磁壓縮脈沖發(fā)生器的仿真與研究

（上海理工大學 光電與計算機工程學院，上海 200093）

目前，高功率脈沖發(fā)生器已經(jīng)廣泛應用在各個領(lǐng)域，如高功率微波[1]、高能激光[2]、等離子體的產(chǎn)生與應用[3]、食品加工、節(jié)能環(huán)保等，開關(guān)是大功率脈沖發(fā)生器中最重要的器件，如火花隙開關(guān)、半導體開關(guān)、磁開關(guān)等。磁開關(guān)相比火花隙開關(guān)、半導體開關(guān)，具有功率高、耐壓高、穩(wěn)定性好、壽命長的優(yōu)點。磁脈沖壓縮技術(shù)能有效地陡化和壓縮脈沖，很大程度上提高脈沖的上升沿，減小了其他大功率開關(guān)的損耗問題，而且無觸點閉合動作，有較強的可重復性。脈沖的重復頻率進一步提高，大大提高了脈沖形成單元的性能[4-6]。在實際應用中磁壓縮脈沖發(fā)生器能夠輸出上升沿幾十到幾百納秒、幅值10 kV以上的高壓脈沖。本研究介紹了應用于水中放電的磁壓縮脈沖發(fā)生器的設(shè)計與仿真，論述了漏感對磁壓縮發(fā)生器的影響及減小漏感的方法，并介紹了一種直流復位電路清理剩磁。半導體開關(guān)頻率、脈寬、相位和占空比可調(diào)的優(yōu)點通常替代傳統(tǒng)的氣體、液體開關(guān)。由于 MOSFET（field effect transistor）、IGBT（insulated gate bipolar transistor）完全開通時間在幾十到幾百納秒，考慮到IGBT的通流耐壓能力比MOSFET好且其通態(tài)壓降低，本文通過仿真軟件PSPICE設(shè)計一種三極管電壓反向放大延時電路封裝開關(guān)模型來實現(xiàn)在功率、導通速度、恢復時間等開關(guān)性能與實際應用中選用的IGBT開關(guān)參數(shù)相對應，對磁壓縮電路起到很好的輔助作用。PSPICE自帶Model Editor功能屬性，根據(jù)磁性材料的物理特性參數(shù)，選用鐵基納米晶磁芯在Model Editor中創(chuàng)建磁開關(guān)模型并添加封裝庫，磁開關(guān)模型能夠很好地模擬 MPC（magnetic pulse compression）在實際應用中電壓電流逐級壓縮的工作狀態(tài)。

1 磁壓縮脈沖發(fā)生器原理

本研究所設(shè)計的磁壓縮脈沖發(fā)生器主要由充電系統(tǒng)、中間儲能、磁開關(guān)SI與升壓變壓器ST組成。磁壓縮脈沖發(fā)生器工作原理如圖1所示。圖中：T1為常開開關(guān)；T2為IGBT開關(guān)；LOAD為負載。

圖1 磁壓縮脈沖發(fā)生器Fig.1 Magnetic compression pulse generator

該發(fā)生器產(chǎn)生脈沖的過程如下：直流系統(tǒng)中，高壓直流電源輸出1 kV電壓給電容C1充電，磁開關(guān)SI1初始化到負的飽和磁通量密度處，當C1兩端電壓開始上升時，SI1兩端電壓也開始上升，磁芯內(nèi)的磁感應強度隨之增加。由于SI1未飽和，其有很大阻抗，此時等效為斷路，因此C2上的電壓幾乎不變，維持在0，SI1中電流也近似為0，SI1兩端承受的電壓近似等于C1上的電壓并滿足伏秒積平衡方程式。當C1兩端電壓達到最大值時，SI1磁芯內(nèi)部的磁通量密度達到正的飽和處，磁芯相對磁導率急劇下降，SI1的阻抗瞬間減小飽和開通，等效為短路，此時存儲在C1的能量開始向C2傳送。SI1起到磁輔助功能，使開關(guān)T2零電壓開通零電流關(guān)斷，消除電壓與電流的重疊區(qū)，開關(guān)損耗降到最小。SI1材質(zhì)是MnZn鐵氧體，直流工作狀態(tài)下MnZn鐵氧體除了有良好的電磁特性，還有良好的直流疊加特性，疊加直流偏置下，鐵芯的可逆磁導率下降幅度小。當電荷量從C1全部轉(zhuǎn)移到C2的瞬間，磁開關(guān)SI2飽和導通，形成C2-SI2-C3諧振放電回路。同理，當電荷量從C2全部轉(zhuǎn)移到C3的瞬間，SI3飽和導通，C3對負載放電，最終在負載上面輸出一個高壓脈沖。磁開關(guān)實際是纏繞在可飽和磁芯上的繞組，利用磁性材料的非線性特性，磁開關(guān)的感抗隨著相對磁導率的變化而急劇下降，飽和磁導率比未飽和時小數(shù)個量級。正是磁開關(guān)這一特性使得儲能元件儲存的能量在短時間內(nèi)得到釋放，從而達到脈沖壓縮的目的[7-11]。本文選用的磁開關(guān)材質(zhì)是鐵基納米晶磁芯，納米晶磁芯的磁導率、矯頑力Hc接近晶態(tài)高坡莫合金和鈷基非晶，是一種高性能的軟磁材料。雖然納米晶磁芯的剩余磁感低于鐵基非晶和硅鋼，但其在高磁感下具有更低的高頻損耗，且耐腐蝕性和磁穩(wěn)定性更好。納米晶磁芯與MnZn鐵氧體相比，工作頻率低于50 kHz時，在更低損耗基礎(chǔ)上具有高出鐵氧體2～3倍的工作磁感。

