽和磁密處，當(dāng)C1兩端電壓開始上升時(shí)，SI1兩端電壓也開始上升，磁芯內(nèi)的磁密隨之增加。由于SI1未飽和，其有很大阻抗，此時(shí)等效為斷路，因此C2上的電壓幾乎不變維持在零，SI1中電流也近似為零，SI1兩端承受的電壓近似等于C1上的電壓并滿足伏秒積平衡方程式[12]。當(dāng)C1兩端電壓達(dá)到最大值時(shí)，SI1磁芯內(nèi)部磁密達(dá)到正的飽和磁密處，磁芯相對(duì)磁導(dǎo)率急劇下降，SI1的阻抗減小，此時(shí)存儲(chǔ)在C1的能量開始向C2傳送。電容充放電時(shí)間常數(shù)與磁開關(guān)飽和前后時(shí)間相配合，輸出快前沿的高壓脈沖[13-15]。

圖1 簡(jiǎn)化的磁壓縮電路

1.2 磁滯曲線

鐵磁材料磁化飽和后，磁場(chǎng)強(qiáng)度H減小，磁感應(yīng)強(qiáng)度B并不沿著起始磁化曲線減小，即B的變化滯后于H的變化，這即是磁滯現(xiàn)象[16]。環(huán)形磁芯繞制而成的磁開關(guān)通常要求磁芯材料滿足如下條件。

(1)磁開關(guān)非線性電感須有良好的開關(guān)特性[17,18]。

(2) 由于元素濃度和制造工藝的差別，選用矩形磁滯回線的磁芯[19]。

(3)磁芯損耗盡可能小。

圖2所示磁滯回線表示磁性材料的特性是磁性開關(guān)的基礎(chǔ)，曲線每一側(cè)都有飽和點(diǎn)(P和Q)。在這兩點(diǎn)附近，磁性材料的相對(duì)磁導(dǎo)率的曲線斜率變化很大，根據(jù)式(1)，可以看出繞組的感抗急劇減小。

圖2 磁滯回線

(1)

式中：μ0、μr分別表示真空和磁性材料的磁導(dǎo)率；δ是磁開關(guān)的占空比；N是繞組的匝數(shù)；H、Dout、Din分別表示磁開關(guān)的高度、外徑和內(nèi)徑。通常μ0=4π×10-7。

當(dāng)電感所承受的伏秒積增大到一定值時(shí)，磁通密度不斷增大，磁芯工作點(diǎn)進(jìn)入B-H曲線的飽和段[20]。可見，通過控制電感兩端的伏秒積就可以控制電感的飽和與否。磁開關(guān)飽和前后的時(shí)間與加在磁芯兩端的電壓滿足伏秒積平衡方程式(2)。其中，Umax為磁開關(guān)SI1兩端承受的最大電壓；N為磁開關(guān)的繞線匝數(shù)；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(shù)。

(2)

2 磁壓縮脈沖發(fā)生器

2.1 單級(jí)磁壓縮發(fā)生器的設(shè)計(jì)

本研究所設(shè)計(jì)的磁壓縮脈沖發(fā)生器的結(jié)構(gòu)主要由充電系統(tǒng)、中間儲(chǔ)能、磁開關(guān)與升壓變壓器組成如圖3所示。

圖3 單級(jí)磁壓縮脈沖發(fā)生器

高壓直流電源通過控制開關(guān)T1給儲(chǔ)能元件C1充電，作為最廣泛使用的能量?jī)?chǔ)存器件，電容器通常在阻性負(fù)載上輸出指數(shù)衰減脈沖，由于SI1未飽和，其有很大阻抗，此時(shí)等效為開路，SI1起到磁輔助軟開關(guān)的作用使開關(guān)T2零電壓開通零電流關(guān)斷，消除電壓與電流的重疊區(qū)，開關(guān)損耗降到最小，SI1材質(zhì)是MnZn鐵氧體，直流工作狀態(tài)下MnZn鐵氧體除了有良好的電磁特性，還有良好的直流疊加特性，疊加直流偏置下，鐵心的可逆磁導(dǎo)率下降幅度小。當(dāng)電荷量從C1經(jīng)過變壓器PT全部轉(zhuǎn)移到C2的瞬間磁開關(guān)SI2飽和導(dǎo)通，C2經(jīng)過SI2諧振對(duì)load放電。本文選用的磁開關(guān)材質(zhì)是鐵基納米晶磁芯(VAC，vitroperm 500Z)，是一種高性能的軟磁材料，在高磁感下具有更低的高頻損耗，且耐腐蝕性和磁穩(wěn)定性更好，如圖4所示。

