基于特斯拉变压器的重频脉冲源输出特性分析及优化

特斯拉变压器型脉冲源是国内外脉冲功率研究领域的热点之一，由于其工作频率较低，而提升成本过高，限制了其在脉冲功率等高新技术领域的应用。郑州大学电气工程学院、河南省输配电装备与电气绝缘工程技术研究中心的研究人员程显、李泰煜、葛国伟、夏荣翔、袁晓东，在2020年第10期《电工技术学报》上撰文，基于螺旋线型特斯拉变压器的脉冲源样机，提出一种提升特斯拉型脉冲源重频工作能力的方法，分析该脉冲源脉冲形成过程，并将其分为充电电压上升、晶闸管关断和变压器谐振放电三个阶段，经过测试可知脉冲源变压器谐振放电时间是影响其频率提升的主要因素。
基于上述研究进行脉冲形成过程不同阶段下的优化设计，调节外电路参数加快充电上升时间，分析晶闸管工作原理并对其关断时间进行优化，改变电路结构缩短其谐振放电时间。调节失谐系数可有效地提高脉冲源的输出电压比和能量效率等关键性能指数，在保证稳定工作的前提下，通过优化电路结构和谐振放电时间加强了脉冲源重频工作能力，最终可实现脉冲源为输出电压0～20kV，输出电压比123，能量效率64%，上升沿30ns，频率0～1kHz可调的纳秒脉冲发生装置。进而促进后续特斯拉型脉冲源的结构紧凑化及其在实际工程中的应用。
随着高电压新技术的兴起，脉冲功率技术及其应用受到广泛关注。高压纳秒脉冲发生器作为脉冲功率技术领域的一个重要分支，近年来应用于高频高压电磁干扰模拟、生物医疗、新型材料研究等多个研究领域。
高压重频脉冲源目前大多通过采用脉冲变压器或MarX发生器来实现。传统脉冲变压器与电容器组成谐振放电回路，在电磁谐振作用下得到高压，但受铁磁材料饱和的影响，输出幅值频率受限。MarX发生器构成的脉冲装置适合小型化、高重频应用场合，但大多结构较为复杂、成本较高，很难满足输出电压的需求。
较传统脉冲变压器，空心特斯拉（Tesla）变压器由于结构无磁心，不存在铁磁材料饱和与频率限制的问题，具有结构简单、成本较低、高电压比的优点，更适合长寿命、高重复频率应用的场合。

  • 美国的J. L. Reed对特斯拉变压器一次、二次回路阻尼引起的能量损耗进行分析，并提出其结构改进方案。

  • 俄罗斯大电流研究所提出将特斯拉变压器与脉冲形成线一体化设计结构，以提高其寿命和能量传输效率，实现便携小型化。

  • 中国工程物理研究院马勋等总结了空心带绕式特斯拉变压器的系统效率问题，并采用带磁心的脉冲变压器改进措施，成功研制出高耦合系数高功率带绕式脉冲变压器。

  • 国防科技大学张天洋等对特斯拉变压器、主控晶闸管和谐振充电装置进行分析，成功研制出输出电压100kV、重复运行频率5Hz、能量利用率大于45%的紧凑型储能装置。

  • 华中科技大学李黎等基于螺旋线型空心变压器，研制出一套高压纳秒脉冲发生装置，对变压器的峰值电压比、二次电压、一次电流及其变化率等效率问题进行了深入分析。

但其目前较低的运行频率限制了特斯拉变压器在相关领域的应用空间，且半导体等陡化开关带来的较高成本不利于其在工业化方向的应用。
郑州大学、河南省输配电装备与电气绝缘工程技术研究中心的研究人员，基于螺旋线型特斯拉变压器、谐振充电回路和陡化回路设计了一种重频纳秒脉冲源。根据脉冲源的工作原理，对其谐振充电回路进行公式推导，在螺旋线型特斯拉变压器样机的基础上，总结出脉冲源脉冲形成的三个重要阶段，对充电上升时间的影响因素、晶闸管工作关断过程和流经其中的电流峰值等进行了实验研究，讨论提高变压器谐振放电过程中的能量利用率的方法，探究失谐系数对脉冲源输出性能的影响，并提出输出性能最优区间。
图1  特斯拉型脉冲源实验原理示意图
图2  改进后脉冲源样机电路实物
研究人员最后得出结论如下：
1）针对特斯拉变压器型脉冲源工作频率过低和提升成本过高的问题，提出了一种提升脉冲源重频工作能力的方法。将脉冲形成过程分为三个阶段，分别进行测试分析，进而得到影响脉冲源频率提升的主要因素，并针对其进行优化设计。
2）改变充电回路中电感和一次侧电容参数，可以缩短充电时间；在分析晶闸管的关断过程后，可进一步压缩脉冲源重频工作时间；谐振放电时间是制约特斯拉型变压器频率提升的主要影响因素，通过改变电路结构可缩短二次侧输出电压的振荡时间。
3）调节失谐系数至最优区间，可优化脉冲源的输出电压比和能量效率。在对三个工作阶段采取优化措施后，可大幅缩减脉冲源单次放电时间，实现特斯拉型脉冲源纳秒脉冲重复频率提升至1kHz。相较其他方式，可节约成本，为实际工程应用提供参考。

以上研究成果发表在2020年第10期《电工技术学报》，论文标题为“基于特斯拉变压器的重频脉冲源输出特性分析及优化”，作者为程显、李泰煜、葛国伟、夏荣翔、袁晓东。

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