高功率脉冲发生电路的设计与实现

结合某项目的实际工程应用需要，对基于RSD的120kA级大功率脉冲发生电路进行了设计，并通过了实验验证。设计方法主要是根据脉冲输出要求来选取主回路参数，根据电流和电压耐量来确定RSD开关的尺寸和级联个数，根据预充电荷量的要求来选取触发方案及参数，根据主电压的要求来确定磁开关参数。此外，大电流脉冲产生的电动力不可忽视，它会造成器件堆封装结构发生变形甚至损坏，从而引发安全事故，所以对RSD的堆体结构进行了特殊设计。

1.120kA大功率脉冲发生电路的设计

该项目最关键的参数是实现120kA的RSD换流峰值。通过对主回路进行LC放电实验，结合ATPDraw软件拟合放电波形，估算出主回路串联电感L约为1.5μH。为保护RSD器件，使回路工作在过阻尼状态，不流过反向电流，从而要满足R＞2L／C的条件，选择主电容C为3000μF，则负载R要大于45mΩ，且为了达到功率容量的要求，实验中通过多路串并联实现。

根据120kA峰值电流、200～350μs底宽的要求，参考RSD电流耐量经验公式（4-14），留出一定裕量，确定制备3in管芯。根据初定的13kV额定工作电压，将每只管芯电压耐量设计为2.5kV，然后6只串联组成堆体。

用临界预充电荷Q^c_R^r描述的RSD开通条件式可简化表达如下

由主电压和主回路电感可估算最大电流上升率为5.33kA／μs，在磁开关作用下实验中此值会略有提高，假定预充时间为2μs，预充电流峰值只需超过200A即可满足RSD的开通条件，实际预充电流远高于此值。

在大电流脉冲应用领域，考虑到母排要承受很大电应力，一般磁开关不绕线，计N＝1。定制的磁开关参数为：外径130mm，内径30mm，高30mm，横截面50mm×30mm，B_r＝1.85T，B_s＝1.62T，ΔB＝3.47T。为摸索磁开关在一定电压条件下的饱和时间，进行了不同堆叠片数磁开关在各电压条件下的放电实验，结果列于表4-12。据此推算，8kV工作电压下磁开关应取6片堆叠使用，饱和时间理论值为2.25μs。

表4-12 磁开关在一定电压条件下的饱和时间

通电导体的周围有磁场存在，而磁场对通电导体又有作用力，将载流导体之间的作用力称为“电动力”。若电流I与磁感应强度B方向成β角，则电动力的大小为

F＝BIlsinβ

式中，l为导体的长度。

在同一平面内两垂直有限长的载流导体（呈L形），如图4-53所示，竖直导体长度为l，水平导体长度为a，导体等效半径为r，则当r≪l时，水平导体所受电动力为

所以在大电流下压接式RSD堆体的引出电极会受到很大的电动力，可能造成连接部分的变形甚至折断，容易引发安全事故。鉴于此，将引出电极的结构改进成“十”字形，图4-54为此结构RSD堆体的实物图。

图4-53 L形导体电动力的计算

图4-54 “十”字形电极结构的RSD堆体实物图

2.120kA大功率脉冲发生电路的实验验证

（1）测试条件 测试环境为：温度为13℃，气压为1.027×10⁵Pa，湿度为71％。测试仪器仪表和参试设备分别见表4-13和表4-14。

表4-13 测试仪器仪表

表4-14 参试设备

（续）

（2）40kA和80kA通流测试 按照图4-55搭建实验回路。RSD开关测试回路由充电回路、预充回路、主放电回路、消磁回路组成，测量RSD电流的罗氏线圈的比例系数为54800A／V。

图4-55 RSD通流测试电路图

1）充电回路。

调压器：输入220V，输出0～250V，功率2kVA；

变压器：2.5kVA，200V／50kV；

硅堆：100kV，1A；

水电阻：约30kΩ。

2）预充回路。

调压器：输入220V，输出0～250V，功率2kVA；(www.xing528.com)

PT：640VA，100V／10000V；

硅堆：100kV，1A；

线绕电阻：100kΩ；

预充电容：1μF／10kV；

机械开关：单刀双掷拉线开关。

3）主放电回路。

主放电电容：1000μF／10kV；

磁开关：多片磁开关堆体串联，磁开关数目根据主电压值调整；

陶瓷电阻：阻值为0.075Ω；

RSD：6片RSD阀片串联构成，单片耐压2500V。

4）消磁回路。

由低压变压器（220V／20V）、整流元件（AC／DC）及电阻构成，为磁开关提供反向复位电流。

测量主放电电容的电容量为1007μF，分别设置充电电压为4kV和8kV，回路中接入相应所需磁开关片数，完成40kA和80kA的通流测试，数据记录于表4-15。放电电流波形分别如图4-56和图4-57所示。

表4-15 40kA和80kA通流测试的数据

图4-56 40kA通流测试的RSD电流波形

图4-57 80kA通流测试的RSD电流波形

（3）120kA通流测试 进行120kA通流测试时，按照图4-55搭建试验回路，不过充电主电容换成额定值为3000μF／10kV的，陶瓷电阻换成0.05Ω。

测量主放电电容的电容量为3008μF，设置充电电压为8kV，回路中接入相应所需磁开关片数，完成120kA的通流测试，数据记录于表4-16。

表4-16 120kA通流测试的数据

放电电流波形如图4-58所示。图中电流波形中的毛刺是由于电容器外壳打火，干扰了测量线圈。图4-59为120kA通流平台的实地照片。

图4-58 120kA通流测试的RSD电流波形

图4-59 基于RSD的120kA通流平台

（4）数据分析

1）电荷转移量。

80kA通流测试：电容量C＝1007μF，放电电压U＝8.033kV，电荷转移量＝CU＝1.007×8.033＝8.09C；

120kA通流测试：电容量C＝3008μF，放电电压U＝8.055kV，电荷转移量＝CU＝3.008×8.055＝24.23C。

2）通流能力。

RSD通过的最大电流峰值为132.2kA。

3）di／dt。

80kA通流测试中：di／dt最大值为5.36kA／μs；

120kA通流测试中：di／dt最大值为5.37kA／μs。