圖4 納米晶磁開關(guān)實(shí)物圖

為降低磁滯損耗和陡化脈沖的前沿，應(yīng)盡可能減小磁開關(guān)的體積和選擇飽和磁通密度適中的可飽和電感。SI2外加復(fù)位電路清理磁芯內(nèi)殘留的剩磁，DC為輸出5 V的小型直流源，電阻R1為 5 Ω，電感L1為1 mH，DC源并聯(lián)一個(gè)反向二極管D1，防止L1在斷開時(shí)產(chǎn)生反電勢(shì)，可以高出DC源兩端的電壓數(shù)倍甚至數(shù)十倍，D1可以吸收此反電勢(shì)起到續(xù)流的作用，進(jìn)而避免對(duì)電路中元器件過壓擊穿損壞。開關(guān)T2選用的型號(hào)為IXYH50N120C3D1，集射極最大耐壓VCES為1 200 V，最大通流IC為50 A，磁輔助開關(guān)SI1和磁開關(guān)SI2外徑、內(nèi)徑、高度尺寸分別是64-40-25和66-40-26(單位：mm)。升壓變壓器PT材質(zhì)為鐵基非晶，選用5塊非晶鐵心并聯(lián)增大磁通量，一二次側(cè)繞組比為2∶40。不同材料磁芯的主要參數(shù)如表1所示。

表1 不同磁芯的主要參數(shù)

2.2 驅(qū)動(dòng)電路的設(shè)計(jì)

磁壓縮脈沖發(fā)生器結(jié)構(gòu)圖中，控制開關(guān)T2可以調(diào)節(jié)脈沖發(fā)生器的頻率、脈寬和相位。由555定時(shí)器組成的多諧振蕩器產(chǎn)生單次或重頻觸發(fā)信號(hào)，電路中調(diào)節(jié)RC值可以控制頻率。為了分開電容C的充放電回路，加入具有單向?qū)щ娞匦缘亩O管DL和DB。加入滑動(dòng)電阻器以調(diào)節(jié)電位，實(shí)現(xiàn)多諧振蕩器的脈寬可控，由555定時(shí)器組成的方波發(fā)生器電路結(jié)構(gòu)如圖5所示。通過觸發(fā)信圖5的555定時(shí)器組成的方波發(fā)生器號(hào)的邊沿觸發(fā)第一塊集成單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器SN74123，得到第一路信號(hào)，利用同一觸發(fā)信號(hào)的邊沿觸發(fā)第二塊SN74123，產(chǎn)生相位延時(shí)，然后用延時(shí)后的相位觸發(fā)第三塊SN74123，獲得第二路信號(hào)。其中，第一路信號(hào)的脈寬由第一塊SN74123電路的RC值調(diào)節(jié)，第二路信號(hào)的脈寬由第三塊SN74123電路的RC值調(diào)節(jié)，兩路信號(hào)的相位差通過第二塊SN74123電路中的RC值調(diào)節(jié)，由三塊SN74123組成的脈沖延時(shí)電路如圖6所示。

圖5 555定時(shí)器組成的方波發(fā)生器

圖6 SN74123組成的脈沖延時(shí)電路

555定時(shí)器和三塊SN74123電路產(chǎn)生的信號(hào)通過半橋電路驅(qū)動(dòng)開關(guān)管T2。IR2110芯片是一種雙通道、柵極驅(qū)動(dòng)、高壓高速功率器件的單片式集成驅(qū)動(dòng)模塊，憑借集成度高、響應(yīng)速度快、偏值電壓高、驅(qū)動(dòng)能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，適用于功率MOSFET、IGBT驅(qū)動(dòng)的自舉式集成電路在電機(jī)調(diào)速、電源變換等功率驅(qū)動(dòng)領(lǐng)域中應(yīng)用廣泛[21]。基于IR2110的半橋驅(qū)動(dòng)電路如圖7所示，邏輯電源的輸入范圍(腳9)5～15 V，可方便的與TTL、CMOS電平相匹配，輸出電源端(腳3)的電壓范圍為10～20 V，開通、關(guān)斷延遲時(shí)間分別控制在120 ns和94 ns。

