大电流脉冲发生器的电路结构如图1,模拟和测试所使用的负载为磁透镜的等效电感1.14 mH和

图1 大电流脉冲发生器结构示意
Fig.1 Structure diagram of high current pulse generator

等效电阻500 mΩ.在触发信号没有到来时,所有晶闸管处于关断状态,采用大小为HV的直流电源给各支路电容充电,当电容充满时,回路电流为0 A,电容两端电压与直流电源电压大小相等.

由于并联脉冲电路的脉冲产生机理相同,故先分析位于图1下方的第1条支路,如图2.当触发信号到来时,触发信号作用在第1级晶闸管S₁₁的门极上,产生导通电流(如图2蓝线),使S₁₁导通.

图3为第1级开关导通回路.S₁₁阳极和阴极之间的压降迅速从HV降到0 V,使第1级电容C₁₁上端的电位也迅速降到0 V,下端因感应而产生-HV的电势.由于支路电阻R₁₁取值较大,支路分流较小,可视为断开.则晶闸管、电容与负载等形成导通回路,如图3红线所示.

图2 第1级开关触发电流
Fig.2 Triggering current of the first-stage switch

图3 第1级开关导通回路
Fig.3 Conducting circuit of the first-stage switch

图4为第2级开关触发电流电路图.第2级晶闸管S₁₂门极通过稳流电感L₁₁和限流电阻R₁₃与地相连; 当C₁₁下端电位降到-HV时,S₁₂的门极与阴极产生压降,获得触发电流(如图4蓝线),从而使第2级晶闸管导通,则第2级晶闸管S₁₂导通回路如图5红线所示.

图4 第2级开关触发电流
Fig.4 Triggering current of the second-stage switch

图5 第2级开关导通回路
Fig.5 Conducting circuit of the second-stage switch

图6为第3级开关导通回路电路图.同理,第3级S₁₃也导通.最终单条支路,3个电容串联,在输出回路产生幅值为-3HV的电压脉冲,放电回路导通,导通回路如图6红线所示.导通过程中,电容给负载电感和负载电阻放电.随着电容电量的消耗,电容两端电压逐渐减小至0 V,回路电流也逐渐减小至0 V,晶闸管重新关断,恢复至开始充电状态.

图6 第3级开关导通回路
Fig.6 Conducting circuit of the third-stage switch

在晶闸管导通放电过程中,若支路限流电阻选取适当,则电阻分流较小,与主输出回路电流相比可以忽略,电阻所在分支视为断开.因此,图1中的晶闸管导通放电时,可等效为如图7的回路.其中, L为负载等效电感; R为负载等效电阻; U(t)为输出电压; I(t)为输出电流; C为各级串联电容串联与各并联支路并联后的等效电容值,即当电路串联为n级,有m个并联分支,每个电容值为C₀时,

图7 脉冲发生器放电等效电路图
Fig.7 Pulse generator discharge equivalent circuit diagram

设充电直流电源电压为U₀, 则输出电流I(t)可表示为^[15]

由式(2)可见,在输出负载参数固定的情况下,输出电流幅值与充电直流电压、储能电容值呈正相关.而输出电流脉冲半高宽与式(2)中的sin(ωt)有关,当 ω越小时,脉冲宽度越大,电流激励时间越长,故可以选择提高等效储能电容值的方式提高脉冲宽度.

使用Protues仿真软件,搭建3级串联3路并联Marx脉冲发生器电路,在负载电阻500 mΩ、负载电感1.14 mH、充电直流电压600 V及储能电容1 500 μF条件下,测量电路产生的输出电压与电流脉冲波形,搭建电路结构如图8.采用型号为70tps12的晶闸管作为脉冲发生器的开关元件.该器件具有高达1.2 kV的断态重复峰值电压,正向浪涌电流为1 400 A.串联回路的单级充电电压为600 V,储能电容选用1 500 μF的电解电容.

图8 三级串联2路并联自触发Marx发生器仿真电路
Fig.8 Simulation circuit of three-stage series and two-stage parallel self-triggering Marx generator

图9为Marx脉冲发生器输出电压与电流波形.其中,输出电压幅值为-1.7 kV、半高宽(full width at half maximum, FWHM)为1.22 ms; 输出回路电流峰值为-1.1 kA、半高宽为 2.68 ms.为观察电路自触发过程,对各级电容下极板电压进行采样,得到各级晶闸管导通时脉冲前沿以及峰值变化曲线,如图 10.由图 10(a)可见,第1、2级晶闸管的导通时间相差750 ns,第2、3级晶闸管的导通时间相差931 ns.由图 10(b)可见,各级电容输出电压逐级递增,且相差接近600 V,与理论分析结果相符.

在3级串联3路并联Marx脉冲发生器电路中,负载电阻为500 mΩ,负载电感为1.14 mH,改变充电直流电压,可获得不同直流电压下的电流波形.图 11为输出电流脉冲的峰值和半高宽随充电直流电压的变化曲线,其中,电压由100 V增加到1 100 V.由图 11(a)可见,当充电直流电压增大时,输出电流脉冲的峰值也在增大,当储能电容为1 500 μF、充电电压达570 V时,输出电流脉冲峰值达到1 kA,平均脉冲宽度为2.67 ms; 当储能电容为1 000 μF时,充电电压则需要达到680 V,输出电流脉冲峰值才能达到1 kA,平均脉冲宽度为2.17 ms.由图 11(b)可见,两条曲线没有发生大幅度变化,表明脉冲宽度与电压大小无关.

