高压脉冲功率源输出特性

韩克华，任 西，秦国圣，褚恩义

（陕西应用物理化学研究所应用物理化学国家级重点实验室，陕西 西安 710061）

0 引言

高压脉冲功率源是冲击片雷管（Slapper）起爆的能量源，是爆炸箔冲击片加载试验的主要装置，也是引信电子安全高压起爆系统的主要使用部件。高压脉冲功率源由三个主要元器件组成，分别为脉冲变压器、高压储能电容器和高压开关。从1980年到2006年引信年会的资料可以看出，国外的高压脉冲功率源技术发展迅速［1－3］，在1994年 LLNL（Lawrence Livermore National Laboratories）实验室研制的高压脉冲功率源输出效率可达80%［4－6］，在2008年52届引信年会报道的脉冲功率源输出效率可达90%［7－8］。目前国内关于高压脉冲功率源的报道的资料大部分都是其工作原理和设计思想［9－11］，在高压脉冲功率源优化设计、具体的输出效率、有效能量、能量利用率等输出特性方面却未见报道。为此本文通过测试与计算，研究高压脉冲功率源的输出特性。

1 试验与计算方法

冲击片雷管在作用过程中，其内部金属桥箔在高压脉冲功率源瞬间放电时产生的大电流作用下，产生电爆炸带动飞片撞击钝感炸药柱将其引爆，在此过程中，金属桥箔需要在短时间内得到足以使其产生等离子体的能量，这就要求高压脉冲功率源输出的脉冲大电流在幅度和时间特性上都能满足要求［12］。利用试验计算方法对高压脉冲功率源能量输出效率、有效能量和能量利用率进行定量表征。给高压脉冲功率源输入一定的高电压，按照试验要求对不同负载放电曲线和参数进行计算，可以得出高压脉冲功率源能量输出效率、有效能量和能量利用率的定值。

1.1 试验装置

实验装置测试原理框图如图1所示，包括采样速率不低于1GS／s的数字存储示波器（DSO）、高压数字表、高压脉冲功率源系统、电流测量线圈、分压器、短路负载、爆炸桥箔等。

图1 实验装置测试原理框图Fig.1 Test principle of experiment device

脉冲变压器将＋27V低电压转换成3 000V高电压，经整流后给高压脉冲功率源中高压脉冲电容器充电，用高压数字表检测充电电压；当高压开关经过触发电路触发时，高压开关导通，高压脉冲电容器上的高电压经过高压开关对爆炸桥箔或者短路负载进行放电，回路中的电流用电流测量线圈进行测量，电压用分压器测试，数据用数字示波器进行检测并记录。由于高压脉冲电容器上的电压是千伏级的，在放电过程中，瞬间电流和电压较大，所以电流测量线圈和分压器所测试的电流和电压是经过衰减过的，在读取电流和电压数据时，示波器显示的电流和电压数据乘以电流测量线圈和分压器的衰减倍数，就是高压脉冲电容器放电电流和电压的实际值。

1.2 试验方法

如图1所示接入试验装置，分别将负载更换为短路线负载、0.5Ω的无感电阻［13］、金属桥箔，利用储能电容器对其放电，用电流测量线圈和分压器分别测试放电电流曲线和电压曲线，测试曲线如图2所示。

图2（a）是负载为短路线时，所测试放电回路电流曲线，在美军标 MIL－DTL－23659D中对其规定测试回路电流应包含至少5个等间隔减幅振荡电流，利用此振荡波形参数可以进行系统等效电阻，系统等效电感等性能参数的计算。图2（b）是负载为0.5 Ω的无感电阻时，所测试放电回路电流曲线，利用此图参数可进行脉冲功率源的输出能量计算。图2（c）是负载为金属桥箔时，所测试放电回路电流与电压波形，利用此波形可以测试金属桥箔在大电流冲击下的动态参数，如爆发电流、爆发电压、爆发时间，可以计算能量利用率等性能参数。