圖7 半橋驅(qū)動(dòng)電路

磁壓縮脈沖發(fā)生器中開關(guān)T2的驅(qū)動(dòng)電壓控制在15 V上下，開關(guān)T2的工作頻率為0～500 Hz可調(diào)，通過555定時(shí)器控制其在單次或重復(fù)頻率下的工作狀態(tài)。當(dāng)輸入Turning-off信號(hào)時(shí)，為防止在T2上產(chǎn)生關(guān)斷過壓擊穿開關(guān)管，選用RCD無源緩沖電路吸收T2集射極上的尖峰電壓。重頻狀態(tài)下，基于IR2110的半橋驅(qū)動(dòng)電路輸出電壓波形如圖8所示。

圖8 重頻0～500 Hz可調(diào)

3 試驗(yàn)研究結(jié)果

對(duì)磁壓縮脈沖發(fā)生器中元器件進(jìn)行參數(shù)計(jì)算，根據(jù)伏秒積平衡方式(2)計(jì)算出SI1在使用一個(gè)鐵心時(shí)需要繞組2匝，為保證C2足夠的充電時(shí)間，其充電時(shí)間設(shè)置為1.8 μs，計(jì)算出SI2在使用2個(gè)磁芯時(shí)需要繞組16匝。磁壓縮脈沖發(fā)生器能量1 J，電容C1設(shè)置為2 μF，根據(jù)公式(3)計(jì)算出C2為5 nF。

C1=n2C2

(3)

單級(jí)磁壓縮脈沖發(fā)生器試驗(yàn)樣機(jī)如圖9所示。

圖9 單級(jí)磁壓縮發(fā)生器實(shí)物圖

實(shí)驗(yàn)輸出電壓波形如圖10所示，圖10(a)為重頻32 Hz工作狀態(tài)下load上輸出電壓波形，load為200 Ω純電阻性負(fù)載，load阻值太大會(huì)拖慢下降沿。加入磁芯復(fù)位后保證每個(gè)周期輸出脈沖幅值相等。

圖10(b)所示為單次觸發(fā)下磁壓縮前后C2和load上電壓波形。C2上電壓幅值為15.2 kV、前沿1.15 μs、半高寬1.2 μs，經(jīng)過磁開關(guān)SI2壓縮后在電阻上輸出電壓的幅值為15 kV、前沿為60 ns、半高寬150 ns，前沿壓縮倍數(shù)為19.2，壓縮效率為87.42%，預(yù)脈沖約1.5 kV。由于磁開關(guān)的開關(guān)狀態(tài)由其承受的伏秒數(shù)決定，觸發(fā)信號(hào)脈寬、死區(qū)時(shí)間隨著電壓幅值的變化而變化，負(fù)載上的波形通過數(shù)字示波器DPO4032,Tektronix顯示，電壓通過高壓探頭P6015A,Tektronix測(cè)量。

圖10 重頻32 Hz和單次觸發(fā)下的負(fù)載電壓波形

4 結(jié)論

本文用鐵基納米晶磁芯設(shè)計(jì)了可以應(yīng)用于介質(zhì)阻擋放電的單級(jí)磁壓縮脈沖發(fā)生器，磁開關(guān)加入磁芯復(fù)位清理剩磁保證重頻工作狀態(tài)下每個(gè)周期輸出脈沖幅值相等。由555定時(shí)器組成的脈寬可調(diào)的方波發(fā)生器和集成單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器SN74123組成的延時(shí)電路產(chǎn)生頻率、脈寬和相位可調(diào)的單次或重頻觸發(fā)信號(hào)。基于IR2110的半橋驅(qū)動(dòng)電路響應(yīng)速度快、偏值電壓高和驅(qū)動(dòng)能力強(qiáng)的特點(diǎn)適用于半導(dǎo)體開關(guān)IGBT的驅(qū)動(dòng)。試驗(yàn)結(jié)果，200 Ω 電阻性負(fù)載上輸出幅值15 kV、上升沿60 ns、半高寬150 ns的窄脈沖證實(shí)了磁壓縮效果顯著，前沿壓縮倍數(shù)為19.2，為介質(zhì)阻擋放電用高壓窄脈沖的研究提供了參考。