基于TLT的高频高压脉冲源研制

摘要：文章研究了TLT的相关机理，着重对四阶TLT进行了详细分析与研究，并设计与制作了四阶TLT，最后通过相关实验验证，成功实现了四阶TLT的理想增益以及400KHz下的高压脉冲输出。
关键词：TLT；高频高压；脉冲源

0 引言
自20世纪60年代初以来，应军事、高科技武器以及国防科研等多方面的需求，脉冲功率技术(Pulse Power Technology，PPT)已逐渐发展成为一门新兴科学技术。目前正朝着高功率、全固态、高重频和紧凑化的方向发展，针对这样的发展需求，具有上升前沿快、方波脉冲平顶下降小和频率响应范围宽等特点的传输线脉冲变压器(Transmission Line Pulse Transformer，TLT)成为了研究热点，在脉冲功率技术中有着重要的应用前景。
在这一背景下，本文开展了以TLT为基础的高频高压脉冲源研究。基于TLT基本原理，本文进行了四阶TLT的电压增益公式推导以及输出特性分析，并进行了四级TLT的设计制作加工以及完成了相关实验验证，实现了2400V下400KHz的脉冲输出。

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，常采用输入端并联，输出端串联，每一级传输线的输入电压波形与输入端脉冲源的相同，在输出端产生升压效果。
尽管TLT构造较简单，但其详细的工作机理又是相当复杂的，主要是因为在多级TLT中，从第二级开始，每级将会与地之间形成次级回路，简称次级线。次级线的存在会对TLT的输出结果产生影响，会使输出脉冲电压幅值下降以及上升沿畸变。

图1为一个n级TLT的示意图，将TLT各级传输线(除第一级外)都绕于磁环上，每级线上的电感分别为L1，L2，L3，…。这样做能在不影响主传输线的情况下，相当于在各次级线上分别接入了一个电感，提高了次级线阻抗，从而可减小次级线上的电流及损耗，减弱次级线对输出结果的影响。
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2 四阶TLT电压增益公式推导与特性分析
本文重点考虑的是四阶TLT的情况，所以在此先对其电压增益与特性进行相关分析研究。由上面理论可知，n阶TLT可等效为如下电路图：图2 n阶TLT的等效电路图
则4阶TLT等效电路为：

由等效电路图，通过基尔霍夫电压定律和电流定律可以推导出电压增益公式，其中令Z'=Z2G，得到：
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将式(5)用matlab作出2维平面图，如图4所示：

由图4分析可知，若已知Z'／Z0=jx，则当x取9时，即次级线阻抗为传输线特性阻抗的9倍时，输出增益可达到理想状态下的95％，而不必要继续像传统理论上所说的要将次级线阻抗做得很大去获得理论增益值，因为很大的次级线阻抗在工程上是非常难实现的。

3 四阶TLT的设计与实现
图5为4阶TLT的电路结构示意图：

根据结构示意图我们制作了3组绕有磁环的线(line2，line3，line4)和一组无磁环的线(line1)按图5中方式连接。考虑到我们是在高频高压下工作并期望取得相对好的电压增益，所以先要进行以下相关实验器材的选择与相关实验参数的设计。
3．1 器材选择
(1)高压线的选择。考虑到耐高压要求，我们选用FF46-V 40kV 1mm2的铁氟龙(Teflon)高压线。
(2)高频磁芯的选择。考虑到在400kHz高频下工作，我们选用DMEGC公司生产的型号为H160x113x25PDN85H的镍锌铁氧体磁芯。之所以选择该磁芯是因为镍锌材质的高频特性好，在高重频下工作时损耗较小。
3．2 关键参数设计
(1)Z0的计算。根据平行双导线特性

将εr=2．1，D=5．0mm，2a=1．0mm代入上式进行计算得Z0=189．83Ω。
(2)Z’的计算。由前面公式的推导，四阶理想增益为4，达到理想增益值的95％时需要的z’为Z’=9，Z0=1．708kΩ。
现按脉冲频率为400kHz，上述Z’所满足的要求来设计电感。则由Z’=2πfL=1．708 kΩ得L=679μH。
下表为利用LCR测试仪测得的各阶传输线在不同f(频率，kHz)下的L(电感，μH)值。

实际L值比理论计算值稍微偏小点，是由于考虑到线太长时，TLT上对地分布电容很大，对电路上的电流及脉冲波形有严重影响，所以我们选择了短线，长度为3．5m的线双绞后再绕成电感。
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4 实验结果与分析
图6为我们的脉冲源系统、四阶TLT及负载的实物图。脉冲源系统用于形成脉冲，脉冲形成后输入至TLT，经TLT变压之后得到高压输出脉冲。

由图7可见，脉冲输出最大值约为1800V，最小值为-600V，很好地达到了理想增益值。尽管电压方面性能很好，但电流还是有些偏大，4阶输入为600V时电流都达到了109mA，则如果按增益比4，要达到输出为8000V(我们的脉冲源要求的指标)则输入需为2000V，那么输入端电流约为363mA，则总功耗将有726W，这是一笔不小的功率。因此目前我们正在研究如何在确保L的情况下尽量减小TLT带来的电容，从而减小漏电流，降低损耗。另外，我们还将对装置整体进行合理布局，尽量缩短连线长度和回路包围的面积，以减小接头电感。并尽量使TLT远离地面及周围的接地体，以减小对地电容，同时采用合理的负载结构，以减小负载接头处可能存在的杂散电容，从而尽量去降低电流，减小损耗。

5 结论
本文通过对TLT机理进行的研究，分析与推导了四阶TLT电压增益公式推导及其特性，然后又根据理论设计实现了四阶TLT实物并进行了实地实验，成功实现了四阶TLT的理想增益以及400kHz下的高压脉冲输出。