脉冲形成网络的设计与实验研究

1、脉冲形成网络的设计与实验研究第21卷第4期2009年4月强激光与粒子束HIGHPOWERLASERANDPARTICLEBEAMSVo1.21,NO.4Apr.,2009文章编号:10014322(2009)040531_O5脉冲形成网络的设计与实验研究王庆峰,高国强,刘庆想,张政权,胡克松(西南交通大学理学院,成都610031)摘要:采用陶瓷无感电容器作为储能介质,设计了一种低阻抗高储能密度的中等高压脉冲形成网络.该脉冲形成网络采用无感陶瓷电容器作为储能介质,每一个电容器的容值为1.7nF.电容器采用相对介电常数较高的钛酸钡作为材料,单个电容器的直径为6cm,高度为4cm,该电容器在变压器油

2、中的工作电压可以达到50kV.实验结果表明,设计的单线型中等高压脉冲形成网络可在1n的匹配负载上获得半高宽220ns,前沿为40ns的高压脉冲,能很好满足脉冲功率系统小型化的应用要求.实验研究还表明,设计的低阻抗Blumlein型脉冲形成网络,在工作电压为44kV时可在2.5Q的低阻抗负载上获得脉宽230ns,前沿约为50ns的脉冲.关键词:高功率微波;脉冲形成线;脉冲形成网络;陶瓷电容;低阻抗负载中图分类号:TNS01文献标志码:A在窄带高功率微波中要求脉冲功率源输出的脉冲具有一定的脉冲宽度.目前,高功率脉冲的产生主要有两种方法,即分布电参数(Yt布电感和分布电容)的脉冲形成线(PFL)口和

3、集中电参数(集中电感和集中电容)的脉冲形成网络(PFN).一般来说,脉冲形成线主要用来产生100ns以下的短脉冲,这是因为PFL以变压器油l4,去离子水等液体材料作为储能介质时,液体材料的介电常数相对较小,因此单位长度形成的脉冲宽度也相对较小,如变压器油为10ns/m,去离子水为60ns/m.这样,当要求产生长脉冲时,脉冲形成线的长度将变得较长.另外也有不少学者将脉冲形成线设计成Blumlein型口,通过增加单位长度电感来增加单位长度输出的脉冲宽度,但同时也增加了脉冲形成线的波阻抗.直接采用高储能密度的陶瓷材料作脉冲形成线的储能介质以实现脉冲形成线形成长脉冲,则由于大尺寸陶瓷的烧制还存在着较大

4、的技术障碍,目前难以制成符合要求的高压脉冲形成线_6.分布参数的脉冲形成线在形成长脉冲方面存在一定的局限性,与此相反,脉冲形成网络在形成较短脉冲时也有一定局限性7,它主要用于产生500ns以上的脉宽,这是因为在形成短脉冲时,脉冲形成网络的设计会遇到节间电感制作困难以及对薄膜电容器的内部电感要求苛刻等一系列工程技术难题,使得形成的波形质量较差.为此我们提出了利用高介电常数的陶瓷无感电容器代替传统PFN设计中使用的薄膜电容器,使用金属板(或金属条)形成的均匀分布电感代替集中参数电感,以有效地克服脉冲形成线在形成长脉冲时的局限性,以及脉冲形成网络在形成短脉冲时的局限性.基于无感陶瓷电容器的脉冲形成网

5、络,可以很容易地输出Q量级,甚至是亚Q量级的百ns的中短脉冲,且输出波形质量好.1混合型脉冲形成模块理论分析及其电路模拟若把一段均匀传输线分成个依次连接的长度相等的小部分,而把每段的分布电感的总和用集中参数电感L代替,每部分的分布电容的总和用集中参数电容器C代替,就可以得到等电感等电容脉冲形成网络.表征等电感等电容脉冲形成网络的参量主要有特征阻抗p,脉宽,表示为pV-E/c.(1)r一2n(2)式中:L表示节间电感;C表示每节电容的容值;表示节数.在高功率微秒脉冲设备中普遍采用脉冲形成网络产生高压脉冲,其主要原因是节间电感L较大,因此对电容器内感的要求不高.但对于百ns,低阻抗脉冲,此时脉冲形

