磁脉冲压缩系统的仿真研究.pdfVIP

　第 20 卷 　第 3 期 强 激 光 与 粒 子 束 Vol . 20 ,No . 3 　 　2008 年 3 月 H I GH PO W ER L A SER AND PA R TICL E B EA M S Mar . ,2008 　 文章编号 : 　100 14322 (2008) 磁脉冲压缩系统的仿真研究 1 ,2 1 1 张东东 , 　严 　萍 , 　王 　珏 ( 1. 中国科学院 电工研究所, 北京 100080 ; 　2 . 中国科学院 研究生院, 北京 100049) 　　摘 　要 : 　分析了传统磁脉冲压缩系统的原理及缺点 ,对基于省去磁芯复位电路的磁脉冲压缩系统进行了 介绍 ,为了更加深入地分析这种磁脉冲压缩系统 ,应用 Pspice 仿真分析软件建立了省去磁芯复位电路的磁脉 冲压缩系统模型 ,计算出各级压缩过程中各元件的电压波形 ,及饱和变压器和磁开关的磁芯感应强度变化 曲 线 ;经测试 ,当负载为 500 Ω纯阻性负载时 ,系统两端输出的负极性脉冲峰值约 - 27 kV ,半高宽约为 70 n s ,下 降沿约为 40 n s 。通过分析仿真结果与实验结果 ,仿真中需考虑测量探头引入的并联电容对电路的影响 。 　　关键词 : 　脉冲功率技术 ; 　磁脉冲压缩 ; 　磁开关 ; 　仿真 　　中图分类号 : 　TN78 　　　　文献标识码 : 　A ( ) 　　磁脉冲压缩 M PC 技术有效地克服了火花隙开关 、闸流管 、晶闸管等大功率开关性能的不足给脉冲功率 [ 1 ] ( ) 系统带来的限制 。Melville 于 195 1 年首次提出 ,利用可饱和电抗器 磁开关 作为开关元件以产生大功率脉 冲 。由于磁脉冲压缩器是固态脉冲压缩装置 ,不含气体放电部件 ,不需要形成放电等离子体通道 ,没有电极侵 蚀 ,也不存在放电恢复时间 ,因而具有非常长的寿命 。近年来一种新颖的磁脉冲压缩网络的应用使得困扰已久 的磁开关复位问题得以解决 ,使得磁开关能够达到很高的重复率 。因此 , 目前磁脉冲压缩技术已用于许多高重 复频率 、高可靠性 、长寿命 、高平均功率的气体脉冲激光器 、高压除尘设备及加速器系统中[210 ] 。随着应用的增 多和系统要求的愈益严格 ,有必要对磁开关和磁脉冲压缩器的性能和过程进行计算和模拟分析 。一个完善的 计算机模拟程序有助于设计人员精确地预测大型系统的性能 ,而不必进行大量费时费力且花费昂贵的样机建 造和实验测试 。本文采用 P spice 电路仿真软件对磁脉冲压缩系统进行仿真 ,P spice 中的模型编辑器组件提供 了可以由用户自由设定的基于J ile sAt herto n 模型的非线性磁芯 ;用户通过输入磁芯材料的BH 回线 , 以及设 定磁芯的几何形状参数[ 1115 ] ,可以比较真实地反映出磁芯在电流的激励下磁通密度的变化过程 。 1 　磁脉冲压缩原理 　　传统的磁脉冲压缩网络由电容和磁开关级联组成 , 如图 1 所示 。图 1 中所有电容均相等 ,L 1 ,L2 和 L 3 为磁 开关 ,磁开关磁芯的 BH 曲线如图 2 所示 。图 3 为 C0 , C1 ,C2 和负载 R1 上的电压波形图。L 1 ,L2 和 L 3 初始化 至剩磁 - B r 处 ,开关 S1 在 t = t0 时闭合 ,此时 C0 通过L 0 连接到 C1 ,能量从 C0 传递到 C1