高变比螺线空芯脉冲变压器
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中 图分 类 号 ： ＴＬ５ ３ ９ ０ ．０ 文献 标 志 码 ： Ａ ｄ ｉ１ ． ７ ８ ＨＰ Ｂ ０ ０ ２ １ Ｏ １ ｏ ：０ ３ ８ ／ ＬＰ ２ １ ２ ０ ． ２ ６
脉 冲变压器型高 功率脉 冲电源能 够以紧凑 的结构实 现高 能量 传输 效率 ， 因而 成为 脉 冲功率 技术 领域 关 注 的重点 。脉 冲变压器 按照结构 可分为铁磁 芯脉 冲变 压器 和空芯脉 冲变压器 ， 空芯脉 冲变压器 因重量轻 、 不受磁
作 者简 介 ： 佳祺 （ ９ １ ） 男 ，硕 士 ， 事脉 冲功 率 技术 的 研 究 ；ｘｑ ｃ ｅ ＠ １ ３ ｔ ｎ 。 辛 １８ ， 从 ｊ—ａ ｐ ． ｏ ｉ ６
第 １ 期
辛 佳 祺 等 ：高 变 比螺 线 空 芯 脉 冲变 压 器
２７ １
失 谐 系 数 ａ 以 表 示 为 可
性介质饱 和及 高频 限制等优点 广泛地应用 在超宽带 （ ＵＷＢ 脉冲辐射 源装置 中Ｉ 。由于没有 磁性材 料 为其提 ）
供磁 耦合 回路 ， 空芯脉 冲变压器必 须依靠初 次级绕组 紧密 交叠 的方 式来 增强耦 合 。传统 的螺 旋带 空 芯脉 冲变 压 器大都采用低 变 比结构来 保证 高耦 合系数 ， 因而其 设计变 比通常小 于 ｌ： Ｏ 这 往 往要求 初级 电源 的充 电 电 ２，
１ 理 论 研 究
当空芯脉 冲变压器ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ的负载为 电容器或分 布参数 的形成线 时 ， 如果 变压器初 次级 回路具有相 同的 固有频 率 ，
就可 以通 过双谐振 的方式实 现对负 载电容 的快 速充 电 。此 时 ， 电压 效率 和 能量效 率 主要取 决 于变 压器 的耦 合 系数 和失谐 系数 ａ 。图 １给出 了空 芯变压器 的等效 电路 ， 中 Ｃ 其 为初级 储 能 电容 ， 电电压 为 Ｕ。 Ｃ 充 ； 为次 级负载 电容 ， 出电压为 Ｕ。Ｌ 输 ； 为初级 绕组 电感 ， ： Ｌ 为次 级绕 组 电感 ， 为互 感 ； 为初 级 回路 的 附加 电感 ； Ｍ Ｌ Ｌ 为次级 回路 的附加电感 ； 为初级 回路 电阻 ； 为次级 回路 电阻 。 Ｒ Ｒ
最 佳 值 的 条件 ， 对设 计 的空 芯 变压 器 进 行 了模 拟计 算 和 实 验研 究 。结 果 表 明 ： 种 变压 器 型 脉 冲 功率 电源 可 直 该
接利 用 市 电 充 电 ， 初 级 变 储 能 电容 器 充 电 ８ ０ Ｖ 的 条件 下 ， 在 ０ 变压 器 次 级 所 接 形成 线 负 载 的 输 出 电 压 达 到 ３ ０ ５ ｋ 变 压 器设 计 变 比 １： ０ 、 合 系 数 ０ ５ ； 验结 果 与 计 算 基 本 吻合 。 Ｖ， ７ ０耦 ．２实 关 键 词 ： 空芯 脉 冲 变 压 器 ； 高变 比 ； 耦 合 系数 ； 锥形 绕组
Ｆｉ ． Ｅｑ ｉ ａ ｅ ｔ ｃｒ ｕ ｔｏ ｉ— ｏ ｅ ｕ ｓ ｒ ｎ ｆ ｒ ｅ ｇ １ ｕ ｖ ｌｎ ｉｃ ｉ ｆ ａｒ ｃ ｒ ｄ ｐ ｌｅ ｔ ａ ｓｏ ｍ ｒ
图 １ 空 芯 脉 冲变 压 器 等效 电路
实 际装置 中变 压器 的耦合 系数 总是 低 于 １ 这 时 当变 压器 工作 在 双谐 振 状 态 时 （ 级 回路 的谐 振 频率 Ｃ ， 初 Ｏ
口一 叫２ 一 １ ２ ／
（ ２）
耦 合 系数 尼可 以表示 为
一
（ ３）
、
阻尼时 间常数 ｒ可 以表 示为
４Ｌ （ ＋ Ｌ ） Ｌｚ＋ Ｌ ｚ （ ） Ｒ （ Ｌ ＋ Ｌ ）４ －Ｒ （ － Ｌ ） Ｌ：４ 。 ， …
高变 比螺 线 空芯脉 冲变 压器
辛佳祺， 李名加， 康 强
