高功率磁脈沖壓縮器的設計及實驗研究

孟志鵬， 李 嵩，楊 杰，張江華

(1.軍事科學院 國防科技創新研究院， 北京 100071；2.國防科技大學 前沿交叉學科學院，長沙 410073)

隨著人工智能、大數據、云計算、自主控制、先進平臺等前沿科技領域的突破創新，智能化裝備迎來了爆發式的研究和使用，重新定義著未來軍事力量運用的形態。強電磁脈沖可通過孔縫、電纜、天線等途徑耦合到武器系統的電子線路上產生瞬態感應電壓和電流，對電子電路中的敏感電子元器件的工作性能產生瞬態干擾或永久破壞，對智能化裝備形成嚴重的威脅。

高功率脈沖技術是產生強電磁脈沖的重要途徑，該技術除了繼續向獲得超高功率單次脈沖的方向發展，高平均功率重復率脈沖功率技術的發展日益加快，以滿足工業和軍事領域的需求。另外，對于可移動平臺的實際應用需求而言，還要求緊湊化、固態化[1-6]。磁脈沖壓縮器由于能夠實現全固態運行，具有功率容量大、工作穩定性好、重復頻率高以及使用壽命長等優點，在高功率脈沖技術領域得到廣泛應用，受到了國內外研究人員的廣泛關注[7-18]。

本文對高功率磁脈沖壓縮器的作用過程進行了介紹，在理論分析的基礎上設計基于鐵基非晶態磁芯的兩級磁脈沖壓縮器，對其作用參數進行了數值計算，并利用高壓脈沖驅動源中進行了實驗驗證，驗證原理的可行性。

1 磁脈沖壓縮器的作用過程

以兩級磁脈沖壓縮器為例對其作用過程進行說明，等效電路如圖1所示，由初級能源、磁脈沖壓縮器和電容負載等組成，另外還包括控制電路和磁芯復位電路等，此處略去。其中，Power Supply為初級能源，包括初級儲能電容Ci和諧振電感L。Magnetic Pulse Compressor代表兩級磁脈沖壓縮器，由脈沖電容器C1、C2和磁開關MS1、MS2構成。load為電容負載Cp。為了提高能量效率，Ci、C1、C2和Cp通常為等值電容。

圖1 兩級磁脈沖壓縮器等效電路圖

為了充分利用磁性材料的可變化磁感應強度，保證磁壓縮電路工作的穩定性，在開始工作之前，需使用復位電路使磁開關MS1、MS2的磁芯偏置在負飽和態(-Bs)。兩級磁脈沖壓縮器的作用過程可以描述為，初始時刻，由初級能源對能量進行調制和升壓后為磁脈沖壓縮器中的C1進行充電，在此過程中MS1的磁芯處于未飽和狀態，且MS1的未飽和電感遠大于充電電感L(通常要求在20倍以上)，可視為斷路狀態，初級能源上的能量由Ci轉移至C1上，C2不充電。通過合理的設計，當C1上的電壓達到峰值時，MS1磁芯飽和并導通，能量開始通過MS1諧振為C2充電，同樣的，在此過程中MS2的磁芯處于未飽和狀態，且MS2的未飽和電感遠大于MS1的飽和電感，視為斷路狀態，這樣C1上的能量轉移至C2上，Cp不充電。過程相似，當C2的充電電壓達到最大值時，MS2導通，能量繼續由C2傳遞至電容負載Cp。

在整個能量傳遞過程中，由于諧振電感L、MS1的飽和電感、MS2的飽和電感依次減小，而儲能電容保持不變，因此諧振周期逐漸縮短，脈沖得到壓縮。

2 兩級磁脈沖壓縮器的設計

根據實際應用需求，首先明確了兩級磁脈沖壓縮器的電參數設計要求如表1所示。

表1 兩級磁脈沖壓縮器部分電參數

磁脈沖壓縮器由磁開關和脈沖電容器組成，其中磁開關由磁芯和繞組構成。磁芯是磁開關的核心組成部分，直接決定了開關的工作能力。鐵基非晶態磁芯[16-19]具有高的飽和磁感應強度和優異的軟磁性能，其典型帶材本身以及帶材間絕緣介質的均勻性較好，疊片系數可達到80%以上，能夠保證磁芯在快脈沖激勵下的磁化質量，且制作工藝成熟，已廣泛應用于脈沖功率技術領域。因此這里選擇鐵基非晶態磁芯作為磁開關磁芯。其實物如圖2，磁芯本體實物如圖3。

圖2 鐵基非晶態磁芯實物

圖3 鐵基非晶態磁芯本體實物

通過設計合理的測試回路可以得到該磁芯材料的動態磁滯回線，如圖4所示，由圖可以看出：磁芯可利用的磁感應強度變化量約3.2 T，矯頑力約500 A/m。因此，此時的平均相對磁導率大于2 000。

