基于多针电晕稳定开关Marx发生器特性

邱 云

（西南交通大学 希望学院，四川 南充 637900）

0 引言

本文是在对单针电晕稳定开关的导通时延和抖动性能研究基础上[1]，利用针板多针电晕稳定开关作为Marx发生器开关元件，实验研究其在高能量和高脉冲输出幅值运行时的稳定性，为进一步探索其重复频率实验研究打下基础。为此，设计了一套三针触发和三套六针自触发电晕稳定开关，搭建了一台四级Marx发生器，对发生器在单次运行下的稳定性进行了实验研究，并将其和等效电路模拟结果进行了比较。

1 实验装置

搭建的四级全电感隔离型Marx发生器实验原理如图1。采用正极性恒流充电方式，电源输出电压最高可达～50kV，触发信号由正负100kV脉冲触发源（触发脉冲上升沿为100ns）提供。触发源通过隔离电容Ct给触发开关S1一个触发信号。开关S1导通后，自击穿开关S2、S3、S4先后依次击穿对负载R输出脉冲能量。其中Ct为1.1nF/50kV陶瓷高压电容器，C0为12.5nF/50kV的塑壳陶瓷高压电容器，充电电感Lc和隔离电感L0都为200uH，引入Lc目的在于当开关S1瞬间导通时对电源的保护。负载上输出电压测量是通过高压探头与示波器（Lecroy 6100A）测得，根据需要试验中用到的探头分别为Tek P6015A和分压比为5000倍的电阻分压器。

图1 四级Marx发生器实验线路图

2 实验结果及分析

实验目的在于检验不同负载下发生器运行的稳定性、输出脉冲波形特征以及检验开关的通流能力等。在多次调试后，发现开关腔体内充入一定量SF6气体混合后工作比较稳定。以下实验均在充电30kV，脉冲能量达到22J时测得。模拟时充分考虑储能电容、开关各种杂散参数，用等效电路进行了模拟，下面是负载分别为1Ω、5Ω、50Ω、100Ω和300Ω的Pspice模拟与实验结果，如图2和表1所示。

图2 当负载为1Ω时实验与模拟波形

表1 不同负载下脉冲前沿和电压输出模拟与实验结果

图2（a）和（b）是在负载为1Ω时的实验波形与模拟结果（模拟时线路建立电感值为935.7nH），实验波形测得周期为367ns，比近似模拟值350ns稍大。当回路中电阻小到可忽略时，回路实际建立电流表达式近似为

将发生器建立电容 Cm=3.125nF，T=367ns代入（2）式，可近似得到回路中实际电感值Lm=1092nH，大小比模拟采用理论值大但较接近，说明电路模型很好反映了发生器运行过程。图3（a）比（b）衰减快，反映了实际线路中电阻要高于1Ω。

表1中值反映了在脉冲前沿与电压输出幅值方面的实验与模拟值，其中脉冲前沿与模拟差别较大，而脉冲幅值比较接近，这可以从图3（实验波形采用分压比为5000的高压探头测得）中反映出来。脉冲前沿较大差异原因在于两点:一是回路中建立电感实际要大于模拟时取值，二是开关针板间隙比较大，导通时延在30～40ns[1]范围内，导致了发生器脉冲前沿比模拟值大（没有考虑开关导通时延）。另外，表1负载为5Ω时，与其它负载值脉冲前实验结果变化趋势不一致，且测量到波形震荡比较大，稳定性不如较高负载。此时回路中电流峰值达到6kA，远大于2kA(目前国外报道电晕稳定开关稳定工作电流也即是2kA[3])。这种小幅的抖动跟电晕稳定开关电极的加热和烧蚀、电晕的活动有关。

图3 当负载为100Ω时实验与模拟波形

3 总结

本文搭建了一台四级多针电晕稳定Marx发生器，首先对各个元件在等效处理后进行了Pspice模拟，将模拟结果与实验结果进行比较，得到了比较一致的结论:在充电电压为30kV、脉冲能量达到22J、峰值电流小于0.5kA时，4级Marx发生器能够稳定运行。进一步的工作是开展重复频率实验，研究电晕稳定开关对提高发生器的运行频率方面的性能。

［1］邱云,金晓,宋法伦,等.针板型触发电晕稳定开关的特性[J].强激光与粒子束,2011,1(23):244-248.

［2］P.Sarkar,B.M.Novac,I.R.Smith etc..A high-repetition rate closing switch for EPM application[J].IEEE Pulsed Power Conference Digests of Technical Papers,2007:97-100.