（ 国工 程 物 理研 究 院 应 用 电子 学研 究 所 ，四川 中 Ｉ绵 阳 ６ １０ ） ２ ９０
摘
要 ： 设 计 并理 论 分 析 了 高变 比型 螺 线 空 芯脉 冲变 压 器 的输 出特 性 ， 论 了变 压器 次级 输 出 电压 达 到 讨
第 ２ ２卷第 ｌ 期 ２１ ０ ０年 １ 月
强 激 光 与 粒 子 束
Ｈ Ｉ Ｈ ＰＯ Ｗ ＥＲ ＬＡ ＳＥＲ Ａ Ｎ Ｄ ＰＡＲ ＴＩ Ｇ ＣＬＥ ＢＥＡ Ｍ Ｓ
Ｖｏ１ ２ ． ２，ＮＯ ．ｉ
Ｊ ｎ ，２ １ ａ ． ００
文章 编 号 ： ｉ ０ —３ ２ ２ １ ） １０ １ － ５ ０ １４ ２ （ ０ ０ ０ — ２ ６０
与次级 回路 的谐 振频率 。同为 。 ， 以将 次级 负载 电压表 示为Ｅ ）可 ］
√
＊
ｓ －ｓ ）（ｔ ｃ蔫 ｅ－， ｏ ｘ ｐ
㈩
收 稿 Ｅ期 ： ０ ９０ ９ ｔ ２ ０ — ６０ ； 修订 日期 ：０ ９ ０ ０ ２ ０ ９１ 基 金项 目 ： 国工 程 物 理研 究 院 应 用 电子 研 究所 所 长 基 金项 目（ Ｊ ０ ７ ０ ） 中 Ｓ ２ ０ ¨ ９
压达 到数十 ｋ 国防科学技术 大学研 制 了多 台该 种类 型 的高功 率脉 冲 电源ｌ ］ Ｖ， ３ 。在 实现 相 同输 出电压 指标 的 前提下 ， 螺旋线空 芯脉 冲变压 器能够 利用 自身 高变 比的特点显 著降低对 初级充 电 电源 的电压要求 ， 同时克 服了
螺旋带 空芯脉 冲变 压器为解 决绕组边 缘绝缘损 坏而使用 屏蔽 环所 带来 不必 要损 耗 的问题 ， 利于实 现 装置 的 有 小型化 。鉴 于 国内外 的现有 文献 中鲜见 高变 比型空芯变 压器 的相关 报 道 ， 文研 制 了一 台螺线 型空 芯 脉 冲变 本 压器 ， 该变压 器用于 油介质脉 冲形 成线 （ Ｆ ） 电 ， Ｐ Ｌ充 理论分 析 脉 冲变压 器 的输 出特 性 ， 论 变压 器次 级输 出 电 讨 压达到最佳 值的条件 ， 对设计 的空芯变压 器进行 了模 拟计算 和实验研 究 。
脉 冲变压器型高 功率脉 冲电源能 够以紧凑 的结构实 现高 能量 传输 效率 ， 因而 成为 脉 冲功率 技术 领域 关 注 的重点 。脉 冲变压器 按照结构 可分为铁磁 芯脉 冲变 压器 和空芯脉 冲变压器 ， 空芯脉 冲变压器 因重量轻 、 不受磁
作 者简 介 ： 佳祺 （ ９ １ ） 男 ，硕 士 ， 事脉 冲功 率 技术 的 研 究 ；ｘｑ ｃ ｅ ＠ １ ３ ｔ ｎ 。 辛 １８ ， 从 ｊ—ａ ｐ ． ｏ ｉ ６
第 １ 期
辛 佳 祺 等 ：高 变 比螺 线 空 芯 脉 冲变 压 器
２７ １
失 谐 系 数 ａ 以 表 示 为 可
性介质饱 和及 高频 限制等优点 广泛地应用 在超宽带 （ ＵＷＢ 脉冲辐射 源装置 中Ｉ 。由于没有 磁性材 料 为其提 ）
供磁 耦合 回路 ， 空芯脉 冲变压器必 须依靠初 次级绕组 紧密 交叠 的方 式来 增强耦 合 。传统 的螺 旋带 空 芯脉 冲变 压 器大都采用低 变 比结构来 保证 高耦 合系数 ， 因而其 设计变 比通常小 于 ｌ： Ｏ 这 往 往要求 初级 电源 的充 电 电 ２，
１ 理 论 研 究
当空芯脉 冲变压器ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ的负载为 电容器或分 布参数 的形成线 时 ， 如果 变压器初 次级 回路具有相 同的 固有频 率 ，
就可 以通 过双谐振 的方式实 现对负 载电容 的快 速充 电 。此 时 ， 电压 效率 和 能量效 率 主要取 决 于变 压器 的耦 合 系数 和失谐 系数 ａ 。图 １给出 了空 芯变压器 的等效 电路 ， 中 Ｃ 其 为初级 储 能 电容 ， 电电压 为 Ｕ。 Ｃ 充 ； 为次 级负载 电容 ， 出电压为 Ｕ。Ｌ 输 ； 为初级 绕组 电感 ， ： Ｌ 为次 级绕 组 电感 ， 为互 感 ； 为初 级 回路 的 附加 电感 ； Ｍ Ｌ Ｌ 为次级 回路 的附加电感 ； 为初级 回路 电阻 ； 为次级 回路 电阻 。 Ｒ Ｒ