圖4 鐵基非晶態磁芯動態磁滯回線

為了提高脈沖壓縮比，降低第二級壓縮單元飽和電感，增大輸出電脈沖的電流上升速率(di/dt)，研制的兩級磁脈沖壓縮器采用了兩種不同規格的鐵基非晶態環形磁芯(制作工藝等相同)，表2給出了上述兩種規格磁芯的關鍵參數。

表2 磁芯關鍵參數

設計的兩級磁脈沖壓縮器布局圖如圖5所示，由磁壓縮單元MU1和MU2構成。其中，C1和C2分別為MU1和MU2中的脈沖電容器，MS1和MS2為MU1和MU2中的磁開關。

圖5 兩級磁壓縮系統布局示意圖

綜合考慮脈沖電容器和磁芯的結構尺寸，分別設計兩級脈沖電容器處于磁芯內部和外部。為了盡可能減小雜散電感，每級磁壓縮單元使用10只電容值相等的脈沖電容器并聯而成。同時，多只脈沖電容器以裝置整體的中軸線為中心，呈圓周均勻排列。

由于磁開關中磁芯的重量較大，各級磁芯均用高性能絕緣材料進行支撐和保護，在保證一定機械強度的同時，增強絕緣性能，并對分立式繞組進行定位。采用分立式繞組結構，設計的兩級磁脈沖壓縮器具有電參數可調的能力。

(1)

(2)

根據磁通守恒定律

(3)

其中:Φ為磁開關內部的磁通量；V(t)為加載到磁芯上的電壓；Nt為繞組匝數；ΔB為磁感應強度變化量；Ac為磁芯截面積。假設τ為磁開關的飽和時間(即電脈沖上升時間)；n為磁開關中磁芯塊數；μ0和μr分別為真空和磁性材料的相對磁導率；C為脈沖電容器電容值；Hc為磁開關軸向長度。考慮初級能源等效回路參數，取諧振電感L為366 μH，通過以下公式能夠得到高功率磁脈沖壓縮器部分設計參數，如表3所示。

表3 兩級磁脈沖壓縮器部分設計參數

(4)

(5)

(6)

MS1采用10塊No.2規格磁芯，繞組為17圈，對應的飽和電感為22.89 μH，MS2采用25塊No.1規格磁芯，繞組為6圈，對應的飽和電感為1.08 μH。脈沖電容器和磁開關之間采用具有一定厚度的銅板進行連接，可進一步減小雜散電阻和電感。設計所有器件在工作時均處于變壓器油中以增強絕緣和散熱能力。圖6為第二級磁脈沖壓縮單元實物圖。

圖6 第二級磁脈沖壓縮單元(MU2)實物圖

3 PSpice模擬

根據以上設計和分析，建立如圖1所示的兩級磁脈沖壓縮器等效電路，取諧振電感L為366 μH，初始電容Ci、脈沖電容器C1和C2負載電容Cp的容值均設計為200 nF。根據后續應用實際，設置電容Ci上的初始電壓為110 kV，利用PSpice軟件進行模擬得到各級電容器上的典型輸出電壓波形如圖7所示。可以看出，兩級磁脈沖壓縮器工作峰值電壓約105 kV，C1上電壓上升時間約19 μs，C2上電壓上升時間約4.5 μs，Cp上電壓上升時間約1 μs，脈沖壓縮比為19。

圖7 各級電容器典型輸出電壓波形

仿真結果表明：該磁脈沖壓縮器能夠滿足預期的設計指標，輸出電脈沖波形與設計指標相符。

4 實驗研究

以研制的兩級磁脈沖壓縮器作為充電電源核心器件，選用1臺固態長脈沖高壓驅動源作為負載進行實驗研究，如圖8所示。

圖8 實驗裝置示意圖

得到20 Hz重復頻率下負載上的輸出脈沖序列波形以及單個脈沖波形如圖9、圖10所示。可以看出：設計的兩級磁脈沖壓縮器能夠將上升時間為19 μs的正弦波電脈沖壓縮至上升沿約1 μs，峰值電壓約100 kV。輸出電壓的上升沿“凹陷”經分析，來源于脈沖驅動源電路設計中的不對稱性，并不影響磁脈沖壓縮器和驅動源工作性能。同時，該磁脈沖壓縮器在重復頻率為20 Hz的情況下工作穩定，波形一致性較好，滿足脈沖功率器件穩定、可靠的技術要求。

圖9 20 Hz重復頻率下兩級磁脈沖壓縮器輸出脈沖序列波形

圖10 兩級磁脈沖壓縮器單個輸出脈沖波形

5 結論

本文研制了基于環形鐵基非晶態磁芯的高功率磁脈沖壓縮器，對其作為充電電源的核心器件在高壓脈沖驅動源中的應用進行了研究。結果表明：研制的磁脈沖壓縮器能夠穩定輸出百千伏量級，上升時間1 μs，重復頻率20 Hz的電脈沖，可以廣泛應用于高功率微波驅動、高能激光泵浦以及等離子體物理等方面。