因此,在储能电容一定的条件下,充电直流电压值与输出电流脉冲峰值呈正相关,与式(2)的结论一致; 脉冲宽度与式(2)中的三角函数项相关,而在负载电感和负载电阻固定的情况下,此项仅与储能电容相关,故电压改变无法改变脉冲宽度.

图9 脉冲发生器输出电压和电流波形
Fig.9 Pulse generator output voltage and current waveforms

图 10 各级晶闸管导通时脉冲前沿以及峰值变化曲线
Fig.10 Pulse front and peak value curves of thyristors at all levels during conducting

图 11 不同电压下输出电流峰值及FWHM变化曲线
Fig.11 Output current peak value and FWHM under different voltages

采用3级串联3路并联的Marx脉冲发生器电路,通过改变电路中储能电容值,分别测量输出电流脉冲的峰值与宽度.图 12为输出电流脉冲的峰值和半高宽随储能电容值从200 μF增至1 500 μF的变化曲线.从图 12(a)可见,当储能电容值提高时,输出电流脉冲的峰值增大,当直流电压为1 000 V、储能电容达到430 μF时,输出电流脉冲峰值达到1 kA; 当直流电压为600 V,充电电压则需要达到1 200 μF时,输出电流脉冲峰值才能达到1 kA.由图 12(b)可见,储能电容值与输出电流脉宽呈正相关,不同电压条件下,脉冲宽度曲线高度重合,进一步说明脉宽与充电直流电压值无关.

图 12(a)中2条曲线的增长率随储能电容值的增加不断减小,曲线趋于平缓.在200～400 μF段的平均增长率为46.7%,而在1 200～1 400 μF段的平均增长率下降到约8%,且不同电压条件下增长率变化趋势一致,表明通过增大储能电容值来增加脉冲发生器输出电流的方法具有一定局限性.

图 12 不同电容下输出电流峰值与FWHM的变化曲线
Fig.12 Output current peak value and FWHM under different capacitances

为测定不同并联级数对输出电流波形的影响,在单路为3级串联的条件下,实验测量1～5级并联电路的输出电流脉冲波形.图 13为不同储能电容值条件下,脉冲发生器输出电流脉冲峰值和脉冲宽度随并联级数的变化曲线.可见,输出电流峰值与脉冲宽度均随电路并联级数的增加而逐渐提高,与改变储能电容值实验时的变化趋势相似,图 13(a)和(b)中的曲线增长率均逐渐减小,这是由于改变并联级数等效于增加并联电容数量,从而增加了电路的等效电容值,故增加并联级数与增加储能电容值,对电路输出的影响相似.采用Marx并联结构,不仅可以减小输出回路内阻,提高带载能力,还可以提高输出回路的等效电容,提高输出电流值和脉冲宽度.

图 13 不同并联级数输出电流峰值、FWHM变化曲线
Fig.13 Output current peak value and FWHM under different parallel stages

长磁透镜可以等效为一个螺线管,其结构如图 14.其中, l为螺线管长度; r为螺线管的半径; z为管内某点与螺线管中心点o的轴向距离.通电时,螺线管在内部某一点产生的磁场强度为^[16]

图 14 磁透镜螺线管结构示意
Fig.14 Schematic diagram of magnetic lens solenoid structure

其中, μ₀为真空中的磁导率; n为螺线管单位长度匝数; I为激励电流大小.仿真实验中采用的磁透镜螺线管r=5 cm, l=50 cm, I取脉冲发生器输出电流峰值1.1 kA.依次模拟电流下降90%～60%时的磁场变化,根据式(4)计算得到不同位置的磁感应强度变化曲线,如图 15(a).可见,当激励电流为1 100 A时,磁透镜中心位置磁感应强度为0.68 T; 在磁透镜5～45 cm内,磁感应强度高于0.60 T; 当激励电流降至峰值的90%时,中心位置磁感应强度为0.61 T; 在磁透镜10～40 cm内,磁感应强度高于0.60 T; 当激励电流低于峰值的90%时,磁透镜内磁场总体低于0.60 T.

激励电流取脉冲发生器的输出电流脉冲,并在磁透镜的5～25 cm内取样,得到磁透镜不同位置磁感应强度随时间的变化曲线,如图 15(b).其中,磁透镜的中心位置为25 cm.可见,在15～25 cm内,磁场变化相近,且在0.9～2.3 ms,强度高于0.60 T,时间宽度为1.4 ms; 在10 cm处,强度高于0.60 T的时间宽度降到1.2 ms; 在5 cm处,磁场仅在峰值处达到0.60 T,与图 12结果一致.

图 15 磁透镜产生磁场强度变化曲线
Fig.15 Magnetic field strength produced by magnetic lens