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实现脉冲功率装置的固态化有助于提高系统重复频率、平均功率和使用寿命，因而成为了近年来脉冲功率技术的一个研究热点。目前国内外已经有较多的关于不同应用领域的固态脉冲发生器的研究报道[1-5]。目前，在中等峰值功率（百MW级）、高平均功率应用领域，固态化的脉冲功率系统得到了较好的发展。如2005年，Gaudreau M P J等利用Marx发生器和串联的IGBT电路建立了一台输出电压20 kV、电流300 A，输出脉宽5 µs，重复频率达1 kHz的固态脉冲发生器[1]。但是，对于GW级高功率脉冲发生器，受固态开关工作电压、功率容量和功率压缩比，以及固态脉冲形成等方面影响，实现全固态存在着较大的技术困难。国际上，俄罗斯和美国的研究最具代表性。俄罗斯电物理研究所S系列全固态脉冲发生器性能优越，其输出脉冲宽度数十ns，其中S-5N峰值功率最高，接近2 GW[6]；美国海军实验室研制了基于磁开关技术的全固态Marx发生器，以12级Marx发生器、磁开关以及PFL为主体，在负载上输出电压200 kV，电流4.5 kA，脉宽300 ns，峰值功率约0.9 GW，实现了10 Hz重复频率下超过千万次的运行寿命[7]。
国内，西北核技术研究所在引进S系列全固态脉冲发生器技术基础上，研制出胡杨700驱动源，经初步调试在150 Ω电阻负载上单脉冲输出指标达到660 kV，4.4 kA，脉宽约70 ns，峰值功率达3.5 GW[8]；中国工程物理研究院采用半导体开关研制了500 kV全固态Marx发生器，目前已实现500 kV脉冲输出，在50 Hz的重复频率下实现数十个脉冲的猝发输出，输出脉冲宽度3~10 μs，峰值功率约0.5 GW[9]；国防科技大学高景明等利用大功率晶闸管组件、磁脉冲压缩网络、双线型低阻抗脉冲形成网络和感应电压叠加器等一系列脉冲功率前沿技术研制了一种高功率长脉冲驱动源，在水电阻负载上获得的实验结果是输出功率2.1 GW，脉宽约170 ns[10]。
本文提出利用分数比可饱和脉冲变压器(Fractional-turn Ratio Saturable Pulse Transformer, FRSPT)[11]结合磁开关技术和反谐振网络技术[12]实现准方波信号输出，验证了该技术方案的可行性，为建立全固态百MW长脉冲驱动源模块提供了设计经验，进而为利用模块化串并联技术实现GW级全固态脉冲驱动源奠定了基础。
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在整体方案设计中，为了避免大量单管半导体开关串并联，解决系统稳定性差、开关同步要求高等问题，本文采用了分数比可饱和脉冲变压器(FRSPT)[11]实现升压变压器与磁开关的双重功能，同时解决普通绕组形式的可饱和脉冲变压器(Saturable Pulse Transformer, SPT)[13]不能兼顾高升压比和低次级饱和电感的矛盾。FRSPT的应用在开关同步、系统抗干扰能力与长时间运行能力等方面具有相当大的优势。
为进一步提升电压，采用了FRSPT作为控制开关的Marx发生器。由于开关闭合由磁芯强制饱和完成，各级Marx电容器精确同步放电，不需要外加触发控制电路，极大地简化了系统电路结构，实现了升压变压器、磁开关及Marx发生器的紧凑集成。
一般来说，由于FRSPT次级饱和电感的存在，前文所述的Marx发生器输出脉冲前沿几百ns，脉宽几μs[14]，要实现输出百ns长脉冲准方波信号，需要对其输出的信号进行进一步压缩整形，高功率磁开关结合反谐振网络技术[12]作为系统的压缩整形模块将百ns准方波信号传输给负载。系统整体设计框图如图1所示，主要由初级储能系统、FRSPT，Marx发生器、磁开关、反谐振式脉冲形成网络、负载以及相应的控制系统、复位系统等构成。
图 1 全固态长脉冲驱动源系统框图
Figure 1. System frame of the all-solid long pulse generator based on FRSPT
考虑到现有基于FRSPT与Marx发生器的微秒脉冲发生器能实现前沿几百ns的脉冲信号[14]，以及反谐振网络整形脉冲时对回路电感的要求[12]，系统方案将输出准方波脉冲宽度设计为200 ns，以满足高功率微波产生器件对驱动源的要求。根据图1的整体设计框图，对全固态长脉冲驱动源电路设计，其设计示意图如图2所示，其中C0为初级储能电容，FRSPT的每组次级子绕组分别与Marx发生器各级电容器相连，由此构成全固态紧凑化Marx发生器；该Marx发生器采用高压硅堆作为其隔离元件，通过隔离电感Li为主电容C1充电，磁开关MS为主开关，当主电容C1上的电压使MS达到伏秒积后，MS闭合，主电容C1通过脉冲形成模块在负载上形成准方波信号。值得一提的是，控制初级储能电容的开关S2为晶闸管开关，利用其电流过零关断的特性，结合具体的电路连接形式，流过FRSPT初级绕组的电流在储能电容C0的充放电过程中相反，于是可以做到对FRSPT磁芯的自动复位，避免额外的复位电路设计。