图2 不同负载放电曲线Fig.2 Discharge curves of various loads

1.3 试验数据计算方法

由于金属桥箔在大电流的冲击过程中，产生等离子体，其电阻是一个动态参数［10］，计算比较困难，故用0.5Ω的无感电阻替代金属桥箔，进行输出效率的计算，其算法就是利用放电曲线和上升时间所包含的面积就能判断出脉冲功率源输出效率的高低，如放电曲线图2（b）所示。具体计算方法如下：

脉冲功率源输入总能量为：

脉冲功率源输出能量为：

脉冲功率源输出效率为：

式中，C为脉冲功率源储能电容器容量，U为充电电压，i为放电回路电流，R为0.5Ω。

脉冲功率源对金属桥箔进行放电时，加载在金属桥箔上的能量具体表征方法如下：

金属桥箔利用的能量为：

能量利用率为：

公式（4）中u、i为金属桥箔作用时所测试的爆发电压与爆发电流曲线参数。脉冲功率源对负载为金属桥箔放电时，用电流测量线圈和分压器测试的放电回路电流和电压如图2（c）所示，从测试波形可以看出，在桥箔爆发点后超过1μs的时间内，起爆回路中都有电流、电压存在。从桥箔爆炸气化推动飞片加速到最高速度期间内，桥箔消耗的能量大部分转换为飞片动能，这部分能量称其为有效能量。利用P＝U×I，将爆发电压与爆发电流曲线相乘先得到功率曲线，再对功率曲线进行积分，即得到加载在金属桥箔上的能量。根据相关文献，冲击片雷管飞片加速过程约为200ns［12］，因此可将桥箔爆发点后200ns这一时刻作为区分有效能量的时间节点，故在数据处理中将爆发电流曲线、爆发电压曲线起爆点后200ns以后的数据截去，不计入桥区消耗的能量。

2 高压脉冲功率源输出特性

由试验与计算结果得到能量输出效率与能量利用率。

2.1 能量输出效率

对高压脉冲功率源加载电压分别为1.0kV，1.5kV，2.0kV，2.5kV，2.8kV 时，对负载为0.5 Ω无感电阻进行放电测试，将放电电流曲线按照P＝I2×R可计算功率曲线，功率曲线如图3所示。

图3 短路负载输出功率曲线图Fig.3 Power curves of short circuit

在有效的时间内对功率曲线进行积分，式（2）计算结果即为高压脉冲功率源的输出能量，再利用式（3）进行计算，可以得到高压脉冲功率源的输出效率。试验用高压脉冲功率源所用高压脉冲电容器容量为0.2μF，对功率曲线积分后，所得输出能量以及计算输出效率曲线如图4所示。

由图3的功率曲线可以看出，随着加载电压的升高，功率曲线所包围的面积也逐渐增大，这说明随着加载电压的升高，输出能量是逐渐增加的。由图4（a）可以看出，随着加载电压的升高，输入能量和输出能量都是渐增趋势，但是输入能量增加的趋势较大，而输出能量的增加趋势较为平缓，输出效率曲线如图4（b）所示，输入电压范围从1.0～3.0kV，电压加载范围较宽，而输出效率却在33%～45%之间缓慢递增，由试验和计算结果可以得出高压脉冲功率源输出效率随着加载电压大幅度的增加，其递增较为缓慢，变化范围较窄的结论。

图4 输入和输出能量与输出效率曲线Fig.4 Curves of energy and efficiency

2.2 能量利用率

利用高压脉冲功率源对相同参数的金属桥箔进行放电，利用电流测量线圈、分压器进行回路电流、负载加载电压的测量。不同加载电压下所测试的峰值电流、爆发电流、峰值时间和爆发时间曲线如图5所示。利用P＝U×I可计算功率曲线，如图6所示。利用式（4）对功率曲线在有效时间内进行积分，即功率曲线所包围的有效面积为加载在金属桥箔上的能量。利用式（5）进行计算，可得到不同加载电压下的金属桥箔的能量利用率，如图7所示。

