磁脉冲压缩电路优化方案

图5-4 磁饱和元件构成的磁压缩电路

1.基本原理

利用饱和磁性元件可以构成磁压缩电路，其基本原理电路如图5-4所示。图中，L为磁压缩电感（饱和磁性元件），其值随通过电感的电流大小而变化，E为电源电动势，R为负载电阻，S为开关。当S闭合时，由于L的阻抗很大，故加在R上的电压U_R很小，电源电压主要加在L上。随后，由于L迅速饱和，其感抗急剧减小，电流增大，使得电源电压主要加在负载R上。

饱和电感在电路中的作用表现在：一方面将能量从电源输送到负载，另一方面又类似延时开关作用，因而有时我们称之为磁开关。磁开关可构成3种磁压缩电路，如图5-5所示。其中，图5-5a所示是三级串联磁脉冲压缩电路，R为负载，这种电路主要用于正弦脉冲电流在恒定电压下的压缩，电路中S是在输出电压下工作，电流脉冲幅值逐级增高而脉宽变小。

图5-5 3种典型磁压缩电路

a）三级串联磁脉冲压缩电路 b）并联磁脉冲压缩电路 c）传输线式脉冲压缩电路

图5-5b所示为并联磁脉冲压缩电路，是采用饱和变压器TS升压的，故开关可以在较低电压下工作。当改变各级变压器的电压比，使之与各级电容相匹配时，电路的能量传输效率可接近100％，这种电路可维持输出脉冲电流幅值不变，但脉宽逐级减小。对于要求重复脉冲的负载（如激光器、电除尘等），这种压缩电路非常适用。特别是采用较低电压的开关，电路工作较为稳定可靠，开关的使用寿命也较长。

图5-5c所示为传输线式脉冲压缩电路，它实际上是串联磁脉冲压缩电路的一种特殊形式，只不过电路的参数选择不同而已。图中，L_C、C为传输线一节等效电路，L为可饱和磁压缩电感，R为负载，L_b为充电旁路电感，I_C为L_C、C回路中的电流。这种电路主要用于脉冲的陡峭化，可产生方波脉冲。

2.串联磁脉冲压缩回路

MS中利用可饱和电感的一般磁脉冲压缩回路即所谓的MPC，这是人们很熟悉的。以前在一次开关中经常使用闸流管等放电开关，而最近随着电力半导体开关的发展，更多地使用晶闸管等半导体开关。图5-6表示TEACO₂激光用的LC反转回路组成的磁脉冲压缩（MPC）电路。一次开关部分是使用IGBT，电压上升到LC反转回路的约2倍时，相当于一次电流脉宽的电压反转时间是7.7μs。由第一段的可饱和电感将这个时间压缩到1.25μs。最后上升部分约是0.2μs，产生了44.4kV的急剧的输出电压。在MPC中可以得到最大的能量传输效率（82.9％），重复频率是1.1kpulse／s。脉冲压缩可饱和电感的磁心材料是铁系的非晶体合金，使用时将其制作成环形。(www.xing528.com)

图5-6 产生TEACO₂激光的2段磁脉冲压缩电路

图5-7是微细加工曝光光源中使用的产生KrF受激准分子激光器的MPC电路。一次开关使用的是用于高脉冲的GTO，升压是由脉冲变压器实现的，一次脉冲约为4μs。将这个时间用二级MPC压缩到第一级时间为0.5μs，第二级为0.14μs，给负载提供能量。输出电压是26kV，重复频率是1kpulse／s。对可饱和电感一般使用环状的超微结晶质合金。现在能够达到2kpulse／s的受激准分子激光器用的固体电源已经产业化。

图5-7 产生KrF受激准分子激光的两段磁脉冲压缩电路

3.并联磁压缩电路

这种电路方式是MS并联接入能量传输电路，即指使用可饱和变压器（ST）的脉冲压缩方式。使用ST的最大特点是可以兼顾升压变压工作。因此，可以减轻初级阶段开关的压降。图5-8表示用于生成臭氧的MPC电路。初始时使用高脉冲的GTO，在脉冲变压器的二次侧接上ST，升压后可以进行脉冲压缩。在电容C₁的充电线圈中使用可饱和电感线圈，设置电感线圈使其在充电时为低电感，放电时是高电感，这样就可以实现向负载高效率地传输能量。这种电路方式的特点是通过设置电路参数，可以控制在串联压缩电路中出现的MS的漏电压，实现负载电压的迅速上升。图5-9是这种电路的输出电压波形。将初始（3.3kV、1.2μs）脉冲压缩成为58kV、90ns脉冲，得到的是没有漏电压的尖峰输出波形。

图5-8 产生臭氧的并联磁压缩电路

图5-9 产生臭氧的并联磁压缩电路的输出电压波形