2 IGBT開關(guān)特性測試實驗及PSPICE模型

T2開關(guān)控制磁壓縮脈沖發(fā)生器的工作頻率，由于磁開關(guān)的開關(guān)狀態(tài)由其承受的伏秒數(shù)決定，觸發(fā)信號脈寬、周期和相位隨著電壓幅值的變化而變化。圖2所示為IGBT開關(guān)特性測試電路，研究了柵極驅(qū)動信號電壓和集電極電阻R1對IGBT開通關(guān)斷速度的影響，實驗所選用IGBT型號為IXYH50N120C3D1，確定此型號下IGBT參數(shù)及開關(guān)特性。

圖2 IGBT 開關(guān)特性測試電路Fig.2 IGBT switching characteristic of the test circuit

電容C1充滿電后，IGBT柵極施加驅(qū)動信號，IGBT開通，C1經(jīng)電阻R1、IGBT形成放電回路。柵極電阻設(shè)定在10Ω，由于柵極電阻過小可以增大開關(guān)速度，降低開關(guān)損耗，避免因dV/dt的誤導通。缺點是電路中雜散電感的存在容易導致IGBT上產(chǎn)生電壓尖峰，柵極承受噪聲能力減弱，進而出現(xiàn)寄生震蕩，甚至過壓擊穿。電阻過大，充放電速度削弱，開通時間開關(guān)損耗增大。

柵極電阻R2不變的情況下，電源電壓V1設(shè)定在170V，高壓探頭放在IGBT的C極，集射極電壓VCE如圖3所示。隨著驅(qū)動信號電壓V2的增大，IGBT的開通速度越來越快，即dVCE/dt越來越大，但dVCE/dt增大得越來越慢。V2幅值在10V時，開通速度最慢且拖尾嚴重；在20V時，開通速度最快，加入反向穩(wěn)壓管起到鉗位保護的作用。實驗中發(fā)現(xiàn)驅(qū)動信號電壓V2的改變對IGBT的關(guān)斷速度幾乎沒有影響，即改變V2，電壓變化率dVCE/dt仍保持一致。

圖3 V2 對 IGBT 開通速度的影響Fig.3 Influence of V2 on the opening speed of IGBT

驅(qū)動信號電壓15 V、R2不變的情況下，選取3種電阻，R1為 10 Ω，5 kΩ和 100 kΩ，分別測出IGBT集射極電壓在3種電阻下的變化情況。對dVCE/dt即開關(guān)速度進行比較，如圖4所示。3種電阻下取每條曲線下降沿中間一段，計算出每條曲線下降沿的電壓變化率dVCE/dt約為-0.625 V/ns，得出集電極電阻對IGBT的開通速度幾乎沒有影響。

圖4 R1 對 IGBT 開通速度的影響Fig.4 Influence of R1 on the opening speed of IGBT

但在實驗中觀察到R1的變化影響IGBT關(guān)斷速度，主要因為IGBT存在寄生電容，包括等效輸入電容Cies、等效輸出電容Coes、轉(zhuǎn)移電容Cres。其中：Cies=Cgc+Cge；Coes=Cgc+Cce；Cres=Cgc（Cgc表示柵極、集電極間寄生電容；Cge表示柵極、發(fā)射極間寄生電容；Cce表示集電極、發(fā)射極間寄生電容）。尤其是Coes，在R1較大，集電極電流較小時，影響最大，即R1越大，IGBT的關(guān)斷速度越慢。實驗中所選探頭型號為PMK PHV 641-L，示波器是Tektronix公司的MSO3000-DPO3000。

