磁脉冲压缩的工作原理

通过输出开关释放电容中充满的电量，迅速地给负载放电可以产生大功率脉冲。对于高电压、大电流并在极短时间内产生脉冲功率的情况下，不仅要求开关具有高耐压下驱动大电流的能力，而且要求它电感低并能够高速导通。但是，一般对开关所加高电压的时间越长，则为了维持耐压必须要增加一定的绝缘厚度，这样一来，不仅电感变大，耐压导通时间也会变长。因此，用一个开关构成的脉冲电源在很短时间内产生大功率脉冲是很困难的。给开关所加电压时间缩短，电感会比较小，导通比较快，因此一般采用将多个电容和开关按串联方式连接。让第一段输出开关导通，这样第一段电容中充的电量在短时间内被传输到第二段电容，第一段开关的电感比较小，导通很快。将第二段开关导通，进而将电量迅速传输到第三段电容中，通过这种重复结构可以将脉冲压缩到必要的脉宽。

磁脉冲压缩回路是将脉宽压缩到数十纳秒时所用的高电压回路。脉冲变压器和磁开关组合的结构很多，脉冲变压器的一次侧通常使用半导体开关，组成的回路只有几千伏的低电压和低阻抗。将二次侧升压到预计的高电压，将电容和磁开关进行多段组合，后端的磁开关饱和后的电感减小，使得到下一级的谐振充电时间减小，从而达到压缩脉冲的目的，图5-2所示为回路示意图。

图5-2 磁脉冲压缩回路

图5-3所示为磁开关的工作原理的解析图。在t＝0时刻，各电容电压在U₁＝0，U₂＝0，U₃＝0时，闭合开关S，电容C₂上的电压如下：

图5-3 磁开关的工作原理

这里磁开关MS为可饱和电抗器时磁心的磁感应强度变化量用ΔB（T），线圈匝数N，磁心的横截面积S，MS在C₂电压达到峰值的t₁时刻刚好饱和的条件由下式给出：

MS在饱和之前，MS的电感很大，在给C₂充电时，流向C₃的电流被完全阻止。MS达到饱和后，从C₂开始经过MS向电容C₃充电，从C₃开始充电到充电电压达到峰值的时间t₂用下式表示：

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式中，L_sat是MS的饱和电感，若磁心的饱和磁导率用μ_sat、磁路长用L_c表示，则得到

将式（5-2）代入式（5-1）中，MS的磁心的体积V_core可以用下式求出：

式中，G₀为脉冲压缩率（t₁／t₂）；E_C为C₂的充电能量CV²₀／2。

若用e_u表示磁心的单位体积的磁心损耗，则磁心整个的磁心损耗E_loss用下式表示：

这里，式（5-4）的右边第一项到第三项并不取决于磁心特性而只由回路条件来决定，另外，第四项和第五项只取决于磁心特性，由此定义磁心损耗系数α为

磁心损耗系数α是相同回路条件下的相对磁开关全磁损耗的比例值。对于磁开关必需的磁体体积就像式（5-3）所示与饱和后的磁导率μ_sat成正比，与饱和磁感应强度的变化量ΔB的二次方成反比。因此为了减小磁开关的体积，希望磁体的ΔB越大越好。另一方面，磁体单位体积的损耗e_u一般随ΔB的增大而增大。