（物理電子學(xué)專業(yè)論文）傳輸線脈沖變壓器的研究.pdf

國防科學(xué)技術(shù)大學(xué)研究生院碩士學(xué)位論文 摘要 傳輸線脈沖變壓器( t r a n s m i s s i o nl i n ep u l s et r a n s f o r m e r t l t ) 具有良好的高 頻特性，且符合當(dāng)代脈沖功率裝置緊湊化、高重頻和全固態(tài)方向的發(fā)展要求，近 來在國內(nèi)外受到了廣泛關(guān)注。本論文通過對t l t 一般性理論的研究，完整地提出 了t l t 設(shè)計的方法及步驟，并重點推導(dǎo)出了次級線電感的優(yōu)化設(shè)計方案，最終研 制出一臺四級t l t 。本文的研究結(jié)果對t l t 在脈沖功率技術(shù)領(lǐng)域的應(yīng)用具有一定 的指導(dǎo)意義。論文研究內(nèi)容主要包括以下幾個方面： 1 對t l t 進行了理論分析。 對t l t 基本原理進行了分析，指出t l t 結(jié)構(gòu)中存在的次級線會導(dǎo)致輸出脈沖 平頂下降。詳細(xì)分析了兩級t l t 中波的具體傳輸過程，并推廣到療級情形。對t l t 電壓增益( 變比) 進行了細(xì)致的分析，結(jié)果顯示：t l t 級數(shù)不宜過高，一般選取 不超過1 0 為宜。對t l t 的頻率響應(yīng)進行了細(xì)致分析，表明t l t 高頻響應(yīng)良好， 選擇合適參數(shù)時，可高達1g h z 。 2 對t l t 次級線電感的優(yōu)化進行了細(xì)致研究。 分析討論了級間有耦合和級間無耦合兩種t l t 典型的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，在一般情況 下推導(dǎo)出了此兩種結(jié)構(gòu)下t l t 的輸出脈沖電壓幅值的計算公式。為實現(xiàn)t l t 磁芯 體積最小化，對各級次級線電感大小進行了優(yōu)化，優(yōu)化結(jié)果為：( 1 ) 級間無耦合 結(jié)構(gòu)從第二級開始電感逐級增加，第n 級次級線電感的最優(yōu)大小為第二級的( 胛1 ) 倍；( 2 ) 級間有耦合結(jié)構(gòu)中，各次級線電感優(yōu)化后大小應(yīng)相同。對優(yōu)化后級間有 耦合、無耦合結(jié)構(gòu)進行了比較，指出級間有耦合結(jié)構(gòu)最適于t l t 的緊湊化設(shè)計； 而無耦合結(jié)構(gòu)更簡單，易于實現(xiàn)低阻抗輸出。 3 開展了t l t 的電路數(shù)值模擬研究。 電路數(shù)值模擬研究證實了理論分析結(jié)果，即所用傳輸線的電長度對輸出波形 存在影響，當(dāng)所用傳輸線電長度小于輸入脈寬的一半時，輸出波形出現(xiàn)畸變；另 外，引線電感、雜散電容對輸出結(jié)果的上升前沿和后沿也有較大影響，應(yīng)將接頭 盡量做緊湊，同時使裝置遠(yuǎn)離接地良導(dǎo)體。 4 研制出一臺四級t l t 。 開展了t l t 低壓測試實驗研究，在此基礎(chǔ)上確定了高壓t l t 的裝配方案，研 制出一臺直徑約3 0 0n l n l 、高約4 5 0n l i 1 、重量4 5 埏的級間無耦合結(jié)構(gòu)的四級t l t 。 在b l u m l e i n 線平臺上開展了t l t 變壓效果實驗研究，結(jié)果表明：從b l u m l e i n 線輸 出幅值1 0k v 、脈寬1 5 0a s 、上升沿2 0n s 的脈沖，作為輸入脈沖經(jīng)過t l t 變壓后， 在t l t 輸出端負(fù)載上得到幅值約4 0k v 、脈寬1 5 0n s 、上升沿約2 0n s 的脈沖。此 種類型和性能的脈沖變壓器尚未見報道。 主題詞：傳輸線脈沖變壓器；頻率響應(yīng)；次級線；優(yōu)化；耦合 第i 頁 國防科學(xué)技術(shù)大學(xué)研究生院碩士學(xué)位論文 a b s t r a c t t r a n s m i s s i o nl i n ep u l s et r a n s f o r m e r ( t l t ) ，h a v i n go u t s t a n d i n gp e r f o r m a n c ei n h i 曲f r e q u e n c y ，c o n f o r m st om o d e mp u l s ep o w e rt e c h n o l o g y ( p p t ) o fb e i n gc o m p a c t ， r e p e t i t i v ea n ds o l i d n o w a d a y s ，t l th a sa t t r a c t e de x t e n s i v ea t t e n t i o n i nt h i st h e s i s ，a 4 - s t a g et l t i sd e v e l o p e db a s e do nt h et h e o r e t i c a la n a l y s e so nt l t ，t h eo p t i m i z a t i o no f s e c o n d a r yl i n ei n d u c t