图 2 全固态长脉冲驱动源设计示意图
Figure 2. Schematic diagram of the all-solid long pulse generator based on FRSPT
电路仿真中，设计FRSPT由5磁芯绕制，Marx发生器为4级。当初级储能电容C0充电200 V时，得到的仿真结果如图3所示。磁开关MS闭合后，主开关C1通过反谐振式脉冲形成网络向负载放电，最终在100 Ω匹配负载上得到脉宽约200 ns的准方波脉冲，基本符合设计思路，为建立全固态百MW长脉冲驱动源模块提供了设计基础。
图 3 全固态长脉冲驱动源电路仿真结果
Figure 3. Simulation results of the all-solid long pulse generator
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初级储能采用开关电源DC对脉冲电容器Cf充电，利用大电容(Cf)对小电容(C0)充电的原理，脉冲电容器Cf对脉冲变压器初级储能电容C0充电，以提高变压器初级储能电容的工作电压。如图4(a)所示，直流电源部分采用两个开关电源串联，能实现0~500 V直流电压连续可调，能量补充电容Cf由两个电容量为6.8 mF的电解电容串联而成，L1与L2均为线绕式电感，且L1=L2=103 μH。晶闸管开关S1为控制能量补充电容Cf向原边电容C0充电的控制开关，大功率二极管D与电感L2构成了能量回收回路，以提高本单元的能量效率。同时，由于能量补充电容Cf向原边电容C0谐振充电时与原边电容向FRSPT放电时流过变压器初级绕组的电流方向相反，因此，本装置可实现对变压器磁芯的自动复位。
图 4 初级储能系统实物图及测试结果
Figure 4. Photo and test results of the primary energy storage system
根据图4(b)的测试结果，控制开关S1触发后经过约590 μs原边电容充电至最高电压，因此，只需要设置S1与原边控制开关S2的触发时间差大于590 μs即可在原边电容电压最大时控制其向FRSPT初级绕组放电。为了充分利用能量，最终设置S0相对S2的触发时延为600 μs。
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研究表明，FRSPT具有输出多路高压脉冲的能力，在固态Marx发生器中具有重要的应用潜力[14]。本文设计了基于FRSPT作为控制开关的紧凑化Marx发生器，利用FRSPT次级的多路绕组在磁芯非饱和态和饱和态之间的切换，同步控制Marx发生器的并联充电和串联放电过程，实现高变比变压器、磁开关和Marx发生器的紧凑集成。同时，将传统Marx发生器中的隔离电阻或隔离电感元件使用高压硅堆替代，基本消除了由隔离电阻或电感引起的预脉冲效应，且进一步提高了系统能量利用效率。
图5为本文设计的基于FRSPT的全固态紧凑化Marx发生器电路模型，其由4个完全相同的Marx级电容和4个单体50 kV/200 A的圆柱形高压硅堆构成，各级电容器电容量为6 nF；控制电容器放电的开关由FRSPT次级绕组构成，其本质是磁开关，由于设计Marx发生器为4级，因此FRSPT次级绕制了4组独立的次级绕组分别与4个电容器相连。
图 5 基于FRSPT的Marx发生器电路模型
Figure 5. Circuit model of the Marx generator based on FRSPT
当初级储能电容充电200 V时，仿真得到各级电容器两端（图5中点A1，B1，D1，E1，A2，B2，D2和E2）电压以及主电容C1上的电压如图6所示。Marx发生器升压状况良好，各级电容器充电时间约3.5 μs，最高充电电压为14.7 kV，各级电容器低压端输出电压分别为10.6 kV，20.9 kV，32.3 kV以及43.4 kV，于是，该Marx发生器的升压比约为2.95。FRSPT次级饱和电感(百μH量级)以及磁芯饱和时间(百纳秒量级)的存在使得其升压比低于Marx发生器级数。磁芯饱和后，Marx发生器各级电容串联向主电容放电，可等效为C-L-C回路；若设计主开关在C1充电峰值饱和，则可获得最大的能量效率。
