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隨著高電壓新技術(shù)的興起，脈沖功率技術(shù)及其應(yīng)用受到廣泛關(guān)注。高壓納秒脈沖發(fā)生器作為脈沖功率技術(shù)領(lǐng)域的一個(gè)重要分支，近年來應(yīng)用于高頻高壓電磁干擾模擬、生物醫(yī)療、新型材料研究等多個(gè)研究領(lǐng)域。

高壓重頻脈沖源目前大多通過采用脈沖變壓器或MarX發(fā)生器來實(shí)現(xiàn)。傳統(tǒng)脈沖變壓器與電容器組成諧振放電回路，在電磁諧振作用下得到高壓，但受鐵磁材料飽和的影響，輸出幅值頻率受限。MarX發(fā)生器構(gòu)成的脈沖裝置適合小型化、高重頻應(yīng)用場(chǎng)合，但大多結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜、成本較高，很難滿足輸出電壓的需求。

較傳統(tǒng)脈沖變壓器，空心特斯拉（Tesla）變壓器由于結(jié)構(gòu)無磁心，不存在鐵磁材料飽和與頻率限制的問題，具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、成本較低、高電壓比的優(yōu)點(diǎn)，更適合長(zhǎng)壽命、高重復(fù)頻率應(yīng)用的場(chǎng)合。

• 美國(guó)的J. L. Reed對(duì)特斯拉變壓器一次、二次回路阻尼引起的能量損耗進(jìn)行分析，并提出其結(jié)構(gòu)改進(jìn)方案。
• 俄羅斯大電流研究所提出將特斯拉變壓器與脈沖形成線一體化設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)，以提高其壽命和能量傳輸效率，實(shí)現(xiàn)便攜小型化。
• 中國(guó)工程物理研究院馬勛等總結(jié)了空心帶繞式特斯拉變壓器的系統(tǒng)效率問題，并采用帶磁心的脈沖變壓器改進(jìn)措施，成功研制出高耦合系數(shù)高功率帶繞式脈沖變壓器。
• 國(guó)防科技大學(xué)張?zhí)煅蟮葘?duì)特斯拉變壓器、主控晶閘管和諧振充電裝置進(jìn)行分析，成功研制出輸出電壓100kV、重復(fù)運(yùn)行頻率5Hz、能量利用率大于45%的緊湊型儲(chǔ)能裝置。
• 華中科技大學(xué)李黎等基于螺旋線型空心變壓器，研制出一套高壓納秒脈沖發(fā)生裝置，對(duì)變壓器的峰值電壓比、二次電壓、一次電流及其變化率等效率問題進(jìn)行了深入分析。

但其目前較低的運(yùn)行頻率限制了特斯拉變壓器在相關(guān)領(lǐng)域的應(yīng)用空間，且半導(dǎo)體等陡化開關(guān)帶來的較高成本不利于其在工業(yè)化方向的應(yīng)用。

鄭州大學(xué)、河南省輸配電裝備與電氣絕緣工程技術(shù)研究中心的研究人員，基于螺旋線型特斯拉變壓器、諧振充電回路和陡化回路設(shè)計(jì)了一種重頻納秒脈沖源。根據(jù)脈沖源的工作原理，對(duì)其諧振充電回路進(jìn)行公式推導(dǎo)，在螺旋線型特斯拉變壓器樣機(jī)的基礎(chǔ)上，總結(jié)出脈沖源脈沖形成的三個(gè)重要階段，對(duì)充電上升時(shí)間的影響因素、晶閘管工作關(guān)斷過程和流經(jīng)其中的電流峰值等進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究，討論提高變壓器諧振放電過程中的能量利用率的方法，探究失諧系數(shù)對(duì)脈沖源輸出性能的影響，并提出輸出性能最優(yōu)區(qū)間。

圖1 特斯拉型脈沖源實(shí)驗(yàn)原理示意圖

圖2 改進(jìn)后脈沖源樣機(jī)電路實(shí)物

研究人員最后得出結(jié)論如下：

1）針對(duì)特斯拉變壓器型脈沖源工作頻率過低和提升成本過高的問題，提出了一種提升脈沖源重頻工作能力的方法。將脈沖形成過程分為三個(gè)階段，分別進(jìn)行測(cè)試分析，進(jìn)而得到影響脈沖源頻率提升的主要因素，并針對(duì)其進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。

2）改變充電回路中電感和一次側(cè)電容參數(shù)，可以縮短充電時(shí)間；在分析晶閘管的關(guān)斷過程后，可進(jìn)一步壓縮脈沖源重頻工作時(shí)間；諧振放電時(shí)間是制約特斯拉型變壓器頻率提升的主要影響因素，通過改變電路結(jié)構(gòu)可縮短二次側(cè)輸出電壓的振蕩時(shí)間。

3）調(diào)節(jié)失諧系數(shù)至最優(yōu)區(qū)間，可優(yōu)化脈沖源的輸出電壓比和能量效率。在對(duì)三個(gè)工作階段采取優(yōu)化措施后，可大幅縮減脈沖源單次放電時(shí)間，實(shí)現(xiàn)特斯拉型脈沖源納秒脈沖重復(fù)頻率提升至1kHz。相較其他方式，可節(jié)約成本，為實(shí)際工程應(yīng)用提供參考。

以上研究成果發(fā)表在2020年第10期《電工技術(shù)學(xué)報(bào)》，論文標(biāo)題為“基于特斯拉變壓器的重頻脈沖源輸出特性分析及優(yōu)化”，作者為程顯、李泰煜、葛國(guó)偉、夏榮翔、袁曉東。