a n c e a n dt h em e t h o dt od e s i g nt l t 1 1 1 er e s e a r c hr e s u l t ss e tb a s i s f o rt h ew i d ea p p l i c a t i o no ft l tt op p t 功ed e t a i l e dw o r ki n c l u d e st h ef o l l o w i n g ： 1 ab a s i ct l tt h e o r yh a sb e e na n a l y z e d a g e n e r a lt l tt h e o r yh a sb e e na n a l y z e d t h ep r o c e s so fw a v et r a n s m i s s i o no fa 2 - s t a g et l th a sb e e na n a l y z e di nd e t a i l a n dt h e ng e n e r a l i z e dt o ns t a g e s t h e u n d e s i r e a b l ee f f e c tt ot h eo u t p u tr e s u l tc a u s e db ys e c o n d a r yl i n e si sa l s op o i n t e do u t p a r t i c u l a r l y ，a f t e rt h ec a r e f u l l ye x a m i n a t i o no ft l t sg a i n ，t h er e s u l t sm a n i f e s tt h a tt h e n u m b e ro fs t a g e ss h o u l dn o tb et o ol a r g e ，g e n e r a l l yn o tl a r g e rt h a n10 b e s i d e s ，t h e f r e q u e n c yr e s p o n s eo ft l th a sb e e nc a r e f u l l ya n a l y z e d t l l er e s u l t si n d i c a t et h a tt l t h a sa ne x c e p t i o n a lh i g h f r e n q u e n c yr e s p o n s e ，a n di tw o r k su pt o1g h zi fp a r a m e t e r s a r es u i t a b l e 2 a no p t i m i z a t i o no f t l t ss e c o n d a r yi n d u c t a n c ei si n v e s t i g a t e di nd e t a i l t w ot y p i c a lt o p o l o g i e so ft l t ，i e ，w i t hc o u p l i n gb e t w e e ns t a g e sa n dw i t h o u t ，a r e a n a l y z e da n dd i s c u s s e d ，a n dt h ee x p r e s s i o n so fo u t p u ta r ed e d v e d i no r d e r t od e s i g na c o m p a c tt l t a l lo p t i m i z a t i o no fe a c hs e c o n d a r y1 i n ei n d u c t a n c ei sp r e s e n t e d f o rt l t w i t h o u tc o u p l i n gb e t w e e ns t a g e s ，t h eo p t i m a lv a l u e so ft h en - s t a g ei n d u c t a n c ei sn - l t i m e so ft h es e c o n ds t a g e a n dt h ei n d u c t a n c ei se q u a lf o rt l t sw i t hc o u p l i n gb e t w e e n s t a g e s h a v i n gb e e no p t i m i z e d ，t h ev o l u m eo fm a g n e t i cc o r eu s e df o rt l t i st h el e a s t a tl a s t ac o m p a r i s o no ft h eo u t p u t so fs e v e r a ls t r u c t u r e si sp r e s e n t e d t h er e s u l t i n d i c a t e st h a tt h et o p o l o g yo fm u t u a l l yc o u p l i n gb e t w e e ns t a g e si sm o r es u i t a b l et ot h e d e s i g n i n go fc o m p a c tt