图 6 基于FRSPT的Marx发生器仿真测试结果
Figure 6. Simulation results of the Marx generator based on FRSPT
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在本方案中，主开关采用磁开关，脉冲形成模块采用反谐振式脉冲形成网络[12]，其等效电路模型如图7所示。其中电容器C0与电感L0为等效的Marx发生器放电电路，FRSPT次级绕组等效为开关S；电阻R1与R2为回路电阻，电感Li为隔离电感，Marx发生器通过它对主电容C1进行谐振充电；MS为主开关，控制主电容C1向脉冲形成网络的放电过程。在实际的实验中，隔离电感Li的分布电容将导致主电容C1充电过程中的不均匀性，因此在主开关的设计中，需要考虑分布电容Cp的影响。
图 7 全固态长脉冲驱动源等效电路图
Figure 7. Equivalent circuit diagram of the all-solid long pulse generator
电容器C1，C2，C3与电感L1，L2，L3构成三节反谐振式脉冲形成网络，在负载上形成准方波脉冲。三节反谐振式脉冲形成网络参数的选择可以由下式决定[12]
$\left\{ \begin{gathered} {C_1} = 0.435\frac{\tau }{\rho },\;\;\;\;\;{L_1} = 0.220\;1\;\rho \tau \\ {C_2} = 0.450\frac{\tau }{\rho },\;\;\;\;{L_2} = 0.012\;1\;\rho \tau \\ {C_3} = 0.250\frac{\tau }{\rho },\;\;\;\;{L_3} = 0.083\;8\;\rho \tau \end{gathered} \right.$
(1) 式中：τ为输出准方波的脉冲宽度；ρ为脉冲形成模块的特性阻抗。根据前文方案，输出脉宽200 ns，阻抗100 Ω，根据式(1)可得反谐振网络各组件参数如下
$\left\{ \begin{aligned} & \;{C_1} = {\rm{870}}\;{\rm{pF}},\;\;{L_1} = 4.04\;{{\text{µ}}\rm{ H}} \\ & \;{C_2} = 900\;{\rm{pF}},\;\;{L_2} = 0.242\;{{\text{µ}}\rm{ H}} \\ & \;{C_3} = 500\;{\rm{pF}},\;\;{L_3} = 1.676\;{{\text{µ}}\rm{ H}} \end{aligned} \right.$
(2) 电路仿真中，当储能电容充电200 V时，测量主电容C1与负载R两端的电压(图7中A，B两点电压)如图8所示，分布电容的存在将影响主电容C1的充电过程，使得充电过程中存在不均匀性，进而产生次生震荡，这一特性会改变主电容上的充电输出波形，使得充电幅值下降，更重要的是，将直接影响磁开关的设计。
图 8 考虑分布电容的全固态长脉冲驱动源电路仿真结果
Figure 8. Simulation results of the all-solid long pulse generator involving the distributed capacitance
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基于上述关键部件的设计研制了基于FRSPT的全固态长脉冲驱动源，在直流充电电压100 V的条件下，实验测量了主电容C1上的充电波形以及负载输出波形如图9所示。可见驱动源脉冲形成效果良好，脉冲宽度约为194 ns，电阻负载(阻值约100 Ω)的电压幅值约14.4 kV。主开关能够基本实现控制主电容放电的功能，全系统初步实验结果验证了方案的合理性。但由于充电电压过低，FRSPT与主开关的磁芯都未达到最佳工作状态。
图 9 全固态长脉冲驱动源电路初步实验结果
Figure 9. Preliminary experimental results of the all-solid long pulse generator
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本文提出了基于FRSPT的全固态长脉冲驱动源方案，对初级储能系统、基于FRSPT的全固态Marx发生器、主开关与脉冲形成模块等主要部件进行了设计研究，进而对全系统进行了初步验证实验，在固态电阻上输出电压幅值约14.4 kV，脉宽194 ns，为基于FRSPT的全固态长脉冲驱动源进一步实验奠定了基础；未来将进行驱动源高压实验，并开展模块化技术研究
