基于磁開關的固態近方波Marx發生器初步模擬設計

樊旭亮,孫 旭,潘亞峰,范紅艷

(西北核技術研究所，西安710024)

小型緊湊化是高功率脈沖驅動源的一個重要發展方向[1-4]，能夠產生近似方波脈沖的Marx發生器受到了廣泛關注[5-8]。一般將傳統Marx發生器中的電容器改為脈沖形成網絡，可使發生器輸出近似方波脈沖，再將各級脈沖形成網絡以Marx發生器的形式進行疊加，即可達到增加輸出功率、大幅減小脈沖驅動源體積的目的。

近年來，各類大功率近方波Marx發生器大多采用氣體開關[9-10]作為控制開關。氣體開關具有功率大、通流能力強等特點，但在Marx發生器中，需要使用大量的氣體開關。此外，為了提高Marx發生器的穩定性，減小輸出抖動，需要配專門的觸發器，用以觸發發生器中的前幾級氣體開關，這又增加了系統的復雜性。因此，高功率脈沖驅動源技術的一個更加重要的發展方向就是簡單化，追求原理與結構上的雙重簡單化。

本文提出了基于磁開關的近方波脈沖Marx發生器技術路線，摒棄了傳統發生器中的氣體開關與觸發系統，利用磁開關磁場的同步控制，保證各級開關同步導通。同時，基于多倍頻電壓脈沖的疊加原理，使得發生器具備輸出方波脈沖的能力。

1 基于磁開關的Marx發生器

磁開關 (magnetic switch, MS) 是一種利用磁芯非飽和態與飽和態的切換來實現開關功能的器件，以此為基礎，增加初級線圈，發展了可飽和脈沖變壓器[11-12](saturable pulse transformer，SPT)。SPT是一種集變壓器功能和磁開關功能于一體的固態脈沖功率器件，利用磁芯非飽和態來實現變壓器的變壓功能，同時，變壓器的次級兼做磁開關，利用磁芯由非飽和態到飽和態的轉化實現其磁開關功能。在這里，將基于磁開關或者可飽和脈沖變壓器的Marx發生器，都稱為基于磁開關的Marx發生器。主要有四種結構,如圖1所示。圖中圓環部分為磁芯，C為儲能電容，LC為充電電感。這四種發生器的共同點是各級開關繞制于同一個磁芯上，通過同一套磁場控制，這在很大程度上保證了各級開關的同步導通，減小了Marx發生器的建立時間，降低了輸出抖動，免去了復雜的觸發系統。其中，圖1(a)是基于簡單磁開關的傳統Marx發生器，特點是需要單獨的充電電路。圖1(b)是基于SPT的傳統Marx發生器，結構中省去了充電電路。圖1(a)和圖1(b)的共同點是所有磁開關的飽和電感都串聯進入了Marx發生器的放電回路中。LC-Marx發生器是一類特殊的Marx發生器，如圖1(c)與圖1(d)所示。

直觀地看，圖1(d)的電路結構最為簡單，省去了專門的高壓充電系統，也省去了充電電感及一半的接地電感，這使結構更為緊湊，更易于實現。其工作過程如下：Cp為可飽和脈沖變壓器的初級儲能電容，在工作的初始時刻被充至一定電壓V0。通過開關控制Cp放電。Cp開始放電后，可飽和脈沖變壓器磁芯處于非飽和狀態，發揮變壓器的功能，并通過磁芯耦合，向C1至C6充電。這種電路設計，保證了相鄰電容器被充以極性相反的電壓，充電過程中輸出端無電壓。在Cp放電過程中，其放電伏秒積到磁芯飽和點時，可飽和變壓器便失去了變壓器的功能，發揮磁開關的功能，并處于導通狀態。圖1(d)中的第偶數個電容器通過磁芯上與各自相連接的次級線圈進行反轉放電。此時，輸出端的電壓逐步上升，輸出電壓幅值等于電容器個數、變壓器變壓比與V0的乘積。可以看出，基于SPT的LC-Marx發生器中，可飽和脈沖變壓器發揮了變壓器、磁開關、同步導通控制器以及反轉電感四重功能。同一裝置先后承擔不同的功能是脈沖驅動源實現小型緊湊化的一個重要途徑。

(a)Classical Marx generator based on magnetic switch

(b)Classical Marx generator based on SPT

(c)LC-Marx generator based on magnetic switch

(d)LC-Marx generator based on SPT

下面進一步分析基于SPT的LC-Marx發生器產生方波脈沖的方法。

2 近方波脈沖的產生

基于SPT的LC-Marx發生器產生近似方波脈沖，其基本原理是多倍頻電壓的疊加。首先對LC-Marx發生器的典型輸出脈沖進行研究。

2.1 LC-Marx發生器的典型輸出脈沖模擬研究

LC-Marx發生器模擬電路，如圖2所示。電路中，L1—L3為反轉電感，L4—L6為接地(隔離)電感，設置主開關在峰值時刻導通，典型輸出電壓波形如圖3所示。基本特征是，負載電壓在達到峰值之后迅速回零。圖中給出了發生器半個周期的脈沖，開關在峰值時刻對輸出脈沖進行了陡化，得到了如圖3所示的快前沿脈沖。若要得到方波脈沖，需在此基礎上疊加一個脈沖，延緩電壓幅值回零的速度，就可獲得一段近似的平頂。其本質是，在該頻率的脈沖之上，疊加3倍頻甚至更高倍頻的脈沖。