l t ；t h et o p o l o g yo fn o n - c o u p l i n gi ss i m p l e ra n dm o r eb e n e f i c i a l t ot h el o wo u t p u ti m p e d a n c eo ft l t 3 n u m e r i c a ls i m u l a t i o n so nt l th a v eb e e nc o n d u c t e d t h er e s u l t so fn u m e r i c a ls i m u l a t i o n sh a v ev e r i f i e dt h et h e o r e c t i a la n a n l y s i st h a tt h e e l e c t r i c a ll e n g t ho ft r a n s m i s s i o nl i n e sh a si n f l u e n c eu p o nt h eo u t p u tp u l s e g e n e r a l l y ， t r a n s m i s s i o nl i n ew i t hal e n g t hl e s st h a nah a l fo ft h ep u l s ew i d t hw i l lc a u s ep u l s e d i s t o r t i o nt ot h eo u t p u t f o r t h e r m o r e ，t h ei n d u c t a n c ea n dc a p a c i t a n c ea tt h ej o i n t sa r e a l s oh a r m f u lt ot h er i s e t i m ea n df a l l - t i m ep e r f o r m a n c eo ft l t j o i n t ss h o u l db es h o r t ， a n dt l ts h o u l db ek e e p i n gf a rf r o mt h ec o n d u c t o r sc o n n e c t i n gt og r o u n d 4 a4 - s t a g et l ti sd e v e l o p e d e x p e r i m e n t so fl o wv o l t a g eo nt l th a v eb e e nc o n d u c t e db e f o r eh i g hv o l t a g e 第i i i 頁 國防科學(xué)技術(shù)大學(xué)研究生院碩士學(xué)位論文 v e r s i o n s a4 s t a g et l tw i t hd i a m e t e r3 0 0m m ，h e i g h t4 5 0m m ，a n dm a s s4 5k gi s d e v e l o p e d t h r o u g hab l u m l e i np u l s eg e n e r a t o r ，ap u l s e 塒mv o l t a g eu pt o 10k v ， d u r a t i o n ( f w h m ) o f15 0a sa n dr i s e - t i m ea b o u t2 0a si si n j e c t e di n t ot h et l t a tt h e o u t p u tt e r m i n a lo ft l t ，p u l s e 謝t ha m p l i t u d e4 0k v ，p u l s ew i d t h15 0n sa n dr i s e t i m e s l i g h t l yl a r g e rt h a n2 0a si so b t a i n e d b yf a r ，t h i st y p eo fp u l s et r a n s f o r m e rw i t hs u c h p e r f o r m a n c eh a sn o tb e e nr e p o r t e d k e yw o r d s ：t r a n s m i s s i o nl i n ep u l s et r a n s f o r m e r ( t l t ) ；f r e q u e n c yr e s p o n s e ； s e c o n d a r yl i n e ；o p t i m i z a t i o n ；c o u p l i n g 第i v 頁 國防科學(xué)技術(shù)大學(xué)研究生院碩十學(xué)位論文 圖目錄 圖1 1 脈沖功率裝置示意圖1 圖1 2 十級同軸線t l t 裝置圖3 圖1 3 十級雙線t l t 裝置圖3 圖1 4l p e c a s t a i n g 等人設(shè)計的t l t 變壓效果圖一3 圖1 5k y a n 研制的t l t 裝置及結(jié)構(gòu)示意圖3 圖1 6a l i n d b l o m 研制的t l t 裝置及輸入輸出結(jié)果圖4 圖1 7p h y s i c q u e & i n d u s t r i e 提出的脈沖發(fā)生器組成方案4 圖2 1 脈沖變壓器原理圖7 圖2 2t e s l a 變壓器原理圖7 圖2 31 ：1 傳輸線變壓器9 圖2 41 ：1 傳輸線反相器9 圖2 5 一級反相器p s p i c e 電路圖1 0 圖2 6 一級反相器p s p i c e 電路模擬結(jié)果1 0 圖2 7 一般的兩級t l t 結(jié)構(gòu)圖11 圖2 8 四級t l t 電路結(jié)構(gòu)示意圖1 2 圖2 9 兩級t l t 輸入與輸出端的等效電路1 2 圖2 1 0 二級t l t 波傳輸過程網(wǎng)格圖1 4 圖2 1 1 兩級t l t 理論計算得到的輸出波形1 5 圖2 1 2 甩級t l t 等效電路圖。