图5 不同电压下桥箔爆炸性能参数对比曲线Fig.5 Exploding performance curves of exploding foil

由图5（a）可以看出，随着加载电压的不断升高，峰值电流和爆发电流也随之升高。通过对爆发时间与峰值时间的比较，如图5（b）所示，当发火电压为2.2～2.7kV之间，爆发时间最接近峰值时间，在发火电压为2.5kV时，峰值时间与爆发时间接近重合。通过对爆发时间与峰值时间的比较，分别对功率曲线在有效时间内进行积分，如图6所示，得到不同放电电压加载在金属桥箔上的有效能量。通过图6可以看出，功率曲线在峰值的上升部分面积较小，下降面积较大，则说明加载在金属桥箔上的功率，主要消耗在桥箔汽化产生等离子体的过程。在发火电压为2.5kV时，功率曲线的有效面积最大，输出的有效能量也最大。利用式（5）进行计算有效能量利用率，不同加载电压下的有效能量利用率如图7所示，在加载电压为2.2kV时，金属桥箔能量利用率为最高点，为11.3%，在加载电压为2.5 kV时，能量利用率为10.9%。

图6 不同放电电压下的功率曲线Fig.6 Power curves of various voltage discharging

图7 不同电压下的能量利用率曲线Fig.7 Effective energy curves of various voltage discharging

从以上的试验计算结果可以看出，在发火电压为2.2～2.7kV之间，爆发时间最接近峰值时间，在发火电压为2.5kV时，峰值时间与爆发时间接近重合；在发火电压为2.5kV时，功率曲线的有效面积最大，输出的有效能量也最大；在加载电压为2.2kV时，金属桥箔能量利用率为最高点，为11.3%，在加载电压为2.5kV时，能量利用率为10.9%，这说明，对于相同参数的金属桥箔，爆发功率越大，峰值时间和爆发时间越接近，则金属桥箔转化给飞片的能量越大，金属桥箔的能量利用率越高。

3 试验结果分析

由于高压脉冲功率源主要器件为脉冲变压器、高压脉冲电容器和高压开关，脉冲变压器主要是向高压脉冲电容器提供初始能量。当高压脉冲电容器将储存的电压通过高压开关对负载进行放电时，此时放电回路可以等效为一个RLC串联电路。其中C为高压脉冲电容器容量，L为放电回路等效电感和负载电感之和，R为放电回路等效电阻和负载电阻之和。

在RLC串联放电回路中，由于放电回路的总电阻R即放电回路等效电阻与负载电阻之和、放电回路的总电感L即放电回路等效电感与负载电感之和、电容容量C是属于放电回路固有参数，当负载为定值时，总阻抗是定值，根据RLC串联电路特性可知，电流衰减系数与总电感成反比，振荡角频率与总电感的平方根值成反比，振荡周期与总电感的平方根值成正比，放电回路总电流与加载电压成正比，与振荡角频率的正弦函数成正比。所以在RLC串联放电回路中，总阻抗为定值时，放电回路电流的大小不仅与加载电压有关，还与振荡角频率的正弦值有关，并且振荡角频率的正弦值小于1，所以负载输出能量随着加载能量的增加而增加，但是输出能量递增较为缓慢，由于放电回路的输出效率为输出能量与加载能量的比值，如公式（3），这就造成了输出效率随着加载电压的升高递增较为平缓的缘故。

