单级磁压缩网络理论分析与实验研究

刘天宇，指导教师：杨晓光

（河北衡水第一中学，河北衡水，053000）

单级磁压缩网络理论分析与实验研究

刘天宇，指导教师：杨晓光

（河北衡水第一中学，河北衡水，053000）

脉冲电源具有广泛的应用价值，而磁压缩技术是脉冲电源的关键技术。本文分析了单级磁压缩电路的结构和工作原理，设计并搭建了一种单级磁压缩电路，对其进行了仿真分析与实验研究，仿真结果和实验结果具有很好的一致性。实验结果表明，所设计的磁压缩电路可有效陡化电流波形。

脉冲电源；磁开关；磁脉冲压缩；Saber仿真

0 引言

脉冲电源技术在军事与工业中应用广泛，如约束性核聚变、电子束、粒子束、直线加速器、激光技术、等离子体技术、电磁炮、电磁发射等[1-4]。脉冲功率系统一般通过高压直流电源对储能元件进行充电，并通过快速功率开关的动作将能量以脉冲形式迅速释放到负载上,从而在负载端获得高压快速脉冲。

目前在高频高压脉冲电源充电系统中，半导体开关器件的过流和过压问题严重影响了整个电源系统的效率和稳定性[5]。要解决上述问题，以磁开关为核心的磁压缩网络是最好的选择。磁脉冲压缩技术能有效克服火花隙开关、闸流管、晶闸管等大功率开关对脉冲功率系统限制，具有较强的可重复性,无磨损和较短的恢复时间的性能。因此磁开关被广泛应用于高频脉冲功率技术领域[6-8]。

本文分析了磁脉冲压缩电路的工作原理，并进行了仿真与实验研究。

1 磁脉冲压缩电源结构与工作原理

磁开关是磁脉冲压缩网络中最重要的部件，磁脉冲压缩开关实质上是一种非线性电感，该电感达到饱和后感抗会迅速下降。磁心的磁滞回线如图1所示。磁开关处于非饱和状态时，磁心的相对磁导率较高，磁开关电感较大，此时磁开关相当于断开；当磁开关处于饱和状态时，磁心的相对磁导率μr,接近真空，磁开关电感较小，此时磁开关相当于闭合。

当磁开关处于未饱和状态时，电感量为

式（1）中：μ0为真空磁导率；μr为相对磁导率，处于图1中的Ⅱ区域；l为磁心平均磁路长度;S为磁心绕组面积；N为匝数，Lr为未饱和电感量。

当磁开关处于饱和状态时，电感量为

Lsat为饱和电感量；μsat为磁开关饱和时的相对磁导率，处于图1中的Ⅲ区域，由图1可知此时磁芯的相对磁导率接近为1，Lsat很小，磁开关处于“闭合状态”。

磁开关耐压时间关系式为,

式（3）中：Umax为磁开关两端所受的最大电压；N为磁开关的绕线匝数；Am为磁心横截面积；ΔB为磁心磁通密度变化幅度；α为磁心叠片系数。

图1 磁开关磁芯B-H曲线

由式（3）可以看出，磁开关的饱和时间取决于磁开关的两端电压、磁心横截面积和磁心的匝数[9]。

如图2所示为单级磁压缩网络。图中电容C0、C1、C2容值相等，L0为普通电感，L1是磁开关，R0为电路等效电阻，R1为电源系统的负载。图3为单级磁脉冲压缩网络电容电压波形与输出电流波形。磁开关磁芯初始化至剩磁-Br，首先在t=t0时闭合开关S0，电源给电容C0充电至U后打开S0（t=t1）。然后在t=t1时闭合S1，此时C0通过L0、R0将存储的电能传递到C1，C1的电压逐渐升高，根据电感的伏秒积平衡方程式（4）可知，电感两端承受的电压对时间的积分和绕组匝数N、磁芯截面积S、磁通量密度变化ΔB三者的乘积相等[7]。