1 6 圖2 1 3 用于確定胛級t l t 阻抗的戴維寧電路1 8 圖2 1 4 不同阻抗比人時增益與級數(shù)間的關(guān)系1 9 圖2 1 5 增益和阻抗比人、級數(shù)n 間的關(guān)系一1 9 圖2 1 6 考慮線間次級線后的刀級t l t 等效電路1 9 圖2 1 7 考慮級間次級線與否所得結(jié)果的比值2 2 圖2 1 8 有限長傳輸線兩端口網(wǎng)絡(luò)模型圖一2 2 圖2 1 9 用于頻率響應(yīng)分析的t l t 等效電路2 4 圖2 2 0 擰級t l t 輸入端等效電路2 4 圖2 2 1t l t 頻率響應(yīng)范圍隨次級線電感大小的變化2 5 圖2 2 2t l t 頻率響應(yīng)范圍隨雜散電容大小的變化一2 5 圖2 2 3t l t 頻率響應(yīng)分析p s p i e e 電路模型一2 6 圖2 2 4t l t 頻率響應(yīng)隨次級線電感變化的數(shù)值模擬結(jié)果2 6 圖2 2 5t l t 頻率響應(yīng)隨雜散電容變化的數(shù)值模擬結(jié)果一2 7 第1 i i 頁 國防科學(xué)技術(shù)大學(xué)研究生院碩士學(xué)位論文 圖3 1 同軸傳輸下套磁環(huán)等效電路模型。2 9 圖3 2 兩級套磁環(huán)t l t 電路模型圖3 0 圖3 3 兩級磁芯繞線型t l t 模型圖3 1 圖3 4 兩級t l t 中磁芯繞線等效為電感示意圖3 1 圖3 5 兩級t l t 輸出端等效電路圖3 2 圖3 6 兩級t l t 輸入端等效電路圖3 2 圖3 7 理想矩形磁化曲線3 5 圖3 8 晶態(tài)與非晶態(tài)金屬合金結(jié)構(gòu)比較3 5 圖3 9 不同軟磁材料的磁性對比3 6 圖3 1 0 不同軟磁材料的最佳使用頻率范圍。3 6 圖3 11 鐵氧體磁芯尺寸圖。3 7 圖3 1 2 鐵氧體磁芯磁滯回線3 7 圖3 13 三級t l t 級間無耦合結(jié)構(gòu)3 8 圖3 1 4 三級t l t 磁芯繞線等效為電感示意圖3 8 圖3 1 5 三級t l t 輸出端等效電路3 9 圖3 1 6 簡化后的三級t l t 輸出端3 9 圖3 1 7 電感去耦合后的三級t l t 等效電路4 0 圖3 18 三級t l t 輸入端等效電路4 0 圖3 1 9 三級t l t 次級線等效至輸出端示意圖4 1 圖3 2 0 三級t l t 最終等效電路。4 1 圖3 2 1 四級t l t 結(jié)構(gòu)示意圖4 1 圖3 2 2 四級t l t 等效電路圖4 l 圖3 2 3 考慮雜散電容后輸入端等效電路圖4 2 圖3 2 4 四級t l t 輸出端最簡等效電路4 2 圖3 2 5 胛級t l t 級間有耦合結(jié)構(gòu)示意圖4 4 圖3 2 6 刀級t l t 輸出端等效電路4 5 圖3 2 7 ，z 級t l t 去耦合后輸出端等效電路4 5 圖3 2 8 ，z 級t l t 最簡等效電路4 5 圖4 1 四級t l t 理想情況下p s p i c e 電路模型4 9 圖4 2 四級t l t 理想情況下p s p i c e 電路模擬結(jié)果。4 9 圖4 3 考慮雜散參數(shù)和次級線后的四級t l t 的p s p i c e 電路模型5 0 圖4 4 四級t l t 的p s p i c e 電路模擬結(jié)果。5 0 圖4 5 傳輸線電長度t d 對輸出波形的影響。5 l 圖4 6 接頭電感對輸出波形的影響。51 第1 v 頁 國防科學(xué)技術(shù)大學(xué)研究生院碩士學(xué)位論文 圖4 7 雜散電容對輸出波形的影響5 2 圖4 8 負(fù)載電阻大小對輸出波形的影響5 2 圖4 9 采用傳輸線來模擬次級線的作用時四級t l t 的p s p i c e 電路。5 3 圖4 1 0 傳輸線模擬次級線作用下的p s p i c e 輸出結(jié)果5 3 圖4 1 1 次級線電長度對輸出波形影響的p s p i c e 模擬結(jié)果5 4 圖4 1 2 同軸傳輸線的結(jié)構(gòu)示意圖一5 5 圖4 13 三級同軸線型t l t 低壓測試裝置5 5 圖4 1 4 三級t l t 低壓測試結(jié)果一5 5 圖4 15 三級t l t 對長脈沖的響應(yīng)曲線5 5 圖4 1 6 四級同軸型t l t 實驗裝置5 6 圖4 1 7 四級t l t 實驗結(jié)果5 6 圖4 18 四級t l t 的p s p i c e 電路模型5 6 圖4 1 9 四級t l t 模擬與實驗波形比較5 7 圖4 2 0 五級雙線t l t 實驗裝置5 8 圖4 2l 五級雙線t l t 輸入輸出波形5 8 圖4 2 2 級間無耦合四級t l t 裝置圖5 8 圖4 2 3 四級無耦合t l t 低壓測試結(jié)果5 9 圖4 2 4 電纜線型b l u m l e i n 線總體結(jié)構(gòu)6 0 圖4 2 5 級間無耦合四級t l t 高壓實驗實物裝置圖6 0 圖4 2 6 級間無耦合四級t l t 實驗輸入輸出波形6 1 第v 頁 國防科學(xué)技術(shù)大學(xué)研究生院碩士學(xué)位論文 表目錄 表1 1s m i t h 所研制具有代表性的兩臺t l t 指標(biāo)。