6、成网络的节间电感L与常用的薄膜电容器的*收稿日期:20081014;修订日期:20090326基金项目:国家高技术发展计划项目作者简介:王庆峰(1979一),男,博士生,从事脉冲功率技术研究;wangqingfeng173163.corn.532强激光与粒子束第21卷内感相当,电容器的内感对输出波形的质量有着明显的影响,因此在高功率纳秒脉冲设备中,要利用脉冲形成网络技术输出波形质量好的脉冲,首先要减小电容器的内感.目前,国内生产的工作电压为数十kV的薄膜电容器的内感已经有了明显的改善,但受限于结构以及工艺,一般仍在10nH以上.本文设计的PFN采用无感陶瓷电容器作为储能介质,每个电容器的容值为

7、1.7nF.电容器采用相对介电常数较高的钛酸钡作为材料,并且该材料的相对介电常数随着工作电压的变化较小.单个电容器的直径为6cm,高度为4cm,实验表明该电容器在变压器油中的工作电压可以达到50kV.对于扁平金属导体条,其电感可以利用公式(3)进行近似计算口叩L一lln+0.5+0.2235l(3)Z兀L7JJ十t.J式中:z,w和t分别为导体条长度,宽度和厚度.由公式(1)可知节间电感越小则波阻抗越小,因此结构设计时让相邻电容器尽量靠近,采用宽度为2cm,厚度为0.2CIFI的金属条将电容器连接起来,由公式(3)计算可知节间电感为54.6nH.因此特征阻抗约为5.6Q,每节对应的脉冲宽度约为

8、19.2ns,为了实现200ns的脉冲宽度输出,设计的脉冲形成网络需要采用1O级才能满足要求.图1是单列LC脉冲形成网络结构图,图2给出利用陶瓷无感电容器作为储能介质的脉冲形成网络电路图,其中电容器容值均为1.7nF,Fig.1SinglelineLC-PFN图1单列Lc脉冲形成网络l导电感均为27.3nH.图3给出其模拟输出结果.模拟时考虑引线电感,开关电感以及负载电感为零,因此输出波形的前沿有一定的前冲,同时由于脉冲形成网络其自身的特点,主脉冲过后有一定的振荡.L一27.3nH,C一1.7nFFig.2Equivalentelectricalcircuitforthelowimpedanc

9、ePFN图2低阻抗脉冲形成网络拓扑图不同的脉冲功率应用场合对成形系统的特征阻抗需600求并不一样.对于高阻抗的需求,单列Lc脉冲形成网络可以很容易实现.而对于更低阻抗的需求,则需要进一步减小节间电感满足其需求.由公式(3)知道,可以通过增大金属条的宽度以及厚度来增大节19电感.图4给笔出了节间距离为6cm时,单列LC脉冲形成网络的特征阻抗与金属条宽度及厚度的关系,计算时电容器容值取1.7nF.由图4可知,增大金属条宽度可以减小单列L一.C脉冲形成网络的特征阻抗,例如当金属条的宽度由.100200t/ns3004005002cmN;kN6cm,相应的特征阻抗也从5.67Q减小为Fig.3Sing

10、l.一liL-CPFNsimulti.f.4.43Q.另外,增大金属条厚度也可以减小单列Lc脉图3单列LC脉冲形成网络模拟输出结果冲形成网络的特征阻抗,但相对于增大宽度,其效果较小.图5则给出输出脉冲宽度与金属条宽度及厚度的关系,显然通过增大金属条宽度,厚度实现降低阻抗的同时,也缩短了输出脉冲宽度.第4期王庆峰等:脉冲形成网络的设计与实验研究533123456width/cmFig.4Relationshipbetweencharacteristicimpedanceandwidth,thicknessofplate图4特征阻抗与金属条宽度,厚度的关系图123456width/cmFig.5R

11、elationshipbetweenpulsewidthandwidth,thicknessofplate图5脉冲宽度与金属条宽度,厚度的关系虽然通过增大金属条宽度,厚度可以一定程度上减小单列LC脉冲形成网络的特征阻抗.但随着宽度,厚度的继续增大,一方面特征阻抗的减小将越来越缓慢,另一方面也会影响到整体的结构布局及其质量,尺寸.为了实现脉冲形成网络能够满足不同阻抗的需求,我们考虑采用多个单列LC脉冲形成网络并联输出低阻抗脉冲.图6给出6列LC脉冲形成网络的结构示意图,由理论分析知道单列Lc脉冲形成网络输出脉冲的特征阻抗约为5.6Q,脉冲宽度约为200ns.因此设计的6列平板型Lc脉冲形成网络特