2.2 LC-Marx發生器近方波脈沖輸出的電路改造

在圖2模擬電路的基礎上，將第一級反轉電容從50 nH改為12 nH，負載阻抗隨之升高，變為60 Ω。同時，監測A點的電壓，模擬結果如圖4所示。

圖2 LC-Marx發生器模擬電路 Fig.2 Simulation circuit of LC-Marx generator

圖3 LC-Marx發生器典型輸出電壓波形Fig.3Typical output waveform of LC-Marx generator

圖4近方波LC-Marx發生器典型輸出電壓波形

Fig.4TypicaloutputwaveformofrectangularpulseLC-Marxgenerator

可以看出，此時在負載上的輸出電壓出現了近似的方波脈沖，其平頂持續時間約為100 ns。從監測到的A點電壓可以看出，改造后，A點之前的電路充當了附加回路，其震蕩頻率約為主回路震蕩頻率的3倍。

傳統脈沖形成網絡輸出方波脈沖的基本原理是多倍頻電流脈沖疊加，各頻率分量符合方波脈沖的傅里葉頻譜分析。而該近方波LC-Marx發生器的基本原理是多倍頻電壓脈沖疊加，同樣需滿足各頻率分量之間的關系。由于各級回路的等效性，改變任何一個反轉電容的容值都可以獲得相同的效果。平頂時間近似等于A點電壓的半周期，而平頂度的好壞則取決于A點電壓下降斜率與負載電壓上升斜率是否接近。因此在改造電路中，增大負載電阻的目的是延緩負載電壓的上升，以使得二者斜率相接近，進一步的模擬研究也可以說明該問題。設置負載電阻分別為20，40，60，80,100 Ω，輸出脈沖波形如圖5所示。沿著箭頭方向負載阻抗增大。可以看出，存在最佳阻抗值，使得能夠在負載上獲得最為良好的平頂。在實際設計中，還需綜合各種因素進行分析。

圖5不同負載下近方波LC-Marx發生器的輸出電壓波形Fig.5Output waveforms of rectangular pulse LC-Marx generator with different load resistances

3 10 GW近方波LC-Marx發生器設計

經上述分析可知，采用近方波LC-Marx發生器的技術路線，合理設計電路參數，能夠在負載上獲得良好的階梯型方波脈沖。更大功率的脈沖發生器需多級疊加，且在實際裝置中，期望能夠摒棄輸出主開關，從而更加體現出所提出的脈沖發生器的優越性,這在短脈沖需求場合中是可以做到的。設計了輸出功率達10 GW的方波脈沖的發生器電路結構，如圖6所示。

共采用18級脈沖電容器，其中附加回路為4級，主電路為14級，每級充電100 kV。實際使用中，各電容器作為可飽和脈沖變壓器的次級電容進行充電，設置變壓器變壓比為30，且變壓器次級需采用多次級并聯結構以減小飽和電感，按照雙諧振條件設計相關參數，初級電容通過高壓直流電源進行充電。模擬結果如圖7所示。輸出脈沖電壓接近1 MV，阻抗為100 Ω，前沿約為20 ns，半高寬約70 ns，輸出功率接近10 GW。從波形來看，輸出脈沖平頂波動小于10%，能夠滿足實際應用的需求。A點電壓反映了附加回路的輸出脈沖，其頻率約為主頻率的3倍。實際結構中，各級電容器可層疊放置于多組磁環之上，共用一個初級回路以保證飽和的同步性。

圖610 GW脈沖發生器電路結構Fig.6Circuit of 10 GW pulse generaotr

圖710 GW脈沖發生器輸出電壓波形Fig.7Output waveform of 10 GW pulse generator

4 結論

提出了基于磁開關的近方波LC-Marx發生器技術路線，該路線的主要優勢在于結構簡單，實現了所有開關的固態化，免去了專門的觸發系統，基于同一套磁芯控制系統以保證各級導通放電的同步性。發生器基于多倍頻電壓脈沖疊加的原理，實現了近似方波脈沖的輸出。設計了具備10 GW方波脈沖輸出能力的Marx發生器電路結構。結果表明，輸出脈沖能夠滿足要求。下一步工作主要是完善所提出的近似方波脈沖Marx發生器的理論分析，進行結構設計與場分布模擬研究，為實際裝置的構建奠定基礎。