2 表1 2 法國p h y s i q u e & i n d u s t r i e 機構(gòu)提出的設(shè)計指標(biāo)5 表3 1 各種磁性材料參數(shù)對比3 7 第v i 頁 獨創(chuàng)性聲明 本人聲明所呈交的學(xué)位論文是我本人在導(dǎo)師指導(dǎo)下進行的研究工作及取得的研 究成果盡我所知，除了文中特別加以標(biāo)注和致謝的地方外，論文中不包含其他人已 經(jīng)發(fā)表和撰寫過的研究成果，也不包含為獲得國防科學(xué)技術(shù)大學(xué)或其它教育機構(gòu)的學(xué) 位或證書而使用過的材料與我一同工作的同志對本研究所做的任何貢獻均已在論文 中作了明確的說明并表示謝意 學(xué)位論文題目： 籩箍繕叢生鑾匡墨的盟究 。 學(xué)位滄芝f 仁：蕾簽名：蔓a 筮拯 日期： 加以年f 月洱日 學(xué)位論文版權(quán)使用授權(quán)書 車人完全了解國防科學(xué)技術(shù)大學(xué)有關(guān)保留使用學(xué)位論文的規(guī)定本人授權(quán)國 防科學(xué)技術(shù)大學(xué)可以保留并向國家有關(guān)部門或機構(gòu)送交論文的復(fù)印件和電子文檔，允 許論文被篷i 硒和借閱：可以將學(xué)位論文的全部或部分內(nèi)容編入有關(guān)數(shù)據(jù)庫進行檢索， 可以采用彩印縮印或掃描等復(fù)制手段保存匯編學(xué)位論文 ( 保密學(xué)位論文在解密后適用本授權(quán)書) 學(xué)位諗文作者簽名： 作者指寫：教師簽名： 日期：嘴年1 1 月2 爭日 e i 期：伽分年i ，月侈細(xì)盤 國防科學(xué)技術(shù)大學(xué)研究生院碩十學(xué)位論文 第一章緒論 由于國防科研等方面的應(yīng)用，脈沖功率技術(shù)( p u l s ep o w e rt e c h n o l o g y ，p p t ) 自2 0 世紀(jì)6 0 年代初期以來，已經(jīng)發(fā)展成為一門新興科學(xué)技術(shù)，目前正朝著高功 率、全固態(tài)、高重頻和緊湊化的方向發(fā)展。正是應(yīng)這樣的發(fā)展要求，由于具有上 升前沿快、方波脈沖平頂下降小和頻帶響應(yīng)范圍寬等特點，傳輸線脈沖變壓器 ( t r a n s m i s s i o nl i n ep u l s et r a n s f o t i l l e r ，t l t ) 在脈沖功率技術(shù)中有重要應(yīng)用前景。 本章對傳輸線脈沖變壓器進行了綜述，在此基礎(chǔ)上說明了本課題的選題依據(jù) 和論文的主要內(nèi)容。 1 1 傳輸線脈沖變壓器的研究現(xiàn)狀 脈沖功率技術(shù)( p p t ) 是把“慢儲存起來的能量，進行快速壓縮、轉(zhuǎn)換或直 接釋放給負(fù)載的電物理技術(shù)。它是在2 0 世紀(jì)6 0 年代，隨著核物理、電子束加速 器物理、激光和等離子體物理研究的發(fā)展，迅速發(fā)展起來的一門高技術(shù)新興學(xué)科， 是當(dāng)前國際上最為活躍的前沿高科技之一，在國防領(lǐng)域和民用領(lǐng)域都有廣泛的應(yīng) 用前景【l 。j 。將近半個世紀(jì)以來，脈沖功率技術(shù)經(jīng)歷了四次重大突破【8 】：第一次發(fā) 展是b l u m l e i n 線的應(yīng)用，開創(chuàng)了脈沖功率級數(shù)的新紀(jì)元；第二次發(fā)展可簡潔地概 述為以“水 代“油”，( 即用高純度去離子水取代變壓器油作為傳輸線的絕緣 介質(zhì)) 發(fā)展了低阻抗型強流電子束加速器；第三次發(fā)展是多臺裝置并聯(lián)運行：第 四次發(fā)展是感應(yīng)加速腔技術(shù)。當(dāng)前，脈沖功率技術(shù)正處在又一次新的突破口，即 發(fā)展緊湊重復(fù)頻率運行裝置。 l o wp o w e ra c c u m u l a t i o n h i g hp o w e ro u t p u t s1 1 $ d c c h a r g e p u l s ed i s c h a r g e p u l s e dp o w e r 圖1 1 脈沖功率裝置示意圖 脈沖功率裝置大體可分為四大部分【9 。1 1 】：初級能源、儲能裝置、脈沖形成部分 和負(fù)載，如圖1 1 所示。一般而言，初級能源和儲能裝置可以采用m a r x 發(fā)生器或 者大儲能電容與脈沖變壓器的組合：脈沖形成部分通常占裝置體積的6 0 以上【1 2 1 ， 所以脈沖功率裝置的緊湊化在一定程度上取決于脈沖形成部分體積的縮小。