12、征阻抗约1Q,输出脉冲宽度200ns,整个尺寸约为65cm×4Ocm×5cm.另外我们设计了矩形同轴结构的脉冲形成模块,并对其进行了实验研究.矩形拓扑结构采用双层形式,因此相对于平板型拓扑结构,其结构在横向尺寸上更为紧凑.Fig.6Schemeof6-lineLCPFNs图66列Lc脉冲形成网络结构示意图2低阻抗脉冲形成模块的调试实验实验装置包括高压直流电源,充电电阻R.,空气隙开关,脉冲形成网络,负载R.,电阻环R.,示波器及附属设备,如图7所示.实验时,高压直流电源通过隔离电阻R.使脉冲形成网络充电到预设电压,触发导通空气隙开关,脉冲形成网络在输出端得到类矩形高压脉冲.

13、实验中,选择负载电阻R-等于设计的脉冲形成网络阻抗,整个线路连接紧凑,以尽可能减小回路电感得到好的输出波形.Fig.7Schemeofexperimentaldevice图7实验装置示意图根据理论分析,当负载的阻抗与PFN的阻抗匹配时,负载上得到的电压为充电电压的一半,且后沿没有明显的反射.图8给出了不同结构下,1Q负载上得到的波形.由图可知此时脉冲宽度为220ns,上升沿约为40ns.另外采用同轴结构可以使得高压端位于内部,因此可以减小耐压要求.由输出波形可知,负载处于高失配状态,因此设计的脉冲形成网络的阻抗应该小于1Q.图9给出了Blumlein型PFN结构示意图.Blumlein型PFN

14、采用并联充电,串联放电结构,因此在负载阻抗匹配的情况下,可以得到两倍于单线型PFN的输出脉冲.图1O给出了充电电压为44kV时,2.5Q的匹OOOO0OOOO加"5O5O5O665544534强激光与粒子束第21卷配负载上得到的高压脉冲.由图可知,负载上得到高压脉冲脉宽约为230rls,前沿约为50/'IS,其电压传递效率约为0.85.C兰>00.一.:.一1l_VIl.8Ons,di(a)wavefonnfromflatconfigurationFig.8图8>00:,一f一一,一,''.|.40ns/div(b)waveform

15、fromcuboidconfigurationWaveformsfrom6-lineLCPFNS6列LC脉冲形成网络输出波形,JLLLLL,JFig.9EquivalentelectricalcircuitfortheBlumleinPFN图9Blumlein型PFN结构示意图兰;毒1一一/,.一/j/80ns/divFig.10WaveformsfromtheBlumleinPFN图10Blumlein型PFN输出波形3结论目前单线型低阻抗脉冲形成网络已实现在1Q的负载下得到半高宽为220ns的脉冲,通过优化设计其上升沿可以控制在40ns,下降沿可以控制在50ns.利用该成形技术可以实现在输

16、出低阻抗的脉冲的同时获得快前沿上升,同时由于陶瓷电容可以用于直流充电,因此可以省去高压电源与成形系统之间的能量压缩段,有利于系统的小型化,轻量化,以及提高系统的能量传递效率.参考文献:1刘振祥,张建德.螺旋线型水介质长脉冲形成线的设计与改进EJ.强激光与粒子束,2006,18(2):20782081.(LiuZhenxiang,ZhangJiande.Designandimprovementofwaterdielectrichelixlongpulseformingline.HighPowerLaserandParticleBeams,2006,18(2):20782081)2FiremanJ

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18、a1.A800kVBIumleinmodulatorforanXbandklystr.nc/8thIEEEIntPulsedPowerConference.1991:315-318.5杨建华,钟辉煌,舒挺,等.水介质Blumlein型螺旋脉冲形成线J.强激光与粒子束,2005,17(8):1191-1194.(YangJianhua,ZhongHuihuang,ShuTing,eta1.WaterdielectricBlumleintypeofPFIwithspiralline.HighPowerLaserandParticleBeams,2005,17(8):11911194)6夏连胜,梁川

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22、orkWangQingfeng,GaoGuoqiang,LiuQingxiang,ZhangZhengquan,HuKesong(CollegeofScience,SouthwestJiaotongUniversity,Chengdu610031,China)Abstract:Ahighenergydensitymidiumhighvoltagepulseformingnetwork(PFN)wasdesignedwithlowselfinductanceceramiccapacitors.Eachcapacitorhasameasuredcapacitanceofaround1.7nF.Thecapacitorsaremadefromaveryhighdielectricconstantbariumtitanatedielectricmix,normallyusedtom