一种四级传输线脉冲变压器的初步研究

　　自1944年G.Guanella首次提出传输线变压器(TLT)的概念[1]以来,TLT历经60多年的发展,比较成熟的应用是用来解决射频 电路中的阻抗匹配问题,而应用于脉冲功率技术领域的TLT还是在近20年才逐步发展起来的。TLT与传统磁芯脉冲变压器相比,在上升时间、脉冲畸变程度、 耦合系数及频率响应等方面具有优势[2]。传统脉冲变压器的初、次级存在漏电感与匝间电容的作用,这影响了输出波形的上升时间,而且随着变压比的增加,此 作用将加剧对上升时间的影响[3]。TLT主体结构采用长传输线,电压沿传输线均匀分布,杂散参数小,使得在转换时间宽度为几十ns、电压幅值为几百kV 的脉冲时波形畸变较小,能量传输效率高。英国牛津大学的P.W.Smith等人在近20年来曾经研制出多台TLT[4-7],具有代表性的是在1996年 报道的一台十级传输线(同轴电缆线)脉冲变压器,输入电压幅值约为20 kV、脉宽约为1μs、上升时间约为20 ns,经变压器10倍变压比,输出脉冲电压幅值约为200 kV,脉宽约为1μs,上升时间约为65 ns,脉冲平顶降可忽略。K.P.Yan[8-9]等人提出了应用于ns脉冲功率发生器的紧凑型TLT发展方案。

　　本文提出了一种适用于脉冲功率系统的TLT的结构。采用等效电路方法[10],并简化了电路,推导出输出脉冲的幅值和上升时间的表达式。利用PSPICE软件对电路进行了数值模拟,设计并开展了冷测实验。

　　1　TLT基本原理

　　TLT的基本思想是利用输入与输出端的阻抗变换,来实现电路参数的转换。对于升压TLT而言,通常采用的阻抗构成是输入端并联,输出端串联,每 一级传输线的输入端电压波形都与输入源相同,在输出端产生升压效果。本文中的传输线均特指同轴传输线。用这种传输线结构制作TLT时,其外导体与地之间会 形成次级传输线(secondarytransmission line),简称次级线。次级线的存在会导致TLT输出结果的畸变,包括脉冲电压幅值的下降和上升前沿的畸变。将TLT的各级传输线(第一级除外)绕于磁 环上,四级TLT如图1所示。TLT的第二、三、四级均绕在磁环上,每级内外导体上的电感分别为L1,L2,L3。即在不影响主传输线内部结构的情况下, 相当于在各次级线上分别接入了一个电感,提高了次级线的阻抗,从而减小了次级线上的电流,削弱了次级线对输出结果的影响。图1没有给第一级传输线绕磁环, 这是因为第一级的外导体的两端与地相连,它与地之间没有形成次级线。

　　2　四级TLT电路分析

　　利用相互耦合的两个电感替代图1中的磁环绕组,可以得到图2所示的四级TLT电路。各级绕组上传输线的内外导体的自电感分别相等,各为 L1,L2,L3。电感耦合只存在于同一级传输线上的内外导体所形成的两个绕组之间,即绕组W1与W2之间存在互感M1,绕组W3与W4之间存在互感 M2,绕组W5与W6之间存在互感M3。对电路中各参数施行拉普拉斯变换,自电感和互感均可表示成阻抗形式,s是拉普拉斯算子,得到阻抗 sL1,sL2,sL3,sM1,sM2,sM3。由于绕组上同一根传输线的内外导体上的自电感之间的耦合系数趋近于1,故有 M1=L1,M2=L2,M3=L3。