在IGBT開關(guān)特性和磁壓縮脈沖發(fā)生器實驗中選用的IGBT型號均為IXYH50N120C3D1，由于PSPICE元件庫中沒有實驗中所選用的IGBT型號，故仿真中設(shè)計了常規(guī)型號IGBT驅(qū)動厚基區(qū)高壓4H-SiC BJT的開關(guān)電路來實現(xiàn)與實驗中選用的IGBT開關(guān)參數(shù)的對應，實現(xiàn)功率、導通速度、恢復時間等開關(guān)性能與實際工作保持一致，與SI1起到磁輔助軟開關(guān)的作用，并對此開關(guān)電路封裝，取名為L_BJT_IGBT，如圖5所示。圖中：NET代表網(wǎng)絡(luò)端口；L0為電感；TD為開關(guān)延遲時間；TR為信號上升時間；TF為信號下降時間；PW為半峰寬；PER為驅(qū)動信號的周期。

圖5 開關(guān)電路 L_BJT_IGBTFig.5 Switching circuit L_BJT_IGBT

矩形框中選用10 nH的電感、BJT（三極管）、IGBT。電源電壓V1設(shè)定在170 V，和前面測得的IGBT開關(guān)特性實驗電源電壓保持一致，限流電阻R1對開關(guān)模塊開通速度沒有影響（圖4已驗證）。工作中首先V1經(jīng)過R1對C1充電，開關(guān)延遲時間TD=0.7 μs時，在IGBT柵極施加一個驅(qū)動信號，進而IGBT驅(qū)動BJT開通，形成一個L-C振蕩回路。TD設(shè)為0.7 μs，開關(guān)延遲時間小于磁壓縮脈沖發(fā)生器中SI1飽和開通時間1.5 μs，通過MPC仿真結(jié)果便于觀察SI1是否起到磁輔助的功能。工作頻率設(shè)定在500 Hz，傳統(tǒng)大功率Si BJT只能承受幾百伏電壓，4H-SiC BJT是PNPN四層半導體結(jié)構(gòu)，內(nèi)部由多個元包單元并聯(lián)而成[12]。SiC材料比Si材料多一個數(shù)量級的臨界電壓擊穿電場，SiC半導體開關(guān)關(guān)斷漂移層比Si器件更薄且摻雜濃度更高，使得SiC半導體比傳統(tǒng)Si器件導通電阻更低，具有更高的載流子飽和密度，可以承受一千多伏甚至更高電壓，具備更高的工作頻率、工作溫度。開關(guān)模塊L_BJT_IGBT框圖內(nèi)部IGBT的輸入信號在基極和發(fā)射極之間，輸出信號則取自集電極和發(fā)射極之間，相當于一個三極管電壓反向放大延時電路，電流增益和通態(tài)壓降均能達到最小，在降低開關(guān)損耗的同時提高了開通速度。

用PSPICE建立L_BJT_IGBT模型，添加到庫中以備用。首先在PSPICE中點擊Create Netlist生成網(wǎng)絡(luò)表，View Netlist，在桌面新建一個記事本，將網(wǎng)絡(luò)表語句復制到其中，格式改為.lib格式。然后在Model Editor中打開，把網(wǎng)絡(luò)表中的語句修改成子電路描述的標準格式，保存為以.subckt作為起始語句，以.ends作為結(jié)束語句的.mod文件，其中.subckt和.ends之間的語句是器件的連接方式和屬性[13]。L_BJT_IGBT模型封裝庫語句編寫如下：

.subckt L_BJT_IGBT IN OUT

L_L0 IN NET1 10 nH

Q_BJT OUT NET2 NET1 4H-SiC BJT

Z_IGBT NET2 NET3 OUT CM300HA-24H

V_V2 NET3 OUT+PULSE 0 20 v 0.7 us 1 ns 1 ns 1 ms 2 ms

.ends L_BJT_IGBT

CM300HA-24H是PSPICE元件庫中自帶的常規(guī)型號IGBT，L_BJT_IGBT封裝開關(guān)模型電路如圖6所示。將.lib文件導出為.olb文件，仿真時將.lib文件導入 PSPICE的 Simulation Settings中，選擇configuration file，點擊 Addas Global按鈕，將其添加為全局庫。

