摘 要： 應用串聯諧振恒流充電技術及諧波疊加原理，設計了用于場畸變火花間隙開關的觸發系統，并根據傅里葉級數原理選擇裝置參數，用PSPICE對脈沖形成電路進行仿真。仿真結果表明，該系統能產生快上升沿、高陡度、大幅值的脈沖，這對進一步研制放電抖動低、放電迅速等高性能的場畸變開關具有一定實際意義。
關鍵詞： 場畸變開關；脈沖觸發；串聯諧振；恒流充電；諧波疊加；仿真
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開關是脈沖功率裝置中的關鍵元件，場畸變開關以其工作范圍廣、易于使用、通流能力強等特點成為脈沖功率技術領域的研究熱點[1]。快前沿、大功率脈沖的獲得與場畸變開關的放電特性密不可分。要使開關放電抖動低、放電迅速，除了要有良好的開關結構設計外，場畸變開關觸發脈沖的上升陡度、峰值電壓都是重要因素。研究表明，觸發脈沖陡度增加，開關延時性及分散性隨之相應減小；開關的穩定性也依賴于電壓幅值高、上升時間短的高壓觸發脈沖[2]。為此，本文設計了用于場畸變火花間隙開關的脈沖觸發系統。
1 系統原理
場畸變開關觸發系統原理框圖如圖1所示。來自電網的AC 380 V經整流濾波后得到DC 520 V，并加到諧振變換器上。諧振電流經變壓器，再經高頻高壓整流電路向儲能電容充電。儲能電容上電壓充到預定值(10 kV)后，控制電路發出信號，將晶閘管觸發導通，電容電壓快速向雙次級繞組脈沖變壓器放電，在其次級經雙波疊加形成高壓陡脈沖，以觸發場畸變開關。
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2 儲能電路
全橋串聯諧振充電電源與傳統直流電源相比較，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載等優點，是理想的電容充電電源。其主電路拓撲結構采用全橋串聯諧振式逆變電路，如圖2所示[3-5]。
在任意時間，變換器開關均處于以下3種狀態之一[4]：(1)Z2和Z3斷開，Z1和Z4導通；(2)Z1和Z4斷開，Z2和Z3導通；(3)所有開關均斷開。而狀態(3)依據當時的續流二極管的導通情況有2種模式(電流方向不同)。根據電路分析，每種狀態都可得到它的等效電路和諧振電流ir。
例如在狀態(1)下，等效電路如圖3所示，儲能電容等效到理想變壓器的初級端為Co′。
當開關頻率fs略小于諧振頻率fr時，串聯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程中基本不變，對電容等臺階充電[5]。
但隨著充電電壓逐漸升高，fr也逐漸變大，這導致諧振電流的峰值越來越小。因此，通過電流檢測電路檢測諧振電流的峰值變化并返回1個信號，根據該信號，通過AVR單片機運用定寬調頻策略來控制fs的升高，以維持諧振電流平均值基本不變，從而達到恒流充電的目的。控制電路由TA、峰值采樣電路和AVR單片機組成。
3 高壓陡脈沖形成電路
傅里葉級數原理表明，1個周期性的方波信號，可由幅值和頻率滿足一定條件的一系列諧波疊加而成[6]：
? 逆向運用傅里葉級數原理，可用圖4形成高壓陡脈沖[7]。圖中，Co是高壓儲能電容，R4表示脈沖負載，R1、R2、R3表示損耗電阻，C2、C3表示次級繞組電容，L2、L3表示繞組電感。控制系統根據電壓檢測電路反饋的信號控制晶閘管K的通斷，形成初級脈沖，在雙次級高壓脈沖變壓器的次級經2個衰減余弦振蕩波疊加形成理想的高壓陡脈沖。該電路的關鍵是雙次級繞組脈沖變壓器，它是利用Tesla發生器的基本原理，在同一變壓器中設計了2個次級繞組W2、W3和1個共用初級繞組W1的高壓脈沖變壓器。共用初級繞組分別與2個次級繞組形成2個相對獨立的變壓器，按照傅里葉級數的要求調整變比及電容電感值，以產生2個不同頻率和幅值的余弦衰減電壓信號。這2個余弦衰減信號串聯疊加合成為更理想的高壓脈沖波形。
4 仿真
??? 據傅里葉級數對諧波幅值與頻率的要求，取W2/W1=9，W3/W1=3，
，對脈沖形成電路進行PSPICE仿真，得到如圖5所示仿真結果。圖中，曲線1是按照上述關系取L2=1 μH，C2=1 nF，L3=9 μH，C3=1 nF所得結果，曲線2不按上述關系取值得出的結果；圖5(b)是為了分辨脈沖上升時間而對仿真時間與步長進行了重新設置，電路參數未變得到的結果。由圖可見，只要按照傅里葉級數原理合理選擇參數，該觸發系統能在20 ns產生100 kV的高電壓，效果是相當理想的。
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本文設計的脈沖觸發系統采用串聯諧振恒流充電技術進行初級儲能，采用雙次級脈沖變壓器取代傳統的MARX發生器，使得系統體積減小，效率提高。該系統能獲得大幅值、快上升沿、高陡度的脈沖觸發電壓，因而能滿足場畸變開關快速觸發導通時對觸發信號的要求，對場畸變火花間隙開關性能的提高具有一定實際意義。
參考文獻
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[2] 賀臣，何孟兵，李勁.高陡度場畸變開關觸發系統的研制[J].高電壓技術，2004，30(7).
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[4] 蘇建倉，王利民，丁永忠，等.串聯諧振充電電源分析及設計[J].強激光與粒子束，2004，16(12).
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[7] 姚永和.雙次級繞組高壓脈沖變壓器的研制[J].高壓電器，2000(2).