摘 要： 應用串聯諧振恒流充電技術及諧波疊加原理，設計了用于場畸變火花間隙開關的觸發(fā)系統(tǒng),，并根據傅里葉級數原理選擇裝置參數,，用PSPICE對脈沖形成電路進行仿真。仿真結果表明,，該系統(tǒng)能產生快上升沿,、高陡度、大幅值的脈沖,，這對進一步研制放電抖動低,、放電迅速等高性能的場畸變開關具有一定實際意義。
關鍵詞： 場畸變開關,；脈沖觸發(fā),；串聯諧振；恒流充電,；諧波疊加,；仿真
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開關是脈沖功率裝置中的關鍵元件，場畸變開關以其工作范圍廣,、易于使用,、通流能力強等特點成為脈沖功率技術領域的研究熱點[1]?？烨把?、大功率脈沖的獲得與場畸變開關的放電特性密不可分。要使開關放電抖動低,、放電迅速,，除了要有良好的開關結構設計外，場畸變開關觸發(fā)脈沖的上升陡度,、峰值電壓都是重要因素,。研究表明，觸發(fā)脈沖陡度增加,，開關延時性及分散性隨之相應減?。婚_關的穩(wěn)定性也依賴于電壓幅值高,、上升時間短的高壓觸發(fā)脈沖[2],。為此,，本文設計了用于場畸變火花間隙開關的脈沖觸發(fā)系統(tǒng)。
1 系統(tǒng)原理
場畸變開關觸發(fā)系統(tǒng)原理框圖如圖1所示,。來自電網的AC 380 V經整流濾波后得到DC 520 V,，并加到諧振變換器上。諧振電流經變壓器,，再經高頻高壓整流電路向儲能電容充電,。儲能電容上電壓充到預定值(10 kV)后，控制電路發(fā)出信號,，將晶閘管觸發(fā)導通,，電容電壓快速向雙次級繞組脈沖變壓器放電，在其次級經雙波疊加形成高壓陡脈沖,，以觸發(fā)場畸變開關,。
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2 儲能電路
全橋串聯諧振充電電源與傳統(tǒng)直流電源相比較，具有恒流充電,、體積小,、效率高、功率密度大,、適合寬范圍變化的負載等優(yōu)點,，是理想的電容充電電源。其主電路拓撲結構采用全橋串聯諧振式逆變電路,，如圖2所示[3-5],。
在任意時間，變換器開關均處于以下3種狀態(tài)之一[4]：(1)Z2和Z3斷開,，Z1和Z4導通；(2)Z1和Z4斷開,，Z2和Z3導通,；(3)所有開關均斷開。而狀態(tài)(3)依據當時的續(xù)流二極管的導通情況有2種模式(電流方向不同),。根據電路分析,，每種狀態(tài)都可得到它的等效電路和諧振電流ir。
例如在狀態(tài)(1)下,，等效電路如圖3所示,，儲能電容等效到理想變壓器的初級端為Co′。
當開關頻率fs略小于諧振頻率fr時,，串聯諧振變換器輸出特性近似為恒流源,，在固定fs下，平均充電電流在充電過程中基本不變,，對電容等臺階充電[5],。
但隨著充電電壓逐漸升高,，fr也逐漸變大，這導致諧振電流的峰值越來越小,。因此,，通過電流檢測電路檢測諧振電流的峰值變化并返回1個信號，根據該信號,，通過AVR單片機運用定寬調頻策略來控制fs的升高,，以維持諧振電流平均值基本不變，從而達到恒流充電的目的,?？刂齐娐酚蒚A、峰值采樣電路和AVR單片機組成,。
3 高壓陡脈沖形成電路
傅里葉級數原理表明,，1個周期性的方波信號，可由幅值和頻率滿足一定條件的一系列諧波疊加而成[6]：
? 逆向運用傅里葉級數原理,，可用圖4形成高壓陡脈沖[7],。圖中，Co是高壓儲能電容,，R4表示脈沖負載,，R1、R2,、R3表示損耗電阻,，C2、C3表示次級繞組電容,，L2,、L3表示繞組電感?？刂葡到y(tǒng)根據電壓檢測電路反饋的信號控制晶閘管K的通斷,，形成初級脈沖，在雙次級高壓脈沖變壓器的次級經2個衰減余弦振蕩波疊加形成理想的高壓陡脈沖,。該電路的關鍵是雙次級繞組脈沖變壓器,，它是利用Tesla發(fā)生器的基本原理，在同一變壓器中設計了2個次級繞組W2,、W3和1個共用初級繞組W1的高壓脈沖變壓器,。共用初級繞組分別與2個次級繞組形成2個相對獨立的變壓器，按照傅里葉級數的要求調整變比及電容電感值,，以產生2個不同頻率和幅值的余弦衰減電壓信號,。這2個余弦衰減信號串聯疊加合成為更理想的高壓脈沖波形。
4 仿真
??? 據傅里葉級數對諧波幅值與頻率的要求,，取W2/W1=9,，W3/W1=3,，
，對脈沖形成電路進行PSPICE仿真,，得到如圖5所示仿真結果,。圖中，曲線1是按照上述關系取L2=1 μH,，C2=1 nF,，L3=9 μH，C3=1 nF所得結果,，曲線2不按上述關系取值得出的結果,；圖5(b)是為了分辨脈沖上升時間而對仿真時間與步長進行了重新設置，電路參數未變得到的結果,。由圖可見,，只要按照傅里葉級數原理合理選擇參數，該觸發(fā)系統(tǒng)能在20 ns產生100 kV的高電壓,，效果是相當理想的,。
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本文設計的脈沖觸發(fā)系統(tǒng)采用串聯諧振恒流充電技術進行初級儲能，采用雙次級脈沖變壓器取代傳統(tǒng)的MARX發(fā)生器,，使得系統(tǒng)體積減小,，效率提高。該系統(tǒng)能獲得大幅值,、快上升沿,、高陡度的脈沖觸發(fā)電壓，因而能滿足場畸變開關快速觸發(fā)導通時對觸發(fā)信號的要求,，對場畸變火花間隙開關性能的提高具有一定實際意義,。
參考文獻
[1] 劉錫三.高功率脈沖技術[M].北京：國防工業(yè)出版社，2005.
[2] 賀臣,，何孟兵,，李勁.高陡度場畸變開關觸發(fā)系統(tǒng)的研制[J].高電壓技術，2004,，30(7).
[3] 鐘和清，徐至新,，鄒旭東,，等.軟開關高壓開關電源研究[J].高電壓技術，2003,，29(8).
[4] 蘇建倉,，王利民，丁永忠,，等.串聯諧振充電電源分析及設計[J].強激光與粒子束,，2004,，16(12).
[5] 楊小衛(wèi)，嚴萍,，孫鷂鴻,，等.35kV/0.7A高壓變頻恒流充電電源[J].高電壓技術，2006,，32(5).
[6] 丘關源.電路[M].北京：高等教育出版社,，2003.
[7] 姚永和.雙次級繞組高壓脈沖變壓器的研制[J].高壓電器，2000(2).