摘 要： 應(yīng)用串聯(lián)諧振恒流充電技術(shù)及諧波疊加原理，設(shè)計(jì)了用于場(chǎng)畸變火花間隙開(kāi)關(guān)的觸發(fā)系統(tǒng)，并根據(jù)傅里葉級(jí)數(shù)原理選擇裝置參數(shù)，用PSPICE對(duì)脈沖形成電路進(jìn)行仿真。仿真結(jié)果表明，該系統(tǒng)能產(chǎn)生快上升沿、高陡度、大幅值的脈沖，這對(duì)進(jìn)一步研制放電抖動(dòng)低、放電迅速等高性能的場(chǎng)畸變開(kāi)關(guān)具有一定實(shí)際意義。
關(guān)鍵詞： 場(chǎng)畸變開(kāi)關(guān)；脈沖觸發(fā)；串聯(lián)諧振；恒流充電；諧波疊加；仿真
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開(kāi)關(guān)是脈沖功率裝置中的關(guān)鍵元件，場(chǎng)畸變開(kāi)關(guān)以其工作范圍廣、易于使用、通流能力強(qiáng)等特點(diǎn)成為脈沖功率技術(shù)領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)[1]。快前沿、大功率脈沖的獲得與場(chǎng)畸變開(kāi)關(guān)的放電特性密不可分。要使開(kāi)關(guān)放電抖動(dòng)低、放電迅速，除了要有良好的開(kāi)關(guān)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)外，場(chǎng)畸變開(kāi)關(guān)觸發(fā)脈沖的上升陡度、峰值電壓都是重要因素。研究表明，觸發(fā)脈沖陡度增加，開(kāi)關(guān)延時(shí)性及分散性隨之相應(yīng)減??；開(kāi)關(guān)的穩(wěn)定性也依賴(lài)于電壓幅值高、上升時(shí)間短的高壓觸發(fā)脈沖[2]。為此，本文設(shè)計(jì)了用于場(chǎng)畸變火花間隙開(kāi)關(guān)的脈沖觸發(fā)系統(tǒng)。
1 系統(tǒng)原理
場(chǎng)畸變開(kāi)關(guān)觸發(fā)系統(tǒng)原理框圖如圖1所示。來(lái)自電網(wǎng)的AC 380 V經(jīng)整流濾波后得到DC 520 V，并加到諧振變換器上。諧振電流經(jīng)變壓器，再經(jīng)高頻高壓整流電路向儲(chǔ)能電容充電。儲(chǔ)能電容上電壓充到預(yù)定值(10 kV)后，控制電路發(fā)出信號(hào)，將晶閘管觸發(fā)導(dǎo)通，電容電壓快速向雙次級(jí)繞組脈沖變壓器放電，在其次級(jí)經(jīng)雙波疊加形成高壓陡脈沖，以觸發(fā)場(chǎng)畸變開(kāi)關(guān)。
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2 儲(chǔ)能電路
全橋串聯(lián)諧振充電電源與傳統(tǒng)直流電源相比較，具有恒流充電、體積小、效率高、功率密度大、適合寬范圍變化的負(fù)載等優(yōu)點(diǎn)，是理想的電容充電電源。其主電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)采用全橋串聯(lián)諧振式逆變電路，如圖2所示[3-5]。
在任意時(shí)間，變換器開(kāi)關(guān)均處于以下3種狀態(tài)之一[4]：(1)Z2和Z3斷開(kāi)，Z1和Z4導(dǎo)通；(2)Z1和Z4斷開(kāi)，Z2和Z3導(dǎo)通；(3)所有開(kāi)關(guān)均斷開(kāi)。而狀態(tài)(3)依據(jù)當(dāng)時(shí)的續(xù)流二極管的導(dǎo)通情況有2種模式(電流方向不同)。根據(jù)電路分析，每種狀態(tài)都可得到它的等效電路和諧振電流ir。
