基于磁开关的固态近方波Marx发生器初步模拟设计

樊旭亮,孙 旭,潘亚峰,范红艳

(西北核技术研究所，西安710024)

小型紧凑化是高功率脉冲驱动源的一个重要发展方向[1-4]，能够产生近似方波脉冲的Marx发生器受到了广泛关注[5-8]。一般将传统Marx发生器中的电容器改为脉冲形成网络，可使发生器输出近似方波脉冲，再将各级脉冲形成网络以Marx发生器的形式进行叠加，即可达到增加输出功率、大幅减小脉冲驱动源体积的目的。

近年来，各类大功率近方波Marx发生器大多采用气体开关[9-10]作为控制开关。气体开关具有功率大、通流能力强等特点，但在Marx发生器中，需要使用大量的气体开关。此外，为了提高Marx发生器的稳定性，减小输出抖动，需要配专门的触发器，用以触发发生器中的前几级气体开关，这又增加了系统的复杂性。因此，高功率脉冲驱动源技术的一个更加重要的发展方向就是简单化，追求原理与结构上的双重简单化。

本文提出了基于磁开关的近方波脉冲Marx发生器技术路线，摒弃了传统发生器中的气体开关与触发系统，利用磁开关磁场的同步控制，保证各级开关同步导通。同时，基于多倍频电压脉冲的叠加原理，使得发生器具备输出方波脉冲的能力。

1 基于磁开关的Marx发生器

磁开关 (magnetic switch, MS) 是一种利用磁芯非饱和态与饱和态的切换来实现开关功能的器件，以此为基础，增加初级线圈，发展了可饱和脉冲变压器[11-12](saturable pulse transformer，SPT)。SPT是一种集变压器功能和磁开关功能于一体的固态脉冲功率器件，利用磁芯非饱和态来实现变压器的变压功能，同时，变压器的次级兼做磁开关，利用磁芯由非饱和态到饱和态的转化实现其磁开关功能。在这里，将基于磁开关或者可饱和脉冲变压器的Marx发生器，都称为基于磁开关的Marx发生器。主要有四种结构,如图1所示。图中圆环部分为磁芯，C为储能电容，LC为充电电感。这四种发生器的共同点是各级开关绕制于同一个磁芯上，通过同一套磁场控制，这在很大程度上保证了各级开关的同步导通，减小了Marx发生器的建立时间，降低了输出抖动，免去了复杂的触发系统。其中，图1(a)是基于简单磁开关的传统Marx发生器，特点是需要单独的充电电路。图1(b)是基于SPT的传统Marx发生器，结构中省去了充电电路。图1(a)和图1(b)的共同点是所有磁开关的饱和电感都串联进入了Marx发生器的放电回路中。LC-Marx发生器是一类特殊的Marx发生器，如图1(c)与图1(d)所示。

直观地看，图1(d)的电路结构最为简单，省去了专门的高压充电系统，也省去了充电电感及一半的接地电感，这使结构更为紧凑，更易于实现。其工作过程如下：Cp为可饱和脉冲变压器的初级储能电容，在工作的初始时刻被充至一定电压V0。通过开关控制Cp放电。Cp开始放电后，可饱和脉冲变压器磁芯处于非饱和状态，发挥变压器的功能，并通过磁芯耦合，向C1至C6充电。这种电路设计，保证了相邻电容器被充以极性相反的电压，充电过程中输出端无电压。在Cp放电过程中，其放电伏秒积到磁芯饱和点时，可饱和变压器便失去了变压器的功能，发挥磁开关的功能，并处于导通状态。图1(d)中的第偶数个电容器通过磁芯上与各自相连接的次级线圈进行反转放电。此时，输出端的电压逐步上升，输出电压幅值等于电容器个数、变压器变压比与V0的乘积。可以看出，基于SPT的LC-Marx发生器中，可饱和脉冲变压器发挥了变压器、磁开关、同步导通控制器以及反转电感四重功能。同一装置先后承担不同的功能是脉冲驱动源实现小型紧凑化的一个重要途径。

(a)Classical Marx generator based on magnetic switch

(b)Classical Marx generator based on SPT

(c)LC-Marx generator based on magnetic switch

(d)LC-Marx generator based on SPT

下面进一步分析基于SPT的LC-Marx发生器产生方波脉冲的方法。

2 近方波脉冲的产生

基于SPT的LC-Marx发生器产生近似方波脉冲，其基本原理是多倍频电压的叠加。首先对LC-Marx发生器的典型输出脉冲进行研究。

2.1 LC-Marx发生器的典型输出脉冲模拟研究

LC-Marx发生器模拟电路，如图2所示。电路中，L1—L3为反转电感，L4—L6为接地(隔离)电感，设置主开关在峰值时刻导通，典型输出电压波形如图3所示。基本特征是，负载电压在达到峰值之后迅速回零。图中给出了发生器半个周期的脉冲，开关在峰值时刻对输出脉冲进行了陡化，得到了如图3所示的快前沿脉冲。若要得到方波脉冲，需在此基础上叠加一个脉冲，延缓电压幅值回零的速度，就可获得一段近似的平顶。其本质是，在该频率的脉冲之上，叠加3倍频甚至更高倍频的脉冲。

