脉冲形成网络PFN放电特性研究

王维昌　赵锦成

摘 要： 脉冲形成网络（PFN）作为雷达发射机的重要组成部分，承担着储能和放电的双重作用，而且在医疗、激光、高能电子领域得到了广泛应用。首先从PFN的工作原理出发，分析了其电路结构以及对应的各项参数指标，利用Simulink对其放电特性进行了仿真，得到其放电波形，并分析了影响脉冲方波电流的因素。

关键词： 脉冲形成网络； 脉冲电流； 线性调制器； 方波电流

中图分类号： TN787?34 文献标识码： A 文章编号： 1004?373X（2015）01?0144?03

Abstract：：As one of the key parts of radar transmitter， pulse?forming network （PFN） plays a dual role of energy storage and discharge， and has been widely used in the fields of medical， laser and high energy. The working principle， circuit structure and corresponding specifications of PFN are analysed. The discharge waveform was obtained in the Simulink simulation for discharge characteristics. The factors which affect pulse rectangular wave current are analyzed.

Keywords： pulse forming network； pulse current； linear modulator； rectangular wave current

0 引 言

脉冲形成网络也称人工线、仿真线（Pulse?forming Networks，PFN），是雷达线性脉冲调制器中的重要元件之一。

目前普遍使用的脉冲形成网络是电压反馈型结构，用来模拟无损耗传输线的传输特性，以产生雷达发射机中所需要的方波电流，在雷达发射机的线型调制器中起着放电和储能的双重作用。

随着电力电子器件的飞速发展，线型脉冲调制器作为一种效率比较高的脉冲调制器，不仅在雷达发射机中应用，在高能电子加速器、医疗加速器、工业辐照加速器、同步辐射加速器等领域中也得到了广泛应用。为此，作为线型脉冲功率调制器的关键元件之一，PFN引起了人们越来越多的重视。

本文从PFN的基本原理入手，探讨了PFN的拓扑结构，研究其充放电特性中链数、电感电容参数选择等对脉冲波形的影响，并通过仿真验证了结论的正确性。

1 脉冲形成网络结构特性

1.1 无损耗传输线

由于雷达的发射元件为脉冲性负荷，所以要求供电系统能够输出矩形的方波电压，利用无损耗传输线可以产生理想的矩形脉冲。假定一根长为[l，]波阻抗为[Z，]电压为[U0]的无损传输线，当[t=0]时，闭合开关K，对电阻[R]进行放电，如图1（a）所示。

1.2 链式脉冲形成网络

在传输线中，波的传播速度为300 m/μs，要设计一个1 000 μs的矩形方波就需要1 500 km的输电线，这显然是很不现实的。传输线是由分布的电容和电感组成的，在试验中可以用集中参数电容和电感组成的模拟网络来代替。虽然有限数目的网络不能够精确地模拟真实分布的参数传输线，但增加网络元件的数目一定程度上可以产生与矩形波相似的脉冲。

通过分析PFN的放电过程，可以得到以下结论：

（1） 由式（5）可知，在正失配状态时，PFN在一个脉冲之后有剩余的正向电压，如采用闸流管作为开关元件，则在下一个充电周期开始时，闸流管还在继续导通。优点是可以得到比匹配状态大一些的输出电压，但是系统效率低，调制器容易产生连通。

（2） 当PFN工作在负失配状态下时， PFN两端电压在下一个脉冲到来前为负值，这样有利于闸流管两端消除电离。因为闸流管在脉冲过后不能承受过大的反向电压，所以调制器通常工作在负失配状态，并用反峰电路限制过大的反向电压，以起到对闸流管的保护作用。

2 电路仿真及其结果分析

2.1 PFN放电电路仿真

在方波冲击电流电路参数计算的基础上，利用图2对PFN方波发生电路进行仿真。以某型号线性调制器的PFN为例，其负载两端额定电压为30 V，额定电流为120 A，脉冲频率为1 kHz，工作占空比为10%。为了得到满意的波形以及调试方便，这里选取PFN的链数为12，根据第2节可以计算出PFN的总电感[L=]15 mH，总电容[C=]240 mF，如图4所示。

2.2 影响PFN放电波形的因素

从图5负载电流波形图可以看出，当每一链的电感平均值相同时，电流过冲过大，并且电流幅值随时间有一定的降落。

（1） 首链电感对波形的影响。从图5可以看出，在首链处，电流波形有明显过冲震荡，波形上升速度快，若增大首链电感，其他条件不变，波形如图6所示。虽然电流上升速度减缓，但过冲震荡明显减小，因此，靠近负载端首链电感对波头影响显著。

（2） 中间电感对波形的影响。对图6顶部放大后得到图7（a），从图7（a）中可以看出由于电感内阻的存在，从60 μs后电流存在明显的降落。为了获得理想的方波电流，可以适当减少中间段的电感量，调整后的波形如图7（b）所示， 电流无明显降落，基本维持在要求范围内。

（3） 末链电感对波形影响。在图7的基础上，分别增加末链的电感值到原来的两倍，即[L12=]2.5 μH；减小末链的电感值到原来的[12，]即[L12=]0.625 μH，结果如图8所示，可以看出：增大末链电感时，脉冲电流后沿持续时间变长，电流下降速度变慢；减小末链电感时，脉冲电流后沿持续时间变短，电流下降速度变快。

由上述仿真波形可以得出：若将冲击方波电流波形分成[n]段，则靠近负载的首链对应于方波电流的上升沿和持续时间，末链对应于方波电流的下降沿，其他链则影响冲击方波电流的持续时间的各个相应部分。减小某一链的电感使对应该段的电流幅值增大，反之，增加电感则使该段对应波形电流幅值下降。

3 结 语

随着电力电子器件的飞速发展和雷达总体要求水平的逐步提高，行波管、速调管等微波功率管得到越来越多的应用，线性脉冲调制器作为一种高效的脉冲调制电路，其应用范围也越来越广，因此，为了满足不同型号线性脉冲调制器的需要，PFN的技术指标要求也随之发生了一些相应的变化。本文从脉冲形成网络PFN的结构和原理出发，分析了其工作参数计算方法和放电特性， 并通过仿真分析了影响PFN放电波形的因素。实践证明，在对PFN进行设计时，必须针对其不同的特点，选取合适的电路结构和链数，并进行精确地调试，以满足对PFN波形指标的要求。为了确保PFN运行时的高效率和长寿命，必须对其进行热设计，这方面还有许多工作需要深入研究。

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