例如在狀態(tài)(1)下，等效電路如圖3所示，儲(chǔ)能電容等效到理想變壓器的初級(jí)端為Co′。
當(dāng)開(kāi)關(guān)頻率fs略小于諧振頻率fr時(shí)，串聯(lián)諧振變換器輸出特性近似為恒流源，在固定fs下，平均充電電流在充電過(guò)程中基本不變，對(duì)電容等臺(tái)階充電[5]。
但隨著充電電壓逐漸升高，fr也逐漸變大，這導(dǎo)致諧振電流的峰值越來(lái)越小。因此，通過(guò)電流檢測(cè)電路檢測(cè)諧振電流的峰值變化并返回1個(gè)信號(hào)，根據(jù)該信號(hào)，通過(guò)AVR單片機(jī)運(yùn)用定寬調(diào)頻策略來(lái)控制fs的升高，以維持諧振電流平均值基本不變，從而達(dá)到恒流充電的目的?？刂齐娐酚蒚A、峰值采樣電路和AVR單片機(jī)組成。
3 高壓陡脈沖形成電路
傅里葉級(jí)數(shù)原理表明，1個(gè)周期性的方波信號(hào)，可由幅值和頻率滿足一定條件的一系列諧波疊加而成[6]：
? 逆向運(yùn)用傅里葉級(jí)數(shù)原理，可用圖4形成高壓陡脈沖[7]。圖中，Co是高壓儲(chǔ)能電容，R4表示脈沖負(fù)載，R1、R2、R3表示損耗電阻，C2、C3表示次級(jí)繞組電容，L2、L3表示繞組電感。控制系統(tǒng)根據(jù)電壓檢測(cè)電路反饋的信號(hào)控制晶閘管K的通斷，形成初級(jí)脈沖，在雙次級(jí)高壓脈沖變壓器的次級(jí)經(jīng)2個(gè)衰減余弦振蕩波疊加形成理想的高壓陡脈沖。該電路的關(guān)鍵是雙次級(jí)繞組脈沖變壓器，它是利用Tesla發(fā)生器的基本原理，在同一變壓器中設(shè)計(jì)了2個(gè)次級(jí)繞組W2、W3和1個(gè)共用初級(jí)繞組W1的高壓脈沖變壓器。共用初級(jí)繞組分別與2個(gè)次級(jí)繞組形成2個(gè)相對(duì)獨(dú)立的變壓器，按照傅里葉級(jí)數(shù)的要求調(diào)整變比及電容電感值，以產(chǎn)生2個(gè)不同頻率和幅值的余弦衰減電壓信號(hào)。這2個(gè)余弦衰減信號(hào)串聯(lián)疊加合成為更理想的高壓脈沖波形。
4 仿真
??? 據(jù)傅里葉級(jí)數(shù)對(duì)諧波幅值與頻率的要求，取W2/W1=9，W3/W1=3，
，對(duì)脈沖形成電路進(jìn)行PSPICE仿真，得到如圖5所示仿真結(jié)果。圖中，曲線1是按照上述關(guān)系取L2=1 μH，C2=1 nF，L3=9 μH，C3=1 nF所得結(jié)果，曲線2不按上述關(guān)系取值得出的結(jié)果；圖5(b)是為了分辨脈沖上升時(shí)間而對(duì)仿真時(shí)間與步長(zhǎng)進(jìn)行了重新設(shè)置，電路參數(shù)未變得到的結(jié)果。由圖可見(jiàn)，只要按照傅里葉級(jí)數(shù)原理合理選擇參數(shù)，該觸發(fā)系統(tǒng)能在20 ns產(chǎn)生100 kV的高電壓，效果是相當(dāng)理想的。
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本文設(shè)計(jì)的脈沖觸發(fā)系統(tǒng)采用串聯(lián)諧振恒流充電技術(shù)進(jìn)行初級(jí)儲(chǔ)能，采用雙次級(jí)脈沖變壓器取代傳統(tǒng)的MARX發(fā)生器，使得系統(tǒng)體積減小，效率提高。該系統(tǒng)能獲得大幅值、快上升沿、高陡度的脈沖觸發(fā)電壓，因而能滿足場(chǎng)畸變開(kāi)關(guān)快速觸發(fā)導(dǎo)通時(shí)對(duì)觸發(fā)信號(hào)的要求，對(duì)場(chǎng)畸變火花間隙開(kāi)關(guān)性能的提高具有一定實(shí)際意義。
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