激光触发开关的电参数测量

　　为了研制多路并联输出、负载电流为数MA的超高功率电脉冲装置,建造了包含Marx发生器、脉冲形成单元和脉冲传输单元的单个模块(单路样机)[1]。脉冲形成单元主要由激光触发多级多通道开关[2]和脉冲形成线组成。由于激光触发开关的工作电压较高(约为4 MV),因此,与电阻分压器相比,使用电容分压器或D-dot探头可以有效避免沿面闪络的发生,更适合脉冲高电压的测量;而开关区直径较大,采用B-dot探头测量电流比罗氏线圈或分流器更为方便。D-dot探头[3-7]原理类似电容分压器,其输出正比于输入电压对时间的微分信号,将输出信号积分后可获得电压信号。B-dot探头[6-8]又称磁耦合环,其输出正比于被测电流对时间的微分信号。作为非接触测量手段,两类探头都具有对被测系统影响小、体积小和响应较快等优点,因此在脉冲功率装置上得到了广泛应用。本文给出了针对激光触发开关的电压电流测量而设计的探头,以及实验结果分析。

　　1　探头的设计

　　1.1　电压探头设计

　　开关D-dot电压探头结构见图1。探头直径44 mm,假设屏蔽罩(高压电极)与探头间为均匀电场,根据D-dot探头的原理[3-7],估算探头与高压电极之间的结构电容C约为0.08 pF,探头输出Vout约50 V,当使用积分常数RC=13.2μs的积分器时,计算探头灵敏度为3.2 MV/V,假设主开关的工作电压为4 MV,则输入到示波器的测量值约1.25 V。实际由于屏蔽罩与外筒间不是均匀电场,因此探头与屏蔽罩之间的结构电容会小一些,即探头的输出信号会小于理论值。探头对地的结构电容Cg按同轴结构估算为76 pF[9],核算RCg=3.8ns(R为取样电阻值,当电路中不使用电阻时,等效为信号电缆的波阻抗),模拟电路计算开关入口电压的前沿约为800 ns,出口电压前沿约为200 ns,因此可以满足RCg tr要求,其中tr为被测脉冲前沿。

　　1.2　电流探头设计

　　开关B-dot电流探头是使用一个修改过的密封电缆头焊接感应线圈而成(如图2所示),结构简单而且达到了密封油介质的目的。感应线圈为3匝14 mm×7 mm方形截面线圈,当线圈截面与磁通垂直时,线圈等效截面积约为300 mm2。根据B-dot探头的原理[6-8],估算探头输出约300 V。但是考虑到探头安装在外筒壁的孔中,耦合到的磁通大约为阴阳极之间磁通的1/3[8],因此估计探头输出约100 V。B-dot电流探头直接与传输电缆相连,不设信号电阻。由于电缆末端有匹配电阻,因此电缆的波阻抗等效为信号电阻。估算的感应线圈电感L≈30 nH[10],核算L/R=0.6 ns,可以满足L/R tr要求。

　　1.3　探头布局

　　D-dot电压探头安装在开关的入口和出口,分别对着开关入口和出口端的屏蔽罩;B-dot电流探头安装在主开关的入口。为防止气泡的产生以及考虑安装的方便,探头在开关外筒选择在下方45°的角向位置。探头布局如图3所示。