通常， 脈沖功率裝置緊湊化多受限于裝置對高電壓幅值的要求，國內(nèi)外對此進行了大量 的研究【1 3 - 1 8 1 ，提出了多種方案【1 9 。2 2 1 ?？紤]到t l t 對高頻脈沖良好的響應(yīng)能力，將 第1 頁 國防科學(xué)技術(shù)大學(xué)研究生院碩十學(xué)位論文 t l t 應(yīng)用于脈沖功率裝置能有效縮小脈沖形成部分的體積，從而使整個裝置實現(xiàn) 緊湊化，故此，t l t 型裝置也是一種頗具應(yīng)用前景的技術(shù)路線 2 3 - 2 7 】。 t l t 型脈沖功率裝置的主體部分包括脈沖源( 通常為脈沖形成線類型) 和t l t 。 脈沖源用于形成脈沖，脈沖形成后輸入至t l t ，經(jīng)t l t 變壓之后得到高壓脈沖。 一般來說，t l t 電路采用傳輸線為主體器件，通過輸入端與輸出端的阻抗比例以 實現(xiàn)電壓的變換。理想情況下，電壓的增益( 變比) 由t l t 的級數(shù)決定。 t l t 理論及應(yīng)用發(fā)展由來己久，但最初主要應(yīng)用在微波和射頻電路中【2 8 弓2 1 。 o u a n e l l a 首次提出了傳輸線變壓器( t r a n s m i s s i o nl i n et r a n s f o r m e r ) 的概念【32 。，目 的是為了解決射頻電路中的阻抗匹配問題1 3 3 】；r u t h r o f f 對此類變壓器在解決電路的 阻抗匹配、寬帶及高效率等方面進行了深入地研究【2 8 】；1 9 6 8 年m a t i c k t 2 9 1 就傳輸線 脈沖變壓器的理論及應(yīng)用進行了細(xì)致地研究，詳細(xì)地介紹了平行雙線制作傳輸線 變壓器的過程，并進行了理論分析，指出t l t 中次級線的存在會導(dǎo)致脈沖的多次 反射，使得輸出脈沖發(fā)生畸變。進入到上世紀(jì)七十年代，應(yīng)用于射頻電路中的t l t 得到快速發(fā)展【3 4 1 。雖然許多研究【2 5 ，2 7 】已經(jīng)表明：在諸如頻率相應(yīng)、上升時間和能 量效率等方面t l t 較傳統(tǒng)磁耦合脈沖變壓器【3 5 】具有潛在優(yōu)勢，但受限于多級t l t 理論分析的復(fù)雜和優(yōu)良特性的傳輸線、磁芯等器件的缺乏，t l t 作為脈沖變壓器 的應(yīng)用卻沒有得到廣泛的應(yīng)用。隨著科技的進步，這些困難已經(jīng)得到解決，t l t 在p p t 中的應(yīng)用正迎來新的發(fā)展契機。 伴隨著傳輸線、磁芯技術(shù)等瓶頸問題的解決，從上世紀(jì)八十年代至今，有關(guān) p p t 中應(yīng)用t l t 的相關(guān)報道日益豐富，t l t 的應(yīng)用也逐漸受到了人們的廣泛關(guān)注。 牛津大學(xué)的p a u l w s m i t h 在近2 0 年里研制了多臺t l t ，其中有多臺都顯示 了極為誘人的性能，在變壓高頻脈沖方面，其性能有巨大的優(yōu)勢。廣受關(guān)注的有 下面的兩臺：其一是1 9 9 6 年報道的十級同軸傳輸線t l t 2 5 1 ；其二是2 0 0 6 年報道 的十級雙線t l t 【2 ，兩t l t 裝置分別如圖1 2 、圖1 3 所示，兩臺t l t 技術(shù)指標(biāo) 見表1 1 。 表1 1s m i t h 所研制具有代表性的兩臺t l t 指標(biāo) 10 - s t a g et l tw i t hc o a x i a lc a b l e 10 - s t a g et l tw i t ht w i nw i r e 第2 頁 國防科學(xué)技術(shù)人學(xué)研究生院碩士學(xué)位論文 幽i2 十級同軸線t l t 裝置蚓圖l3l 級戕線t l t 裝置幽 法國lp e c a s t a i n g 等人通過在同軸線上嵌套多個不同類型的鐵氧體磁環(huán)研制 出一臺十級高性能t l t i “i ，該t l t 需要工作在遠(yuǎn)離接地良導(dǎo)體的環(huán)境，變悟效果 見圖14 。 圖1 4lp e c 越t a i n g 等人設(shè)計的t l t 變壓效果凹 ky a h 等人利用t l t 技術(shù)研制了功率達1 0 0k w 的重頻( 1 0 0 0 p p s ) 脈沖發(fā)生 器f ”刪實物及其結(jié)構(gòu)如圖i5 所示，該發(fā)生器包括l c 振蕩電路和t l t 裝置。在 電壓脈沖形成后，將脈沖輸入至多級t l q ， 值的電壓脈沖，在污水處理方面有蕈要應(yīng)用 最后在輸出端得到多倍于輸入電壓幅 t l t 能量傳輸效率高達9 6 。 嚴(yán)岡| t h 司 型。 h 司 袒 ( a ) t l t 裝苴( b ) t l t 結(jié)構(gòu)示意幽 圖15ky a h 研制的t l t 裝置段結(jié)構(gòu)示意圖 al i n d b l o m 等人利用現(xiàn)代同軸電纜技術(shù)，基于磁耦合原理研制了一臺用丁：脈 沖功率系統(tǒng)的t l t l 3 9 i ，收到了良好的效果裝置及輸入輸出脈沖波形見圖1 6 ，適 第3 頁 國防科學(xué)技術(shù)大學(xué)研究生院碩士學(xué)位論文 合于u s 級脈沖的變壓。 ( a ) t l i 裝置( b ) t l t 輸入輸出脈沖波形 幽l6al i n d b l o m 研制的t l t 裝置及輸入輸出結(jié)果倒 圖1 7p h y s i c q u e i n d u s t f i e 提出的脈沖發(fā)生器組成方案 法國p b y s i q u e l n d u s t r i e 機構(gòu)曾給山基于t l t 的高壓脈沖發(fā)生器設(shè)計方案 1 i ，結(jié)構(gòu)見圖1 7 ，圖中右上部分即三級t l t 輸出脈沖電壓6 3 0 k v 、電流1 5k a 、 單脈沖寬度4 0 0n s 、可重復(fù)頻率1 0 0 0p p s ，具體指標(biāo)見表12 。若按預(yù)期實現(xiàn)表中 技術(shù)指標(biāo)該類型脈沖發(fā)生器將在當(dāng)今脈沖功率技術(shù)領(lǐng)域中獨領(lǐng)風(fēng)騷。 第4 頁 國防科學(xué)技術(shù)大學(xué)研究生院碩士學(xué)位論文 l o a dv o l t a g e l o a dc u r r e n t p u l s ed u r a t i o n ( f w h m ) r i s et i m e p u l s ef l a td i f f e r e n c e r e p e t i t i o nr a t e 6 3 0k v 1 5k a 4 0 0n s 4 0n s 1 0 s 3 0 0c m 5 0c m 3 5 0k g 國內(nèi)邱劍、劉克富等人研制過一臺十級t l t 裝型4 0 1 ，用于全固態(tài)緊湊型重頻 脈沖發(fā)生器中對高頻脈沖進行變壓，結(jié)果顯示該t l t 的輸入輸出脈沖電壓分別為 1 7k v 和1 0k v ，頻率1 0k h z ，輸入輸出波形基本吻合。 綜上所述，t l t 應(yīng)用于脈沖功率系統(tǒng)具有重要的應(yīng)用前景。國外t l t 研究水 平較高，且有些預(yù)期指標(biāo)將可能主導(dǎo)未來新一代脈沖功率發(fā)生裝置的發(fā)展方向， 但有關(guān)t l t 的理論研究仍偏少；國內(nèi)在該方面的研究更是甚少，且水平不高，尚 屬探索階段。 1 2 課題選題依據(jù)及論文的主要內(nèi)容 1 2 1 選題依據(jù) 當(dāng)前，在脈沖功率技術(shù)領(lǐng)域，t l t 的應(yīng)用仍相對少見，但和傳統(tǒng)脈沖變壓器 相比，t l t 具有很強的潛在優(yōu)勢。例如，傳統(tǒng)脈沖變壓器上升時間和帶寬受變壓 器的漏電感和繞組白電容的限制無法做到高頻( n s ) 脈沖的無畸變傳輸；脈沖幅 值下降也難以解決，一般傳統(tǒng)變壓器可通過增加初級繞組的電感來加以改善幅值 下降，但這樣做必然增加漏電感，從而使脈沖上升前沿變差。因此，作為評價脈 沖變壓器性能的主要指標(biāo)，脈沖幅值下降度、脈沖頻率響應(yīng)能力和脈沖上升前沿 都是t l t 的技術(shù)優(yōu)勢所在。影響t l t 輸出波形上升前沿的因素中沒有漏電感，僅 包括接頭電感和外導(dǎo)體對地電容，且采取一些措施能較好地抑制它們的影響。造 成t l t 輸出脈沖幅值下降的主要因素是t l t 內(nèi)部的次級線，但有辦法能夠抑制次 級線對輸出波形的影響，從而實現(xiàn)高頻脈沖的波形無畸變變換。 綜上，采取適當(dāng)措施，t l t 對高頻脈沖實現(xiàn)無畸變變壓是完全可行的。且對 于當(dāng)前脈沖功率技術(shù)發(fā)展趨勢而言，緊湊化、高重頻及全固態(tài)是主要發(fā)展方向。 將脈沖形成線的輸出電壓降低至原幅值的一半或更小，再通過t l t 將脈沖電壓升 至預(yù)定幅值，則形成線體積可以隨之縮小。另外，t l t 全固態(tài)、適于高重頻的結(jié) 構(gòu)也是非常有益的。因此，t l t 符合當(dāng)前脈沖功率技術(shù)發(fā)展方向的要求，故在高 功率脈沖技術(shù)領(lǐng)域，t l t 的應(yīng)用前景光明。開展t l t 技術(shù)研究對本實驗室在全固 第5 頁 國防科學(xué)技術(shù)大學(xué)研究生院碩士學(xué)位論文 態(tài)及緊湊化的脈沖功率系統(tǒng)發(fā)展中占據(jù)領(lǐng)先地位勢在必行，且高功率脈沖電路中 使用t l t 的相關(guān)技術(shù)研究在國內(nèi)尚屬起步階段，因此選題具有較高的新穎性。 1 2 2 論文的主要內(nèi)容 本論文分五個章節(jié)對t l t 進行了比較完備的闡述，分別采用了理論、模擬和 實驗的研究方法對t l t 的結(jié)構(gòu)性能及各參數(shù)進行了深入研究。具體來說，首先對 t l t 進行了細(xì)致的理論研究，特別地，重點研究了t l t 次級線電感的優(yōu)化問題； 其次模擬分析了各雜散參數(shù)可能對t l t 輸出波形的影響；最后實驗研究了多種 t l t 技術(shù)實現(xiàn)方案，并最終研制出一臺四級高壓t l t 。概括地說，全文各章主要 包括以下內(nèi)容： 第一章介紹了t l t 的發(fā)展歷程、發(fā)展現(xiàn)狀，并對課題研究的選題依據(jù)、t l t 技術(shù)路線的優(yōu)勢進行了說明。 