磁开关脉冲压缩系统的设计与仿真实验研究

摘要

高电压、高重复频率脉冲的陡化对开关要求很高，而传统的放电开关很难满足高陡度脉冲的要求。磁开关脉冲压缩技术能有效地陡化和压缩脉冲，克服大功率开关性能的不足给脉冲功率系统带来的限制。本论文基于新型免磁芯复位电路的磁开关脉冲压缩拓扑设计了单级磁开关脉冲压缩系统。 选用IGBT作为单级磁开关脉冲压缩系统的控制开关，并基于集成驱动模块EXB841设计了IGBT驱动电路，利用RS触发器设计了IGBT保护电路。基于非线性磁芯绕组的伏秒积方程，选择铁基纳米晶合金和铁氧体材料分别作为可饱和脉冲变压器和磁开关磁芯，并确定其绕组匝数。深入研究了可饱和脉冲变压器和磁开关的工作过程，给出该过程详细的数学推导，得出回路方程，并通过Laplace变换及其反变换得到回路中的电压及电流方程。通过分析得到脉冲压缩系统稳定工作时，磁开关MS必须满足的条件并对此提出了两种解决方法。此外基于可饱和脉冲变压器初级绕组绕线中流过的电流设计了磁芯绕组的线径。 利用Pspicc仿真软件对设计的单级磁开关脉冲压缩系统进行了仿真，并通过仿真分析得到系统元件参数的变化对脉冲输出变化影响很大，即设计磁开关脉冲压缩系统时需要增强系统元件参数的稳定性。 以上研究为磁开关脉冲压缩系统的设计提供了理论支持。 设计的单级磁开关脉冲压缩系统，在储能电容初始充电电压为—250V，负载为20Ω的模拟电阻时，得到负载脉冲峰值电压约为—5.5kV，脉冲前沿约为100ns。可饱和脉冲变压器和磁开关磁芯的饱和时间分别为47μs和1.4μs。 实验和仿真结果表明，设计的单级磁开关脉冲压缩系统满足预期指标。

目录

文摘

英文文摘

声明

1 绪论

1.1 脉冲功率技术现状及其发展趋势

1.2磁开关在脉冲功率技术中的应用

1.3 本课题的主要研究工作

2磁开关脉冲压缩系统的整体设计

2.1 磁开关脉冲压缩系统的基本原理

2.2单级磁开关脉冲压缩系统的整体设计

2.2.1主拓扑的设计

2.2.2充电系统的设计

2.3 小结

3控制开关的设计

3.1 IGBT的特性

3.2 IGBT的驱动与保护电路

3.2.1 IGBT驱动电路设计

3.2.2 IGBT保护电路设计

3.2.3 PWM波的产生

3.3小结

4可饱和脉冲变压器和磁开关的设计

4.1脉冲变压器的设计

4.1.1脉冲变压器磁芯的选择

4.1.2脉冲变压器PT的设计

4.1.3 可饱和脉冲变压器PT绕组设计

4.2磁开关的设计

4.2.1 电容C0给电容C1和C2充电过程分析

4.2.2 电容C1电压倒向过程分析

4.2.3磁开关MS的设计

4.3 小结

5系统的仿真实验研究及元件参数变化分析

5.1控制开关IGBT的测试

5.1.1产生PWM信号实验

5.1.2 IGBT驱动测试实验

5.2磁开关脉冲压缩系统仿真和实验分析

5.2.1 Pspice介绍

5.2.2系统仿真和实验分析

5.2.3系统元件参数变化分析与仿真研究

5.3 小结

结 论

参考文献

附录

攻读硕士学位期间发表学术论文情况

致谢