因而，L1磁芯中的磁通密度开始从-Br处沿磁化曲线向+Bs增长。如果磁开关参数设计恰当，那么磁开关恰好在电容C1电压达到最大值时磁开关饱和，此时，磁开关的电感急剧下降，电容C1向电容C2迅速放电，形成高脉冲电流io，波形如图3所示。

图2 简化的单级磁压缩网络

图3 典型单级磁脉冲压缩网络电容电压波形与输出电流波形

2 仿真分析

本文搭建了仿真模型，为了提高仿真和检测的准确性，磁压缩系统中加入了磁复位电路。磁芯选用德国VAC公司的纳米晶磁芯“T60006-L2045-V102”。磁滞损耗小，饱和磁感应强度为1.2T，磁芯的平均磁路长度和磁芯的横截面积分别为11.8 cm和0.855cm2，内径为30mm、外径为45mm和高为15mm。所用环形磁芯的B-H曲线如图1所示。仿真参数设置：初级储能电容电压U=10V，电容C0=C1=C2==3uF，电感L0=2.4mH，磁开关L1线圈匝数为N=30匝，磁压缩系统仿真电路图如图4所示。磁压缩系统仿真波形如图5所示，从图中可以看出，C1的峰值电压为10V，C2的峰值电压为95V，压缩倍数为n=9.5。与理论分析具有很好的一致性。

3 实验验证

本文依据理论分析与仿真结果搭建了磁脉冲系统实验电路。实验参数：电源U=10V，电容C0=C1=C2=3uF，电感L0=2.4mH，磁开关L1的线圈匝数N=30匝，非饱和状态下的电感值为0.14H。实验结果如图6所示，Vc1=9v，Vc2=90v，压缩倍数为10倍，与仿真结果具有很好的一致性。

图4 磁压缩系统仿真电路图

图5 磁压缩系统仿真波形图

图6 磁压缩系统实验波形图

4 结论

利用磁开关和电容器设计了单级磁脉冲压缩网络电路，仿真与实验结果验证了理论分析的正确性。本文所设计单级磁脉冲压缩电路可以将脉冲压缩十倍左右，实现了磁脉冲压缩的功能。

[1]姚陈果,郭飞,王建,等.纳秒脉冲电场治疗裸鼠皮下人恶性黑色素瘤模型的长期效应[J].高电压技术,2012,38(12)：3357-3362. [2]原乃武,荣命哲,曾征,等.室内空气净化用高压窄脉冲电源的研究[J].高压电器,2003,39(2):10-12.

[3]马山刚,于歆杰,李臻.用于电磁发射的电感储能型脉冲电源的研究现状综述[J].电工技术学报,2015,30(24):222-228.

[4]姜春阳,夏胜国,周峰,等.用于产生非平衡等离子体的纳秒级脉冲电源研制[J].高电压技术,2012,38(7):1770-1776.

[5]邱剑,刘克富,肖后秀,胡琼.高频高压脉冲电源充电软开关技术[J].高电压技术,2006,(04):62-64.

[6]杨家志, 蒋存波,范兴明,等.高隔离度高压脉冲电源的仿真与实验研究[J].高电压技术,2014,40(4):1261-1266.

[7]刘刚,李黎,林福昌,等.磁开关在强脉冲能源模块中的设计和应用[J].高电压技术,2011,37(12):2945-2951.

[8]马宾,丁卫东,李峰,等.基于磁开关的重复频率冲击电压发生器[J].强激光与粒子束,2010,22(3): 469-473.

[9]张东东,严萍,王珏.磁脉冲压缩系统的仿真研究[J].强激光与粒子束,2008,(03):497-500.

Theoretical analysis and experimental study of a single stage magnetic compression network

Liu Tianyu, teacher: Yang Xiaoguang
(Hebei hengshui no.1 middle school,Hengshui Hebei,053000)

Pulse power supplies have widespread application value, in which, magnetic compression technique is a key technology. In this paper, the circuit topology and work principle are analyzed, and a single stage magnetic compression circuit is constructed followed by simulation analysis and experimental study.The simulation result has good agreement with the test result, which shows that the designed magnetic compression circuit can effectively yield sharpening pulses.

Pulse power supplies;Magnetic switch;Magnetic pulse compression;Simulation