第二章對t l t 進行了理論分析。介紹了普通脈沖變壓器的原理，分析了t l t 的基本理論；詳細(xì)分析了兩級t l t 中波的傳輸過程；重點討論了t l t 增益與級數(shù) 之間的關(guān)系；最后細(xì)致研究了t l t 的頻率響應(yīng)。 第三章對t l t 次級線電感進行了優(yōu)化設(shè)計。針對抑制次級線的方法進行了系 統(tǒng)的分析和闡述；對各類型磁芯的優(yōu)缺點進行了比較和分析；對t l t 的兩種拓?fù)?結(jié)構(gòu)進行了次級線電感的優(yōu)化，并推導(dǎo)了此兩種結(jié)構(gòu)的輸出電壓脈沖幅值的表達 式；最后對抑制次級線的方法進行了系統(tǒng)總結(jié)與歸納。 第四章對t l t 進行了電路數(shù)值模擬和實驗研究。電路數(shù)值模擬部分對影響 t l t 輸出波形的傳輸線電長度、接頭電感和雜散電容進行了參數(shù)掃描分析，同時 對次級線的兩種電路模型進行了分析討論。實驗部分首先對t l t 進行了多種嘗試 性實驗，驗證了前面各章的理論結(jié)果，同時為最終確定高壓t l t 實驗方案提供了 參考。最終，研制出了一臺高性能級間無耦合四級t l t ，開展了高壓實驗，所得 結(jié)果表明t l t 在脈沖功率技術(shù)領(lǐng)域具有良好的應(yīng)用前景。 第五章對全文工作進行了總結(jié)，并展望了今后有關(guān)t l t 的研究工作。 第6 頁 國防科學(xué)技術(shù)大學(xué)研究生院碩士學(xué)位論文 第二章傳輸線脈沖變壓器理論研究 傳輸線脈沖變壓器電路采用輸入并聯(lián)、輸出串聯(lián)的結(jié)構(gòu)。在理想情況下，t l t 輸出端與輸入端阻抗比與增益之間存在平方關(guān)系。 本章介紹了普通脈沖變壓器原理，對t l t 基本原理進行了研究；詳細(xì)分析了 兩級t l t 中波的傳輸過程，對t l t 級數(shù)與其增益之間的關(guān)系進行了重點討論；最 后對t l t 頻率響應(yīng)進行了細(xì)致的分析。 2 1 脈沖變壓器原理 變壓器1 5 5 j 是以法拉第電磁感應(yīng)定律為基礎(chǔ)，能夠?qū)⒁粋€電路中的電能通過磁 場傳輸?shù)搅硪粋€電路中的電磁裝置。脈沖變壓器【“，5 5 】是變壓器的一種特殊類型， 它所變換的不是正弦電壓，而是脈沖電壓。其基本工作原理【4 1 】如圖2 1 所示，在脈 沖電壓作用下，初級線圈內(nèi)產(chǎn)生瞬態(tài)的脈沖電流，從而在磁芯中激發(fā)起隨時間變 化的磁通量。變化的磁通量又在次級線圈中產(chǎn)生感應(yīng)電動勢和感應(yīng)電流，它反過 來通過互感磁通又影響到初級線圈。 圖2 1 脈沖變壓器原理圖 在各種脈沖設(shè)備中，應(yīng)用著各種類型的脈沖變壓器。它們可輸出的脈沖電壓 從幾v 到幾百k v ；脈沖電流從若干m a 到幾十k a ；脈沖功率從若干分之一w 到 數(shù)百m w ；脈沖寬度從n s 到s ；重復(fù)頻率從單脈沖到幾十k h z 。其中，高電壓大 功率脈沖變壓器主要應(yīng)用在雷達、高能物理等領(lǐng)域的設(shè)備中；低電壓小功率脈沖 變壓器主要應(yīng)用在計算技術(shù)、自動控制、工業(yè)自動化等設(shè)備中。 圖2 2t e s l a 變壓器原理圖 c 2 第7 頁 國防科學(xué)技術(shù)大學(xué)研究生院碩士學(xué)位論文 適用于高功率脈沖電路中的脈沖變壓器主要是t e s l a 變壓器，t e s l a 變壓器 8 , 4 2 j 是一種工作在雙諧振模式下的脈沖變壓器。其原理如圖2 2 所示，首先常規(guī)交流變 壓器p t l 將輸入的市電升壓并對儲能電容器c l 充電；g 為火花開關(guān)，當(dāng)儲能電容 器c l 上的電壓達到一定值時，火花開關(guān)導(dǎo)通，通過t e s l a 變壓器p t 2 升壓對次級 電容器c 2 充電。一般交流變壓器p t l 能夠升壓到1 2k v - - 5 0k v ，t e s l a 變壓器p t 2 能夠?qū)㈦妷涸俅翁嵘? 0 0k v 1m v 。t e s l a 變壓器是由兩個隔離的相互感應(yīng)振 蕩回路組成的系統(tǒng)，與其他脈沖變壓器不同的是，該變壓器的初級儲能和次級負(fù) 載均為電容，且工作在自由振蕩狀態(tài)下，厶c l = - , 2 c 2 使兩個回路具有相等的固有 振蕩頻率。 目前，為提高脈沖功率系統(tǒng)的性能，脈沖變壓器( 如t e s l a 變壓器) 正向高功 率、高電壓、高變比的方向發(fā)展，同時還希望脈沖變壓器具有重量輕、體積小、 價格低、效率高和長壽命等特點。 在當(dāng)今脈沖功率技術(shù)中，脈沖變壓器主要用來對脈沖形成線充電，以代替采 用多級火花間隙開關(guān)的m a r x 發(fā)生器1 8 ，l0 1 。與m a r x 發(fā)生器相比，t e s l a 變壓器具有 體積小，能量傳輸效率高，容易實現(xiàn)重復(fù)頻率運行等特點。但由于漏電感和繞組 自電容的存在，t e s l a 變壓器上升時間和帶寬受限而無法做到對高頻脈沖的無畸變 傳輸；脈沖平頂下降也是一個難以消除的問題，傳統(tǒng)變壓器只能通過增加初級繞