20GW低阻负载电感储能功率调节装置研究-强激光与粒子束.PDF

第16 卷 第2 期 强 激 光 与 粒 子 束 Vol. 16 ，No. 2 2004 年2 月 HIGH POWER LASER AND PARTICLE BEAMS Feb. ，2004 文章编号：1001-4322（2004 ）02-0223-04 20GW 低阻负载电感储能功率调节装置研究* 郝世荣， 韩文辉， 王敏华， 张南川， 谢卫平， 戴英敏， 刘 伟 （中国工程物理研究院流体物理研究所，四川 绵阳621900 ） 摘 要： 对电感储能/ 电爆炸丝断路开关功率调节系统进行了数值模拟，研制了输出峰值功率大于 20GW 的小型化低阻负载电感储能/ 电爆丝断路开关功率调节装置。实验结果表明：以电容器作为初始能源， 在6 ～ 10Ω 电阻负载上输出脉冲电压大于400kV 、脉冲电流50 ～ 60kA ，峰值功率大于20GW ，能量转换效率大于 30% 。 关键词： 电感储能； 功率调节； 断路开关；峰值功率 中图分类号：TN245 文献标识码：A 由于电感储能密度比电容储能高几十倍，在脉冲功率源装置体积一定的条件下，采用电感储能能输出比电 容储能更高的能量。在输出能量要求一定时，更易于实现系统的小型化。采用电感储能必须解决断路开关技 术，这是一项关键技术。根据国内外研究情况表明：电爆炸丝断路开关具有结构简单、操作方便、造价低、技术 相对成熟及易于直接与低阻负载匹配等优点，其缺点是要消耗系统的能量。据资料［1］表明，在高功率微波技 术研究中，美国德克萨斯技术大学采用的是爆磁压缩发生器经电爆炸丝断路开关功率调节系统驱动磁绝缘线 振荡器（MILO ）的技术途径，因此对电爆炸丝断路开关仍在进行大量研究［2 ～ 4 ］。本文所述的电感储能功率调节 装置中也采用电爆炸丝断路开关。 在高阻抗（60 ～ 80Ω ）负载情况下，对电感储能/ 电爆炸丝断路开关功率调节技术已进行了很多研究［5 ～ 7 ］。 研制出的脉冲功率调节装置在以电容器或爆炸磁压缩发生器作为初始能源时，可为微波器件提供500 ～ 700kV 脉冲电压，近10kA 的脉冲电流，前沿小于100ns ，半脉宽大于100ns ，峰值功率5 ～ 6GW ，能量传输效率分别约 15% 或小于10 % 。但是，随着微波输出功率的提高及系统小型化的发展，对脉冲功率调节系统提出了更高的 要求，即要求输出功率要高、体积要小。为此，采用降低负载阻抗、增大负载电流、适当降低输出电压的方法，优 化电爆炸丝断路开关参数，使丝开关与负载之间更好匹配。研制出了一套φ1 0 . 4m 的小型化低阻抗负载电感 储能功率调节装置。 1 电路组成及工作原理 电感储能/ 电爆炸丝断路开关功率调节系统主要由储 能电感、电爆炸丝断路开关和隔离间隙三部分组成。图1 所示为等效电路图。其中，S1 和S2 分别为触发闭合开关 和自击穿隔离间隙开关，L 为储能电感，R 为回路电阻，EE- OS 为电爆炸丝断路开关。 该系统的工作原理是：当初始能源（脉冲电容器或爆 炸磁压缩发生器）开始工作时，脉冲大电流通过储能电感， Fig. 1 Equevalent circuit 流过金属丝，金属丝被加热，发生一系列热物理过程，包括 图1 等效电路 固态加热、熔化、液态加热、汽化及复杂的电爆炸等过程。随着金属丝加热状态的变化，电阻率不断增加。当金 属丝发生电爆炸时，电阻率产生突变性的增加，可增加几百倍。正是由于电阻率的突然增大，引起储能电感中 电流剧烈变化，根据VL = Ldi/ dt ，电感上产生数百kV 的脉冲高压。此时，由于电容器的电场能已转换为电感中 的磁场能，且金属丝电爆炸过程很短，故电容器电压可忽略不计，所以该脉冲高压加到电爆炸丝开关上，引起隔 离间隙S2 导通，电感L 中的磁场能快速转换成电能，以高功率脉冲形式输送给负载。此处隔离间隙开关 * 收稿日期：2003-09-27 ； 修订日期：2003-11-27 基金项目：国家863 计划项目资助课题 作者简介：郝世荣（1969—），