含变压器电感储能脉冲功率源的电路模拟和实验研究

　　由于电感储能体积密度比电容储能高几十倍,在输出能量一定时,采用电感储能更易于实现系统的小型化,所以在需要紧凑高功率脉冲源的场合广泛采用了电感储能功率调节系统。采用电感储能必须解决断路开关技术,由于电爆炸丝断路开关具有结构简单、操作方便、造价低和技术相对成熟等优点而得到了大量应用[1]。

　　电爆炸断路开关利用强电流流过金属丝时产生的焦耳热瞬间加热金属丝,使金属丝汽化、爆炸,在爆炸过程中金属丝的电阻急剧增加起到了切断电路的作用,在快速切断电流的过程中,回路电感上感生出高电压脉冲(V=LdI/dt)加载到负载上[2]。利用该技术压缩电容器放电产生的电脉冲,使输出变成快前沿的高功率脉冲(10~100 GW)是一种常见的脉冲功率调制手段,具有体积小、成本低和结构简单的优点。

　　随着电感储能功率调节技术和电爆炸断路开关(EEOS)技术的逐渐成熟,有必要研究是否可能将其它功率调制手段综合进电爆炸功率调节装置,从而进一步提高其技术性能,拓宽其应用领域。空心带绕脉冲变压器是一种常见的脉冲功率元件,具有体积小、结构简单和响应速度快等优点,可以对快脉冲进行调制,所以初步设想研究将爆炸丝和脉冲变压器结合使用的可能性。电爆炸断路开关是一种强非线性元件,其在电路中与脉冲变压器形成复杂的交互作用关系,要较为准确地预计此类电路的实际工作状况和理想参数,必须对电爆炸金属丝、变压器等元件进行数值建模然后求解电路方程,得到模拟电路的计算结果,电路模拟可以快速得到多种参数下的可能实验结果,找到影响实验的关键参数,减少实验的盲目性。本文利用仿真软件Simplorer 7[3]建立了相关模块化集中参数电路模型,并对计算模型进行了实验验证。

　　1　电路模拟原理

　　电爆丝的集总参数计算模型基于准静态近似[4],假设金属电阻只在两个基本过程中发生变化,即定相加热过程和相变过程。相对于描述电爆炸过程的磁流体动力学模型[5],在此假设下金属电阻率可以由注入金属的比作用量确定,工程中通常使用由实验测得的不同材料金属的电阻率-比作用量曲线将电爆炸元件定义为一个非线性电阻元件,然后利用电路模拟软件加以仿真。

　　定义电流流过金属丝时的比作用量为

式中:g为比作用量;j为金属中的电流密度;t是通电时间。显然,比作用量的物理意义就是t时间内金属丝单位横截面积内的电流通过1Ω电阻时所产生的焦耳热,实验测得银丝的ρ-g曲线如图1所示[6]。

　　据比作用量模型可以在Simplorer中设计如下的仿真模型,电路如图2所示。