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磁脉冲压缩系统是实现高重复频率高电压脉冲输出的重要和有效的方法,将复杂的磁芯复位电路省去使磁脉冲压缩系统得到了更好的推广应用。目前应用比较多的省去磁芯复位电路的磁脉冲压缩系统有:单级磁脉冲压缩系统、两级磁脉冲压缩系统和基于快速恢复高压二极管续流的单级磁脉冲压缩系统。对这些不同的拓扑电路从原理、压缩过程以及实验结果三方面的详细分析得到如下结论:(1)负载并联续流电感导致负载脉冲尾部形成反峰;如果用快速恢复二极管替代续流电感,则在充电时电流只通过二极管,又不会在负载上形成预脉冲,仿真与实验结果均表明脉冲尾部的反峰幅值与持续时间都显著减小:(2)通过分析简化的磁压缩末级回路,了解了预脉冲产生的过程,同时得出负载阻值增大,预脉冲的峰值绝对值也随之增大;增大磁开关未饱和电感值可以显著减小预脉冲的峰值绝对值;更高的相对磁导率表明更好的磁开关开关性能等结论:(3)为了在负载上得到更高峰值、前沿更快的电压脉冲,需要尽量增大负载电阻、减小磁开关饱和后电感以及减小磁开关导通时间;不论是单级还是两级磁脉冲压缩系统,对于某一特定阻值下,峰值功率能够达到最大;在另一特定的阻值时得到系统输出能量最大,此时对应的效率也最高;由于两级磁脉冲压缩系统的压缩过程较多,磁芯的损耗也相应的增加,效率比单级磁脉冲压缩系统低,所以在设计中尽量使用单级磁脉冲压缩系统;(4)通过调节初始储能电容的充电电压,可得到不同的压缩系统输出电压,但是效率有所下降,单级磁脉冲压缩系统的调压范围比两级磁脉冲压缩系统更宽。
磁脉冲压缩系统中软磁磁芯作为可饱和变压器和磁开关的核心部件,对磁芯的磁性能进行测量是一项必不可少的工作。选取7块磁芯,通过对磁芯在微秒级和亚微秒级脉冲激励下的动态磁性能的比较可知,2#非晶磁芯具有最大的饱和磁感应强度、剩余磁感应强度、矩形比和磁密跳变,而且也具有较低的损耗,非常适合应用在前级的可饱和变压器中;7#磁芯不论足在微秒级脉冲激励下还是在亚微秒级脉冲激励下都具有最大的峰值微分磁导率值,最陡峭的磁导率曲线下降段,而且在亚微秒级脉冲激励下它的损耗也很低,这些优点使得7#磁芯非常适合用于末级的磁开关中。
Pspice中的磁芯模型建立有两种方法:磁滞回线法和模板法,基于实际磁芯测试得到的B-H回线的磁滞回线法建立的磁芯模型能更准确的模拟磁芯的励磁过程,并且仿真结果显示的负载预脉冲与实际输出基本吻合。
现有的优化设计均是基于串联磁脉冲压缩系统的前提下提出的,对于省去磁芯复位电路的磁脉冲压缩系统的优化设计目前还研究甚少,本文从单个压缩级入手,给出n级磁脉冲压缩系统的优化设计方案。并且据此设计并制作了基于磁脉冲压缩系统的50kV,2kHZ脉冲发生器。脉冲发生器的主要技术指标:电压幅度:50kV;电流:100A;脉冲宽度:70ns;脉冲前沿:40ns;最高重复频率:2kHz。