2.2 LC-Marx发生器近方波脉冲输出的电路改造

在图2模拟电路的基础上，将第一级反转电容从50 nH改为12 nH，负载阻抗随之升高，变为60 Ω。同时，监测A点的电压，模拟结果如图4所示。

图2 LC-Marx发生器模拟电路 Fig.2 Simulation circuit of LC-Marx generator

图3 LC-Marx发生器典型输出电压波形Fig.3Typical output waveform of LC-Marx generator

图4近方波LC-Marx发生器典型输出电压波形

Fig.4TypicaloutputwaveformofrectangularpulseLC-Marxgenerator

可以看出，此时在负载上的输出电压出现了近似的方波脉冲，其平顶持续时间约为100 ns。从监测到的A点电压可以看出，改造后，A点之前的电路充当了附加回路，其震荡频率约为主回路震荡频率的3倍。

传统脉冲形成网络输出方波脉冲的基本原理是多倍频电流脉冲叠加，各频率分量符合方波脉冲的傅里叶频谱分析。而该近方波LC-Marx发生器的基本原理是多倍频电压脉冲叠加，同样需满足各频率分量之间的关系。由于各级回路的等效性，改变任何一个反转电容的容值都可以获得相同的效果。平顶时间近似等于A点电压的半周期，而平顶度的好坏则取决于A点电压下降斜率与负载电压上升斜率是否接近。因此在改造电路中，增大负载电阻的目的是延缓负载电压的上升，以使得二者斜率相接近，进一步的模拟研究也可以说明该问题。设置负载电阻分别为20，40，60，80,100 Ω，输出脉冲波形如图5所示。沿着箭头方向负载阻抗增大。可以看出，存在最佳阻抗值，使得能够在负载上获得最为良好的平顶。在实际设计中，还需综合各种因素进行分析。

图5不同负载下近方波LC-Marx发生器的输出电压波形Fig.5Output waveforms of rectangular pulse LC-Marx generator with different load resistances

3 10 GW近方波LC-Marx发生器设计

经上述分析可知，采用近方波LC-Marx发生器的技术路线，合理设计电路参数，能够在负载上获得良好的阶梯型方波脉冲。更大功率的脉冲发生器需多级叠加，且在实际装置中，期望能够摒弃输出主开关，从而更加体现出所提出的脉冲发生器的优越性,这在短脉冲需求场合中是可以做到的。设计了输出功率达10 GW的方波脉冲的发生器电路结构，如图6所示。

共采用18级脉冲电容器，其中附加回路为4级，主电路为14级，每级充电100 kV。实际使用中，各电容器作为可饱和脉冲变压器的次级电容进行充电，设置变压器变压比为30，且变压器次级需采用多次级并联结构以减小饱和电感，按照双谐振条件设计相关参数，初级电容通过高压直流电源进行充电。模拟结果如图7所示。输出脉冲电压接近1 MV，阻抗为100 Ω，前沿约为20 ns，半高宽约70 ns，输出功率接近10 GW。从波形来看，输出脉冲平顶波动小于10%，能够满足实际应用的需求。A点电压反映了附加回路的输出脉冲，其频率约为主频率的3倍。实际结构中，各级电容器可层叠放置于多组磁环之上，共用一个初级回路以保证饱和的同步性。

图610 GW脉冲发生器电路结构Fig.6Circuit of 10 GW pulse generaotr

图710 GW脉冲发生器输出电压波形Fig.7Output waveform of 10 GW pulse generator

4 结论

提出了基于磁开关的近方波LC-Marx发生器技术路线，该路线的主要优势在于结构简单，实现了所有开关的固态化，免去了专门的触发系统，基于同一套磁芯控制系统以保证各级导通放电的同步性。发生器基于多倍频电压脉冲叠加的原理，实现了近似方波脉冲的输出。设计了具备10 GW方波脉冲输出能力的Marx发生器电路结构。结果表明，输出脉冲能够满足要求。下一步工作主要是完善所提出的近似方波脉冲Marx发生器的理论分析，进行结构设计与场分布模拟研究，为实际装置的构建奠定基础。