当高压脉冲功率源输出端负载为0.5Ω的无感电阻时，此时只考虑脉冲功率源放电回路的等效电感。从放电测试波形如图2（b）所示可以看出，当负载为0.5Ω无感电阻时，放电波形为衰减振荡波形，放电波形符合欠阻尼振荡电路振荡波形，从波形中可以看出，该放电回路中的电流衰减较快，振荡周期较短。由于此时负载为0.5Ω无感负载，放电回路中的总电感较小，总电阻较大，造成电路衰减系数较大，电流衰减较快，衰减振荡角频率较大，振荡周期较短。符合以上理论分析的结果，即脉冲功率源放电回路阻抗为定值时，回路总电感越小，电流衰减系数越大，电流衰减越快，振荡角频率越大，振荡周期越小，振荡越快的特性。从高压脉冲功率源输出特性的试验和计算结果可以看出，当负载为0.5Ω的无感电阻时，由于放电回路总阻抗是定值，所以回路中的电流随着加载电压的增加而增加，负载上的电压随着加载电压的升高而升高，故负载输出能量随着加载电压的升高是逐渐增加，但是由于振荡角频率的正弦值小于常数1，故负载输出能量的增加趋势较为平缓，能量输出效率变化范围较窄。

当负载变为金属桥箔时，由于桥箔自身存在电阻和电感，所以此时放电回路中的总电感为放电回路等效电感与金属桥箔电感之和，放电回路总电阻为放电回路等效电阻与金属桥箔电阻之和。从放电波形图2（c）可以看出，负载为金属桥箔时，放电波形为欠阻尼振荡波形，电流衰减较慢，周期较长，正是由于金属桥箔的电阻较小造成电路衰减系数较小，金属桥箔的电感增加了回路电感影响了振荡周期。金属桥箔发生的电爆炸是一个动态变化过程，金属桥箔在大电流冲击的过程中，在某一时刻发生汽化，这点也叫做金属桥箔的爆发点，如图2（c）所示，爆发电流曲线的凹点，也是爆发电压最大值所对应的点，这一点虽说是金属桥箔的爆发点，但并不是冲击片雷管的起爆点，根据冲击片雷管起爆机理，在金属桥箔汽化后，还需要更多的能量将汽化的金属等离子体进行加速，使其剪切飞片，使飞片高速经过加速膛，直接撞击药柱，使药柱起爆。但是冲击片雷管起爆的主要因素就是金属桥箔的汽化程度，所以金属桥箔的爆发程度以及能量利用程度是冲击片雷管能否起爆的直接影响因素，而金属桥箔利用高压脉冲功率源输出的能量不是随着加载电压的升高而升高。根据金属桥箔爆炸性能得知［11］，金属桥箔在电爆炸过程中经历缓慢加热、熔化、汽化和爆炸，较多的能量损耗在发火线路上。所以在金属桥箔发生电爆炸时，爆发点太超前，爆炸后电流继续上升，后面的能量不能得到利用而浪费；爆发点对于峰值电流太靠后，则爆炸箔爆发电流低，发火时间长，作用在爆炸箔上的能量减少，相应的飞片速度较低不能引起炸药爆轰。故对于相同参数的金属桥箔，能量利用率最高点为爆发电流与峰值电流最接近或重合点，即爆发电流时间与峰值电流时间差值最小点。

通过对高压脉冲功率源输出特性的试验与计算结果以及理论分析结果得知，高压脉冲功率源的输出效率随着加载电压的升高递增较为缓慢；对于相同参数的金属桥箔，爆发功率越大，峰值时间和爆发时间越接近，则金属桥箔转化给飞片的能量越大，金属桥箔的能量利用率越高。

4 结论

本文通过利用高压数字表检测充电电压，用分压器测试电压，用数字示波器检测并记录数据。经计算得出高压脉冲功率源加载电压从1.0～3.0kV大幅度的增加，输出效率在33%～45%递增较为缓慢，变化范围较窄；加载电压为2.2kV时，高压脉冲功率源爆发功率最大，能量利用率最高，为11.3%；对于相同参数的金属桥箔，爆发功率越大，峰值时间和爆发时间越接近，则金属桥箔转化给飞片的能量越大，金属桥箔的能量利用率越高。对试验与计算结果的分析表明：高压脉冲功率源输出特性与理论分析规律相符合。

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