致 谢 感谢国防科学技术大学前沿交叉学科学院技术员周相、朱敏等在平台的搭建以及实验数据采集和问题排查方面给予的帮助。
基于分数比可饱和脉冲变压器的全固态脉冲驱动源初步研究
Preliminary study on all-solid state long pulse generator based on fractional-turn ratio saturable pulse transformer
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摘要: 设计了一台基于分数比可饱和脉冲变压器的全固态脉冲驱动源，其核心部件为分数比可饱和脉冲变压器，用来实现固态磁开关、脉冲调制、电压升压等功能，再借助Marx技术、磁开关技术和反谐振网络调制技术建立全固态脉冲驱动源，初步实验结果表明当直流电源提供100 V的充电电压时，该全固态脉冲驱动源可输出14.4 kV左右的准方波信号，脉宽约194 ns，验证了该技术方案实现输出百纳秒准方波信号的可行性，为建立百MW长脉冲信号输出的全固态脉冲驱动源模块提供了设计思路。
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关键词:
- 全固态脉冲驱动源 /
- 分数比可饱和脉冲变压器 /
- Marx技术 /
- 磁开关技术 /
- 反谐振网络调制技术
Abstract: This paper presents the design of an all-solid state pulse generator based on a fractional-turn ratio saturable pulse transformer which, as the key component, takes the roles of magnetic switch, pulse forming device, voltage boosting device, etc. Preliminary experimental results show that a quasi-square pulse with the amplitude of 14.4 kV and the pulse width of 194 ns are obtained while the DC voltage source supply is 100 V. Hence, it is feasible to apply this technology to construct a generator outputting pulses with the pulse width of several hundred nanoseconds. This study can provide a guidance to construct a MW level solid state pulse generator module. -
图 1 全固态长脉冲驱动源系统框图
Fig. 1 System frame of the all-solid long pulse generator based on FRSPT
图 2 全固态长脉冲驱动源设计示意图
Fig. 2 Schematic diagram of the all-solid long pulse generator based on FRSPT
图 6 基于FRSPT的Marx发生器仿真测试结果
Fig. 6 Simulation results of the Marx generator based on FRSPT
图 7 全固态长脉冲驱动源等效电路图
Fig. 7 Equivalent circuit diagram of the all-solid long pulse generator
图 8 考虑分布电容的全固态长脉冲驱动源电路仿真结果
Fig. 8 Simulation results of the all-solid long pulse generator involving the distributed capacitance
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图(9)
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