圖6 L_BJT_IGBT 模型電路Fig.6 Test circuit of L_BJT_IGBT model

3 磁開關(guān)的PSPICE模型

3.1 磁滯回線

環(huán)形磁芯繞制而成的磁開關(guān)通常要求磁芯材料滿足如下條件[4,14]：磁開關(guān)的非線性電感需有良好的開關(guān)特性，即其鐵心材料應具有很好的矩形系數(shù)，即矯頑力Hc要盡量小，矩形比（剩磁比）Br/Bs越接近于1越好。Br為剩余磁感應強度，Bs為飽和磁感應強度。

圖7所示磁滯回線表示磁性材料的特性是磁性開關(guān)的基礎(chǔ)[15]，在曲線每一側(cè)飽和點P和Q附近。磁性材料的相對磁導率的曲線斜率變化很大，根據(jù)式（1），可以看出繞組的感抗急劇減小。若分別以μu，μs表示磁飽和前后磁芯的相對磁導率，以Lu，Ls表示磁飽和前后磁芯的電感量，顯然μu＞ ＞μs，故有Lu＞ ＞Ls，亦即磁芯在磁飽和前后其電感量會發(fā)生幾個數(shù)量級的銳減。

圖7 鐵磁材料的磁滯回線Fig.7 Hysteresis loop of ferromagnetic material

式中：LMS為鐵磁材料的電感；μ0，μr分別表示真空和磁性材料的磁導率；δ為磁開關(guān)的占空比；N為繞組的匝數(shù)；H，Dout，Din分別表示磁開關(guān)的高度、外徑和內(nèi)徑。通常μ0=4π×10-7。

根據(jù)磁開關(guān)的伏秒積平衡方程式可知，電感兩端承受的電壓對時間的積分始終和繞組匝數(shù)、磁芯截面積磁通密度變化量三者的乘積保持相等。因此，當電感所承受的伏秒積增大到一定值時，磁通密度不斷增大，磁芯工作點進入B-H曲線的飽和段?？梢?，通過控制電感兩端的伏秒積就可以控制電感的飽和與否。

式中：V（t）為磁開關(guān)兩端電壓；ΔB為磁通密度變化量；Am為磁開關(guān)的橫截面積。

3.2 磁開關(guān)用PSPICE建模

對磁壓縮電路進行PSPICE仿真驗證，仿真中SI1，SI2和SI3參數(shù)與MPC在實際應用中保持一致，SI2和SI3選用同型號磁芯繞組。SI1和SI2（SI3）的外徑、內(nèi)徑、高度尺寸分別為64，40，25 mm 和66，40，26 mm。表1、表2分別為MnZn鐵氧體磁開關(guān)和鐵基納米晶磁開關(guān)參數(shù)。表中：l為磁路長度；Am為磁芯橫截面積；g為磁芯間隙。

表1 SI1 參數(shù)Tab.1 SI1 parameters

表2 SI2（SI3）參數(shù)Tab.2 SI2（SI3）parameters

由于 PSPICE軟件中自帶有 Model Editor功能，利用其創(chuàng)建磁開關(guān)模型，選擇Magnetic Core，考慮到磁芯繞組非線性，故選擇Nonlinear Ferrite，把鐵芯磁性材料的參數(shù)輸入到Model Editor中。保存后將.lib文件導出為.olb文件，添加到PSPICE庫。選中常規(guī)的電感元件圖標，打開其屬性設(shè)置將生成的.olb文件添置到Implementation Path，電感的參數(shù)Value表示磁開關(guān)的匝數(shù)。仿真時再將.lib文件導入PSPICE的Simulation Settings中，選擇configuration file，點擊 Add as Global按鈕，將其添加為全局庫。若創(chuàng)建快前沿變壓器型磁壓縮開關(guān)，選擇Breakout庫中帶鐵芯式XFRM_NONLINEAR，添置庫方式同上。

4 磁壓縮脈沖發(fā)生器仿真

圖8所示創(chuàng)建的開關(guān)模型U1應用到磁壓縮脈沖發(fā)生器的仿真電路中，發(fā)生器工作頻率控制在500 Hz。圖中，I1，I2為電流?？紤]到磁開關(guān)中勵磁電流由零開始線性增長，省掉磁芯復位電路，勵磁電流將在本周期結(jié)束的剩余值基礎(chǔ)上累積增加，從而導致磁開關(guān)勵磁電感飽和。勵磁電感飽和后勵磁電流迅速增長，最終損壞電路中的開關(guān)元件。采用直流復位電路清理磁芯內(nèi)的剩磁，如圖8虛線框圖所示，保證重頻工作狀態(tài)下每個周期輸出脈沖幅值相等。仿真磁開關(guān)模型為理想元器件，實際應用中磁通量在通過納米晶磁芯構(gòu)成的磁路時有一部分漏入空氣，在空氣中形成閉合磁路從而產(chǎn)生漏磁。漏感的存在，當開關(guān)器件截止瞬間會產(chǎn)生反電動勢易過壓擊穿開關(guān)器件；漏感還可以與電路中的分布電容構(gòu)成振蕩回路，產(chǎn)生振蕩并向外輻射電磁能量，造成電磁干擾。繞組系數(shù)正比于漏感，對于簡單的一次繞組和二次繞組取3，如果二次繞組與一次繞組交錯繞制取0.85。繞組匝數(shù)的二次方正比于漏感，匝數(shù)控制在最少，繞組越寬越有利于減小漏感。變壓器PT繞組比值為 5∶50，電容C1設(shè)置為 2 μF，根據(jù)式（3），計算得出C2為 20 nF。

