方波直线变压器驱动源模块设计

摘要

直线变压器驱动源(Linear Transformer Driver,LTD)技术是一种较新型的脉冲功率技术,其主要技术特征包括并联LC放电组以及感应电压叠加(Inductive Voltage Adder,IVA)技术,并联LC放电组可以降低电路的等效电感,IVA技术是一种将驱动模块电压串联升压并可将高压限制于某个较小区域以获得较高电场梯度的电压叠加技术.较低的等效电感使得直线变压器驱动源无需依靠脉冲压缩而直接获得快脉冲,IVA技术使得模块串联形成的高压被局限于次级腔内,基于LTD技术的脉冲功率装置近期得到了广泛的发展.传统的并联LC放电组LTD技术的输出波形为衰减的正弦振荡,并不适合于闪光照相、Z-pinch、高功率微波等应用,这些应用要求的最佳脉冲波形应该具有快的斜上升沿和一定时间长度的平顶.本文基于Fourier级数展开,设计了一种较为新颖的LTD装置,将原有并联LC放电组中的部分支路替换为高次谐波支路,利用基波与高次谐波叠加输出方波脉冲.使用Kirchhoff定律导出并联LC放电组的电流方程,理论证明了短路放电基波电流与各高次谐波电流之和为该电流方程的严格解析解,数值模拟证实了设计的合理性;讨论了谐波数对输出波形的影响,不同谐波支路开关火花通道电阻变化规律以及其对输出波形的影响;讨论了开关抖动对输出波形的影响.分析表明:随着谐波数的增加,输出波形越接近理想方波,但同时过多的支路会导致模块的复杂性大幅上升;谐波支路电容量随谐波数的增加而减小,开关火花通道电阻随谐波支路电容量减小而上升;随着开关抖动的增加,输出波形变差,电流上升时间增长,平项时间减小甚至消失,不同发次的输出波形差异变大.