1 TLT基本原理
TLT的基本思想是利用输入与输出端的阻抗变换,来实现电路参数的转换。对于升压TLT而言,通常采用的阻抗构成是输入端并联,输出端串联,每一级传输线的输入端电压波形都与输入源相同,在输出端产生升压效果。本文中的传输线均特指同轴传输线。用这种传输线结构制作TLT时,其外导体与地之间会形成次级传输线(secondarytransmission line),简称次级线。次级线的存在会导致TLT输出结果的畸变,包括脉冲电压幅值的下降和上升前沿的畸变。将TLT的各级传输线(第一级除外)绕于磁环上,四级TLT如图1所示。TLT的第二、三、四级均绕在磁环上,每级内外导体上的电感分别为L1,L2,L3。即在不影响主传输线内部结构的情况下,相当于在各次级线上分别接入了一个电感,提高了次级线的阻抗,从而减小了次级线上的电流,削弱了次级线对输出结果的影响。图1没有给第一级传输线绕磁环,这是因为第一级的外导体的两端与地相连,它与地之间没有形成次级线。
2 四级TLT电路分析
利用相互耦合的两个电感替代图1中的磁环绕组,可以得到图2所示的四级TLT电路。各级绕组上传输线的内外导体的自电感分别相等,各为L1,L2,L3。电感耦合只存在于同一级传输线上的内外导体所形成的两个绕组之间,即绕组W1与W2之间存在互感M1,绕组W3与W4之间存在互感M2,绕组W5与W6之间存在互感M3。对电路中各参数施行拉普拉斯变换,自电感和互感均可表示成阻抗形式,s是拉普拉斯算子,得到阻抗sL1,sL2,sL3,sM1,sM2,sM3。由于绕组上同一根传输线的内外导体上的自电感之间的耦合系数趋近于1,故有M1=L1,M2=L2,M3=L3。
将传输线等效成一个2倍于其自身电压的电压源和一个与其特征阻抗相等的电阻之间的串联结构,则图2可以等效成内部含有复杂电感网络的电路,合并其内部电感网络,最终其输入端可以得到等效电路,如图3所示。图3中的3个电感分别可以视为四级TLT上第二、三、四级传输线的外导体自电感L1,L2及L3在输入端的等效值。将图3等效至输出端,得到图4。可以发现:在其外导体与地之间构成的次级线(短路路径)上接入了一个阻抗,而这个阻抗大小分别由sL1,sL2和sL3决定。同时,图3和图4还考虑了各级外导体对地电容C1,C2和C3对输出波形的影响。将图3内部的电感、电容分别合并之后等效至输出端,得到图5。
式中:t为输入脉冲的时间宽度。由式(4)可以看出:L1,L2和L3的大小直接影响输出脉冲的幅值。事实上,L1,L2和L3的存在正是TLT抑制次级线的主要措施,它们提高了次级线的阻抗,减小了次级线上的电流,从而减弱了次级线对TLT输出结果的影响。
对于一台频率较高的脉冲变压器,我们除了关心它输出脉冲的幅值变比,还对其上升时间感兴趣。在下面对上升时间的计算中,只考虑容抗ZC的影响。
对于四级TLT,在理想方波输入情况下,由式(3)可得到输出脉冲上升时间的表达式为
若不存在电压平顶降,则经过上升时间tr之后,输出幅值将达到理想情况下的90%,此时输出电压Vo(t)=3.6 V,依据以上理论模型,若C=150 pF,Zo=50Ω,则由式(6)求得此变压器的上升时间tr=30 ns。
3 结果与讨论
冷测实验的装置如图6所示。实验使用的磁环为铁氧体磁环,相对磁导率约为1 600,内外径分别为100,60 mm,厚为10 mm;采用的同轴电缆耐压值为5 kV,一共4段,每段3 m,缠绕在磁环上的同轴电缆内外导体的自电感分别为2.10和2.13 mH;脉冲源采用HP8112A脉冲发生器,输出阻抗为50Ω。实验时,为实现阻抗匹配,在TLT输入端串联接入了40Ω的电阻,在其输出端并联接入了200Ω的负载电阻。实验结果如图7所示。输入与输出电压脉冲上升时间(10%~90%)分别为28和56 ns,平顶保持较好,输入输出波形基本一致,输入和输出脉冲电压幅值分别为0.7和2.8 V,平顶下降可忽略。
利用PSPICE程序建立模型进行了电路模拟,电压方波源参数与实验相同,电路模型如图8所示,其中L4为输入端的接头电感,经实验测量约为30 nH;L5,L6和L7分别为输出端第四、三、二级的接头电感,经测量约为60 nH;各级传输线外导体对地电容大小经测量约为60 pF。图9为模拟结果。由图可知:模拟所得波形与实验吻合较好。由式(6)可以计算出在C=60 pF时的TLT上升时间为12 ns,这与实验所测得的TLT上升时间48 ns(即482=562-282,其中28 ns和56 ns分别为输入和输出脉冲的上升时间)差距较大,主要原因是式(6)中求解TLT上升时间的理论模型过于简单,只考虑了传输线外导体对地电容对上升时间的影响,而未计入接头电感对上升时间的影响。对于电压平顶降而言,取L1=L2=L3=2 mH,由式(4)计算得到的变压比为3.98,平顶降可以忽略,这与模拟、实验结果是一致的。因此,计算幅值的理论模型式(4)是可靠的。
4 结 论
本文分析了四级TLT电路,求解出了输出波形的表达式,在分别只考虑等效感抗、等效容抗的情况下,分别得到波形幅值和上升时间的表达式。经实验与模拟验证:幅值表达式的精度是可靠的;而上升时间表达式由于仅考虑了对地电容的作用,忽略了接头电感的影响,得到的理论计算值为12 ns,与实验和模拟结果(48 ns)相差较大,理论模型需要进一步改进。PSPICE模拟与冷测实验结果基本一致。
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基金项目:国家高技术发展计划项目
作者简介:王松松(1984—),男,江西进贤人,博士研究生,主要从事脉冲功率技术研究; totti_wss@hotmail.com。