最 佳 值 的 条件 ， 对设 计 的空 芯 变压 器 进 行 了模 拟计 算 和 实 验研 究 。结 果 表 明 ： 种 变压 器 型 脉 冲 功率 电源 可 直 该
接利 用 市 电 充 电 ， 初 级 变 储 能 电容 器 充 电 ８ ０ Ｖ 的 条件 下 ， 在 ０ 变压 器 次 级 所 接 形成 线 负 载 的 输 出 电 压 达 到 ３ ０ ５ ｋ 变 压 器设 计 变 比 １： ０ 、 合 系 数 ０ ５ ； 验结 果 与 计 算 基 本 吻合 。 Ｖ， ７ ０耦 ．２实 关 键 词 ： 空芯 脉 冲 变 压 器 ； 高变 比 ； 耦 合 系数 ； 锥形 绕组
Ｆｉ ． Ｅｑ ｉ ａ ｅ ｔ ｃｒ ｕ ｔｏ ｉ— ｏ ｅ ｕ ｓ ｒ ｎ ｆ ｒ ｅ ｇ １ ｕ ｖ ｌｎ ｉｃ ｉ ｆ ａｒ ｃ ｒ ｄ ｐ ｌｅ ｔ ａ ｓｏ ｍ ｒ
图 １ 空 芯 脉 冲变 压 器 等效 电路
实 际装置 中变 压器 的耦合 系数 总是 低 于 １ 这 时 当变 压器 工作 在 双谐 振 状 态 时 （ 级 回路 的谐 振 频率 Ｃ ， 初 Ｏ
口一 叫２ 一 １ ２ ／
（ ２）
耦 合 系数 尼可 以表示 为
一
（ ３）
、
阻尼时 间常数 ｒ可 以表 示为
４Ｌ （ ＋ Ｌ ） Ｌｚ＋ Ｌ ｚ （ ） Ｒ （ Ｌ ＋ Ｌ ）４ －Ｒ （ － Ｌ ） Ｌ：４ 。 ， …
高变 比螺 线 空芯脉 冲变 压器
辛佳祺， 李名加， 康 强
（ 国工 程 物 理研 究 院 应 用 电子 学研 究 所 ，四川 中 Ｉ绵 阳 ６ １０ ） ２ ９０
摘
要 ： 设 计 并理 论 分 析 了 高变 比型 螺 线 空 芯脉 冲变 压 器 的输 出特 性 ， 论 了变 压器 次级 输 出 电压 达 到 讨
第 ２ ２卷第 ｌ 期 ２１ ０ ０年 １ 月
强 激 光 与 粒 子 束
Ｈ Ｉ Ｈ ＰＯ Ｗ ＥＲ ＬＡ ＳＥＲ Ａ Ｎ Ｄ ＰＡＲ ＴＩ Ｇ ＣＬＥ ＢＥＡ Ｍ Ｓ
Ｖｏ１ ２ ． ２，ＮＯ ．ｉ
Ｊ ｎ ，２ １ ａ ． ００
文章 编 号 ： ｉ ０ —３ ２ ２ １ ） １０ １ － ５ ０ １４ ２ （ ０ ０ ０ — ２ ６０
与次级 回路 的谐 振频率 。同为 。 ， 以将 次级 负载 电压表 示为Ｅ ）可 ］
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㈩
收 稿 Ｅ期 ： ０ ９０ ９ ｔ ２ ０ — ６０ ； 修订 日期 ：０ ９ ０ ０ ２ ０ ９１ 基 金项 目 ： 国工 程 物 理研 究 院 应 用 电子 研 究所 所 长 基 金项 目（ Ｊ ０ ７ ０ ） 中 Ｓ ２ ０ ¨ ９
压达 到数十 ｋ 国防科学技术 大学研 制 了多 台该 种类 型 的高功 率脉 冲 电源ｌ ］ Ｖ， ３ 。在 实现 相 同输 出电压 指标 的 前提下 ， 螺旋线空 芯脉 冲变压 器能够 利用 自身 高变 比的特点显 著降低对 初级充 电 电源 的电压要求 ， 同时克 服了
螺旋带 空芯脉 冲变 压器为解 决绕组边 缘绝缘损 坏而使用 屏蔽 环所 带来 不必 要损 耗 的问题 ， 利于实 现 装置 的 有 小型化 。鉴 于 国内外 的现有 文献 中鲜见 高变 比型空芯变 压器 的相关 报 道 ， 文研 制 了一 台螺线 型空 芯 脉 冲变 本 压器 ， 该变压 器用于 油介质脉 冲形 成线 （ Ｆ ） 电 ， Ｐ Ｌ充 理论分 析 脉 冲变压 器 的输 出特 性 ， 论 变压 器次 级输 出 电 讨 压达到最佳 值的条件 ， 对设计 的空芯变压 器进行 了模 拟计算 和实验研 究 。