- 頭條提升特斯拉型脈沖源重頻工作能力的方法2021-08-05 作者：程顯 李泰煜 等 | 來源：《電工技術學報》 | 點擊率：導語特斯拉變壓器型脈沖源是國內外脈沖功率研究領域的熱點之一，由于其工作頻率較低，而提升成本過高，限制了其在脈沖功率等高新技術領域的應用。鄭州大學電氣工程學院、河南省輸配電裝備與電氣絕緣工程技術研究中心的研究人員程顯、李泰煜、葛國偉、夏榮翔、袁曉東，在2020年第10期《電工技術學報》上撰文，基于螺旋線型特斯拉變壓器的脈沖源樣機，提出一種提升特斯拉型脈沖源重頻工作能力的方法，分析該脈沖源脈沖形成過程，并將其分為充電電壓上升、晶閘管關斷和變壓器諧振放電三個階段，經過測試可知脈沖源變壓器諧振放電時間是影響其頻率提升的主要因素。 基于上述研究進行脈沖形成過程不同階段下的優化設計，調節外電路參數加快充電上升時間，分析晶閘管工作原理并對其關斷時間進行優化，改變電路結構縮短其諧振放電時間。調節失諧系數可有效地提高脈沖源的輸出電壓比和能量效率等關鍵性能指數，在保證穩定工作的前提下，通過優化電路結構和諧振放電時間加強了脈沖源重頻工作能力，最終可實現脈沖源為輸出電壓0～20kV，輸出電壓比123，能量效率64%，上升沿30ns，頻率0～1kHz可調的納秒脈沖發生裝置。進而促進后續特斯拉型脈沖源的結構緊湊化及其在實際工程中的應用。
隨著高電壓新技術的興起，脈沖功率技術及其應用受到廣泛關注。高壓納秒脈沖發生器作為脈沖功率技術領域的一個重要分支，近年來應用于高頻高壓電磁干擾模擬、生物醫療、新型材料研究等多個研究領域。
高壓重頻脈沖源目前大多通過采用脈沖變壓器或MarX發生器來實現。傳統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發生器構成的脈沖裝置適合小型化、高重頻應用場合，但大多結構較為復雜、成本較高，很難滿足輸出電壓的需求。
較傳統脈沖變壓器，空心特斯拉（Tesla）變壓器由于結構無磁心，不存在鐵磁材料飽和與頻率限制的問題，具有結構簡單、成本較低、高電壓比的優點，更適合長壽命、高重復頻率應用的場合。
- 美國的J. L. Reed對特斯拉變壓器一次、二次回路阻尼引起的能量損耗進行分析，并提出其結構改進方案。
- 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計結構，以提高其壽命和能量傳輸效率，實現便攜小型化。
- 中國工程物理研究院馬勛等總結了空心帶繞式特斯拉變壓器的系統效率問題，并采用帶磁心的脈沖變壓器改進措施，成功研制出高耦合系數高功率帶繞式脈沖變壓器。
- 國防科技大學張天洋等對特斯拉變壓器、主控晶閘管和諧振充電裝置進行分析，成功研制出輸出電壓100kV、重復運行頻率5Hz、能量利用率大于45%的緊湊型儲能裝置。
- 華中科技大學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生裝置，對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行了深入分析。
但其目前較低的運行頻率限制了特斯拉變壓器在相關領域的應用空間，且半導體等陡化開關帶來的較高成本不利于其在工業化方向的應用。
鄭州大學、河南省輸配電裝備與電氣絕緣工程技術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計了一種重頻納秒脈沖源。根據脈沖源的工作原理，對其諧振充電回路進行公式推導，在螺旋線型特斯拉變壓器樣機的基礎上，總結出脈沖源脈沖形成的三個重要階段，對充電上升時間的影響因素、晶閘管工作關斷過程和流經其中的電流峰值等進行了實驗研究，討論提高變壓器諧振放電過程中的能量利用率的方法，探究失諧系數對脈沖源輸出性能的影響，并提出輸出性能最優區間。
圖1 特斯拉型脈沖源實驗原理示意圖
圖2 改進后脈沖源樣機電路實物
研究人員最后得出結論如下：
1）針對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階段，分別進行測試分析，進而得到影響脈沖源頻率提升的主要因素，并針對其進行優化設計。
2）改變充電回路中電感和一次側電容參數，可以縮短充電時間；在分析晶閘管的關斷過程后，可進一步壓縮脈沖源重頻工作時間；諧振放電時間是制約特斯拉型變壓器頻率提升的主要影響因素，通過改變電路結構可縮短二次側輸出電壓的振蕩時間。
3）調節失諧系數至最優區間，可優化脈沖源的輸出電壓比和能量效率。在對三個工作階段采取優化措施后，可大幅縮減脈沖源單次放電時間，實現特斯拉型脈沖源納秒脈沖重復頻率提升至1kHz。相較其他方式，可節約成本，為實際工程應用提供參考。
以上研究成果發表在2020年第10期《電工技術學報》，論文標題為“基于特斯拉變壓器的重頻脈沖源輸出特性分析及優化”，作者為程顯、李泰煜、葛國偉、夏榮翔、袁曉東。
