[发明专利]电参数在线可调的磁开关及电参数调节方法

说明书

技术领域

本发明涉及高功率脉冲驱动源开关技术领域，尤其是一种电参数在线可调的磁开关及电参数调节方法。

背景技术

高功率脉冲驱动源技术是将能量以较低的功率储存起来，通过开关、脉冲调制等技术在很短的时间内把能量释放给负载，从而在负载上获得高功率(大于百兆瓦)电脉冲。近些年来，在高性能脉冲驱动源装置的应用牵引下，具有很高功率的电脉冲在高功率微波、高能量脉冲激光、等离子体物理、冲击波发生器、材料表面改性、工业废水废气处理、生物医学以及食品杀菌消毒等众多重点领域获得了广泛的关注和快速的发展，并取得了丰硕的成果。

高功率脉冲驱动源技术实质上是一种研究能量存储、压缩、转换和传输的技术，在这一过程中实现了强电脉冲的功率放大，而决定电脉冲功率放大能力的核心是开关技术。磁开关是一种全固态被动开关，具有工作电压高(大于百千伏)、通流能力强(大于百千安)、抗电磁干扰能力强、使用寿命长、工作稳定性高等优点，其能够对电信号脉冲进行脉宽压缩和功率放大，是高功率脉冲驱动源实现高平均功率、固态化、长寿命的主要技术途径之一，在高功率脉冲驱动源技术领域中获得了广泛的应用和快速的发展。

磁开关主要由磁芯和缠绕在磁芯周围的绕组构成。磁芯主要由磁性材料及其封装构成。工作时，将磁开关串联在电路中，利用磁性材料的非线性特性使得缠绕在其周围的绕组电感产生非线性变化，实现对电信号脉冲进行脉宽压缩和功率放大。磁开关能够利用两种状态间的快速切换实现开关功能，切换的过程满足伏秒积公式∫V(t)dt＝NΔBS，其中V(t)为加载到磁开关上随时间变化的电压脉冲；N为磁开关绕组的匝数；ΔB为磁开关磁性材料的磁感应强度变化量；S为磁开关绕组所包围区域内磁性材料的有效截面积。

国防科学技术大学的杨实博士在其博士学位论文《基于磁开关和带状线的长脉冲、超低阻抗脉冲发生器》报道了一种典型传统磁开关，以下简称技术方案一。图1为该装置的结构原理图，主要由磁芯1、开关绕组2和复位电路3构成。其中，磁芯1由M块磁环4组成；开关绕组2为一段均匀缠绕在磁芯1上的连续导线，连续导线的首尾两端点分别作为磁开关的输入端5和输出端6。复位电路3由复位电源7和复位绕组8组成。复位电源7为输出电流3A的横流电源。复位绕组8为一段均匀缠绕在磁芯1上的连续导线，其与复位电源7共同产生复位磁场复位磁场和开关绕组2产生的开关磁场方向相反，实现对磁性材料的复位。

这种传统磁开关中的开关绕组2是由连续导线制成，并缠绕在磁芯1的外部，即磁开关加工完成后，绕组匝数N和绕组内磁性材料的有效截面积S是固定的。根据磁开关工作原理，当输入电脉冲固定时，传统磁开关的工作电压是唯一确定的，无法进行调节。若传统磁开关的工作环境发生变化，则需要重新设计并加工一套磁开关，研制周期长，生产成本高，环境适应性较差。研究认为，适用范围单一已经是限制磁开关工作性能进一步提高和应用领域扩展的主要因素之一。