单模块直线变压器脉冲前沿

　　很多研究领域均需要快上升沿(约100 ns)的高功率脉冲[1-3]。Marx发生器需多级功率调节段将初级能源提供的μs量级脉冲压缩至100 ns范围,装置系统庞大,造价高昂,且需要变压器油和去离子水等绝缘介质,运行维护不便[4]。20世纪90年代末,美、俄、法、日等国提出一种命名为LTD的组件结构(模块结构)[5],该装置绝缘要求低、运行维护方便、可以产生超快脉冲直接驱动源,同时采用模块化设计,参数调整灵活、高效、紧凑廉价,可以以很高的重复频率运行,能够产生快上升沿(约100 ns)的高功率脉冲直接驱动负载,不需任何脉冲压缩段。目前,俄、美、英、法等国已对LTD进行了大量的研究[6-10];我国此研究起步较晚,主要由西北核技术研究所孙凤举等人及中国工程物理研究院流体物理研究所周良骥等人开展了相关的研究工作[11-12]。

　　由于脉冲变压器绕组间存在漏感,绕组和变压器其它结构零件间存在分布电容。这些寄生参数的存在,使前沿很陡的脉冲电压馈入到变压器后,使输出脉冲电压的波形发生畸变。本文主要研究了变压器电路中的漏感等寄生参数对输出电压波形的影响,为设计脉冲变压器提供依据。

　　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。