圖8 磁壓縮脈沖發(fā)生器仿真圖Fig.8 Simulation diagram of the magnetic compression pulse generator

式中，n為PT的繞組比值，且C2=C3，進而得出C3取值亦為 20 nF。

SI1飽和開通時間為1.5 μs，根據(jù)磁開關(guān)的伏秒積平衡方程式（3）計算出SI1在使用一個鐵芯時需要繞組6匝。為了保證C2，C3足夠的充電時間，SI2，SI3飽和時間分別設(shè)置為 1.2，0.8 μs。同理，計算出SI2在使用2個磁芯時需要繞組7匝，SI3在使用1個磁芯時需要繞組9匝。仿真中采用L1，L2模擬實際電路中可能存在的雜散電感，電感量分別設(shè)置為 100 nH，1 μH。

圖9（a）所示為磁壓縮脈沖發(fā)生器模擬實際工作過程中C1，C2，C3，LOAD和U1上電壓波形，封裝開關(guān)模型U1控制在0.7 μs時開通，此刻降為 0。時延 0.8 μs，在 1.5 μs時 SI1飽和開通C1開始對C2放電，通過這3條曲線可以看出SI1對開關(guān)U1起到磁輔助軟開關(guān)的功能，實現(xiàn)了零電壓開通零電流關(guān)斷。C2充電時間為1.2 μs，即在 2.7 μs時C2電壓達到幅值 9 kV，此時SI2飽和開通C2對C3放電，C3充電時間為0.8 μs，即在 3.5 μs時C3電壓達到幅值，此刻SI3飽和開通對負載放電。由仿真結(jié)果可以看出各級電容的充放電時間與設(shè)置的SI1，SI2和SI3飽和開通時間基本一致。經(jīng)過兩級快前沿變壓器充電型磁壓縮器的壓縮，C2，C3和LOAD上得到的脈沖電壓的上升沿逐級陡化，最終在50 Ω純電阻性負載上輸出一個上升沿90 ns、幅值8.5 kV的高壓窄脈沖，前沿壓縮倍數(shù)為6.4，預脈沖約為0.3 kV。預脈沖電壓產(chǎn)生的原因主要是傳輸線與開關(guān)及負載之間的電容耦合，約為主脈沖電壓的2%～4%。電容C2放電結(jié)束之后，其兩端電壓沒有降為0，這可能是由于PSPICE仿真計算中L2的感應電勢導致，仿真中發(fā)現(xiàn)調(diào)節(jié)L2，情況會有所改善。脈沖下降沿主要受電阻阻值大小的影響，通過調(diào)節(jié)阻值來改變脈沖的下降沿。仿真輸出電壓低于10 kV是由于PSPIC軟件本身在計算中各個元器件上存在損耗。

圖9 仿真波形圖Fig.9 Simulation waveform diagram

5 結(jié) 論

設(shè)計了一種能夠應用于水中放電，輸出快前沿納秒級高壓窄脈沖的兩級磁壓縮脈沖發(fā)生器，磁開關(guān)快恢復、高功率、高耐壓、穩(wěn)定性好的特性對輸出脈沖上升沿的陡化有著重要的作用，論述了漏感對磁壓縮發(fā)生器的影響及減小漏感的方法，并介紹了一種直流復位電路清理剩磁。通過PSPICE仿真軟件設(shè)計一種三極管電壓反向放大延時電路封裝開關(guān)模型來實現(xiàn)在功率、導通速度、恢復時間等開關(guān)性能與實際選用IGBT開關(guān)參數(shù)相對應，對磁壓縮電路起到很好的輔助作用。PSPICE元件庫本身沒有磁開關(guān)模型和封裝開關(guān)模型，本文創(chuàng)建的磁開關(guān)模型很好地模擬了MPC在水中放電、介質(zhì)阻擋放電等應用中電壓電流逐級壓縮的工作狀態(tài)。