1　LTD脉冲前沿

　　在分析脉冲前沿的形成过程时通常假定[13]:第一,变压器的磁化电感远大于漏感,因而,其分流作用忽略不计。实际脉冲变压器的漏磁系数(漏感与激磁电感之比)为0.01~0.001,都满足这个假定。第二,假定负载电阻R2是线性的,其阻值和负载电压无关。采用这些假定后,变压器的等值线路如图1所示,该线路可用来分析脉冲前沿的形成过程。图中V1为等效的脉冲电源,R1为初级回路电阻,L1与L2分别为初次级回路的等效电感,C1与C2为初次级线圈的对地分布电容。

　　为了方便计算,除了忽略磁化电感的分流作用外,还将初级储能器等效成电压源,忽略初次级的引线电感并将初次级间分布电容折算到次级分布电容中,依然只考虑线性负载。分析变压器输出脉冲波形的前沿,可根据基尔霍夫定律得到以下电路方程

　　利用求得的解,可得到Δ取不同值时相对电压U和相对时间τ的关系,如图2所示,Δ从上到下依次为0.5,0.6,0.7,0.8,0.9,1.0,1.1。从图中可以看出,随着Δ值的增加脉冲前沿过冲减小,但前沿变缓,这不利于快脉冲的产生。当Δ取值在0.6~0.7范围内时,脉冲前沿较快并且过冲较小,有利于快脉冲的产生。根据允许的脉冲前沿顶部上冲,选取合适的曲线,从而确定了Δ值和相对前沿宽度。一般来说脉冲变压器的内阻R1、负载电阻R2、引线电感和电容等都是已知的,根据选定的Δ和相对前沿宽度,可以确定允许波形畸变下的漏感和分布电容。

　　2　数值模拟分析

　　通常设计LTD时Δ取0.6左右最好,而δ一般在0.3~0·4之间,所以γ的取值应接近或等于a,即匹配设计最好。经过计算证明当γ=a时,负载获得的功率最大,各元件储存的能量总和最小,即变压器的效率最高。

　　按照匹配设计思想设计单模块LTD,根据电路结构建立LTD全参数等效电路,如图3所示。电路中的参数值均为实际测量和计算得到。

　　初级储能系统包括充电电源V0,充电电阻R0及螺旋水线T。其中R0很大,通常为MΩ量级,在螺旋水线放电时近似于开路。螺旋水线阻抗10Ω,时延75 ns,当开关K导通后,螺旋水线输出幅值140 kV、脉宽150ns的方波脉冲。R1是初级回路电阻(主要包括开关电阻,引线电阻),阻值约0.1Ω;R2是负载电阻,阻值约10Ω。初级回路漏感Ls1近似为零,Lk1是初级回路电感(主要包括开关电感和引线电感),约110 nH;次级回路的引线电感Lk2近似为零,Ls2是次级漏感(可按同轴线电感公式进行估算),约118 nH;Lm是激磁电感,约25μH,激磁电感的大小由磁芯材料决定,与激磁电流无关。C1和C2分别是初次级线圈的对地分布电容,一般为静态电容的1/3[14],其值大小分别约为48 pF和58 pF;C3是初次级线圈之间的分布电容(可按同轴线电容公式计算),约140 pF。模拟结果如图4所示,由于LTD分布电参数的影响,负载R2上得到的输出脉冲波形有一定的振荡,但仍可得到前沿约30 ns、平顶约130 ns、幅值约125 kV的较为理想的输出脉冲。

　　3　实验研究

　　单模块LTD的实验布局如图5所示,整个模块外筒半径约238 mm,长约105 mm,该结构是按双模块LTD的尺寸设计的,在此先进行单模块实验。开关采用场畸变型盘式触发开关,开关导通后螺旋水线对LTD模块放电,通过磁芯的电磁感应在次级线圈中感应出电压脉冲并释放到负载上。负载上得到的输出脉冲波形如图6所示,脉冲前沿约35 ns,平顶约130 ns,幅值约125 kV,与模拟结果基本一致。由于LTD的分布电参数及测量电路分布参数的影响,平顶有轻微的振荡,由于负载水电阻阻值不稳定及部分能量从触发极泄漏的影响,后沿变差且有反射,但从总体来看LTD的设计仍然符合要求。

　　4　结　论

　　本文从理论上分析了直线变压器驱动源(LTD)输出脉冲波形的前沿在不同畸变情况下对应的电路参数。根据理论分析设计了单模块LTD并进行了模拟和实验,实验得到的输出脉冲前沿约35 ns,平顶约130 ns,幅值约125 kV,与模拟的结果基本一致。单模块LTD的输出脉冲前沿较短,约35 ns,由此看来,LTD多级模块串联工作后,获得前沿为50 ns左右输出脉冲是可能的。

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　　作者简介:王淦平(1983—),男,硕士研究生,主要从事脉冲功率技术研究; sanchabao@163.com。

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