脉冲功率系统中有源复位电路的研究

摘要

脉冲变压器在脉冲功率技术领域中起着重要的作用。它不仅可以转换脉冲的幅值和极性，还可以作为功率合成及变换元件。但是在脉冲功率系统中，磁芯的体积不易过大，一方面磁芯材料的成本较高，另一方面会影响装置的输出性能。为了提高磁芯的利用效率，最有效的方法就是复位。发展至今，应用最广泛的是脉冲复位和直流复位，脉冲复位是利用储能电容的放电电流去磁，直流复位是在磁芯的外接第三绕组上通一路直流电流完成复位。但是它们都需要额外提供巨额能量，另外脉冲过后磁芯中剩余的能量需要通过吸收电路耗散掉，降低了系统的能量利用效率。采用有源复位电路不仅可以实现磁芯的复位，还能够回收脉冲过后磁芯中剩余的能量，提高系统的能量利用效率，有利于系统的紧凑化设计。 本文首先介绍了脉冲功率系统中磁芯复位技术的研究现状，分析了其中存在的关键问题。在变压器耦合的升压电路中，对脉冲变压器的前沿响应特性、磁滞效应和磁芯的复位原理进行了介绍。 其次详细分析了有源复位电路的工作原理，推导出了一个脉冲周期不同阶段的解析方程。在仿真软件中搭建拓扑电路，完成多个周期的仿真，并分析了不同参量对仿真结果的影响。在此基础上，设计了一个输出脉冲为80V/1.6A的实验电路，完成了驱动电路的测试和带/不带复位电路的脉冲放电实验，通过对比磁芯饱和时间的变化，证实了有源复位电路能够实现磁芯的复位。 最后，介绍了直线型变压器驱动源（LTD）的工作原理及传统复位方式存在的关键问题。建立了基于有源复位原理的LTD 拓扑电路，利用等效电路分析了一个脉冲周期不同阶段的工作原理。通过对该电路多个周期的仿真，验证了理论的可行性。完成了 LTD 电路的实验，证实了该复位电路能够完成不同模块中磁芯的复位。此外还分析了脉冲宽度、脉冲电压和复位时间对磁芯复位效果的影响。

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