传输线脉冲变压器次级线电感的优化设计

　　现代脉冲功率技术正在向高功率、紧凑化方向发展[1]。与采用体积较大的Marx发生器作为初级能源[2-3]相比,脉冲变压器显然更能适应这样的发展要求。通常使用的脉冲变压器有2种:传统的磁通耦合脉冲变压器[2]和传输线脉冲变压器(TLT)。传统脉冲变压器由于耦合系数不高,线圈之间存在较严重的漏电感,适用的脉冲频率较低。相比之下,漏电感、匝间电容等因素对TLT输出脉冲的影响相对较小,因此,在减小脉冲上升时间,减缓脉冲平顶降落等方面,TLT具有优势,这种优势在高频输入情况下,表现尤为突出,故TLT在现代脉冲功率系统中有着广阔的应用前景。近年来,对TLT的研究逐渐升温,国内外许多研究人员正在积极探索这项技术[4-7],提出了多种颇具特色的TLT电路拓扑结构,比较有代表性的是牛津大学Graneau等人提出的级间有耦合结构[8-9]和法国Pecastaing等人提出的每级传输线上套不同类型磁环结构[10],但他们都没有对这些结构中各电感参数的选择优化进行讨论。本文建立了TLT的一般电路模型,分析并讨论了2种典型的TLT结构,推导出一般情况下输出脉冲电压幅值的计算公式,在此基础上优化了各次级线电感大小的设计。

　　1　TLT电路模型

　　传输线变压器电路一般采用输入端并联、输出端串联的结构。图1是二级TLT的基本电路结构图,图中ZG是输入脉冲源的内阻,为避免电压波的反射,ZG应尽量与TLT输入端阻抗匹配;输出端负载阻值为2Zo,与TLT输出端阻抗匹配。输出端与输入端的阻抗比为4,电压的变比为2。但图1所示的电路结构内部存在一些短路路径,见图1中虚线所标识出的2条路径。当电压波经过一个传输线延时后,到达传输线的输出端,沿着短路路径有一个反射波沿虚线箭头方向传输,最终叠加至输出脉冲,引起脉冲平顶下降。这些短路路径构成了影响脉冲传输的次级传输线,简称次级线。显然,次级线是在传输线导体与地之间形成的。

　　鉴于上述存在的次级线限制,需要提高次级线阻抗以抑制其对输出脉冲的影响。一般做法是在第一级之外的各级传输线上加磁芯,有2种实现办法:以三级TLT为例,一种办法如图2所示,将第一级之外的各级传输线均套上磁芯;另一办法是从第二级开始,将各级传输线均绕于磁芯上。两种做法是等价的,使用磁芯的目的都是提高次级线阻抗,且不影响传输线的内部结构。增大次级线阻抗可以减小次级线上的电流,从而有效抑制次级线对输出脉冲的影响。之所以没有在第一级传输线添加磁芯,是因为第一级的外导体两端已经与地相连,它与地之间没有形成次级线。

　　2　两种典型的拓扑结构

　　2.1　级间无耦合结构