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　　磁芯是基于直線變壓器升壓技術(shù)的脈沖功率驅(qū)動(dòng)源關(guān)鍵部件之一，由于其等效工作頻率都在MHz以上，為了降低高頻渦流損耗，目前多采用厚度為數(shù)十pm的非晶或納米晶帶材多層卷繞而成。脈沖工作時(shí)，每層帶材中都會(huì)感應(yīng)出相應(yīng)的渦流，相鄰層間就會(huì)出現(xiàn)感應(yīng)電壓，當(dāng)相鄰層間導(dǎo)通時(shí)，就會(huì)形成較大的層間渦流回路，使得渦流損耗迅速增大，從而降低脈沖功率源的能量傳遞效率及磁芯的伏秒利用率4，重復(fù)頻率工作時(shí)還會(huì)導(dǎo)致系統(tǒng)發(fā)熱，嚴(yán)重影響系統(tǒng)的穩(wěn)定性與可靠性。為避免層間擊穿導(dǎo)致的不利因素，目前多采用層間絕緣處理的方法，即給帶材層間加上絕緣層，提高其耐壓值，防止擊穿。但由于磁芯在制作過(guò)程中需要經(jīng)過(guò)300 400C的高溫退火處理，因此絕緣層也需要承受退火的高溫；同時(shí)絕緣層的熱膨脹系數(shù)應(yīng)盡量與磁芯的熱膨脹系數(shù)相同，以減小其對(duì)磁芯的應(yīng)力，因此層間絕緣處理工藝較為復(fù)雜，而且成本也較高，同時(shí)在一定程度上降低了磁芯的占空比。實(shí)際上磁芯在處理過(guò)程中自身會(huì)形成一層氧化膜，該氧化膜具有一定的耐壓能力，如果能夠利用氧化膜自身的耐壓能力，在設(shè)計(jì)時(shí)保證磁芯在脈沖工作期間不發(fā)生擊穿，則可以避開(kāi)加上絕緣層的不利因素。本文從理論上分析了磁芯層間電壓影響因素，對(duì)磁芯在處理過(guò)程中自然形成的氧化膜的耐壓能力開(kāi)展了研究，并討論了層間擊穿對(duì)能量傳遞效率的影響。

　　1理論分析在實(shí)際應(yīng)用中，通常要充分利用磁芯的磁感應(yīng)增量AB至大值，從而減小磁芯的體積重量。設(shè)計(jì)時(shí)需要考慮磁芯的伏秒特性，在理想情況下，即加載在磁芯兩端的工作電壓為矩形方波，此時(shí)磁芯伏秒數(shù)應(yīng)滿足截面積。一般來(lái)說(shuō)，為了充分利用磁芯的伏秒數(shù)，在工作脈沖結(jié)束時(shí)盡量使得AB達(dá)到磁芯可利用的大增量。考慮實(shí)際工作中，加載在磁芯兩端的工作電壓不可能是理想的矩形方波，總是具有一定的前后沿，因此磁芯兩端的工作電壓U⑴與磁芯中的磁感應(yīng)增量AB⑴可進(jìn)一步表示為時(shí)間（求導(dǎo)可得由式（3）可知，在不同時(shí)刻，磁芯的磁感應(yīng)強(qiáng)度變化率dB/（是不同的，前后沿階段加載在磁芯兩端的電壓較小，因此dB/（也相對(duì)來(lái)說(shuō)較小；在平頂階段U⑴達(dá)到大值且處于穩(wěn)定狀態(tài)，此時(shí)dB/（也達(dá)到大值并處于穩(wěn)定狀態(tài)。

　　基金項(xiàng)目：國(guó)家高技術(shù)發(fā)展計(jì)劃項(xiàng)目；中央高校基本科研業(yè)務(wù)費(fèi)專(zhuān)項(xiàng)資金項(xiàng)目（SWTU11CX077）：王慶峰（1979?），男，博士，從事脈沖功率技術(shù)研究；wangqing丨engl73163.com.帶繞式磁芯通常由厚度為數(shù)十的磁芯薄帶螺旋卷繞而成，對(duì)于每一薄層內(nèi)部而言，可以近似認(rèn)為其各點(diǎn)的磁感應(yīng)強(qiáng)度相同。磁芯在脈沖磁化時(shí)，每層中的磁感應(yīng)強(qiáng)度B都要發(fā)生變化，根據(jù)法拉第電磁感應(yīng)原理，每一層磁芯帶材內(nèi)就會(huì)出現(xiàn)感應(yīng)電壓，相鄰帶材間就會(huì)出現(xiàn)電壓差，由法拉第電磁感應(yīng)定律可知，相鄰層間的層間電壓⑴可表示為由式（5）分析可知，磁芯的層間電壓與帶材厚度夂帶材寬度h、加載在磁芯兩端的工作電壓成正比，與磁芯的有效截面積成反比。

　　一般來(lái)說(shuō)設(shè)計(jì)時(shí)盡量使得磁芯AB達(dá)到其可利用的大增量，因此，實(shí)際工作中伏秒數(shù)一經(jīng)確定，磁芯的截面積S也就確定，考慮磁芯AB利用值相同，當(dāng)磁芯應(yīng)用于短脈沖條件下時(shí)，由于工作脈沖很短，因此其工作電壓相對(duì)于長(zhǎng)脈沖應(yīng)用時(shí)就高得多，此時(shí)磁芯層間所要承受的電壓就比較高。因此在短脈沖應(yīng)用中，使用的磁芯一般都專(zhuān)門(mén)做層間絕緣處理，其層間耐壓能力可以達(dá)到數(shù)十V，層間耐壓能力要求越高，層間絕緣厚度也就越厚，導(dǎo)致占空系數(shù)越小。實(shí)際上磁芯在處理過(guò)程中會(huì)形成一層氧化膜，該氧化膜具有一定的耐壓能力，如果能充分利用該氧化膜的耐壓能力，保證磁芯在脈沖工作期間不發(fā)生擊穿，則可以避開(kāi)加上絕緣層的不利因素。

　　2，電源通過(guò)限流電阻只給脈沖形成網(wǎng)絡(luò)（PFN）充電，開(kāi)關(guān)控制脈沖形成網(wǎng)絡(luò)直接對(duì)LTD放電，通過(guò)單匝次級(jí)線圈感應(yīng)到負(fù)載電阻只l上。PFN阻抗約2.5脈寬200300ns可調(diào)。選用的磁芯內(nèi)外半徑為130mm和80mm，兩組磁芯的層間全部不加絕緣層。組帶材寬度h=20mm，采用2個(gè)重疊；第二組帶材寬度h=10mm，采用4個(gè)重疊；保證這兩組磁芯的截面積S相同。磁芯采用直流復(fù)位，因此磁芯的磁感應(yīng)強(qiáng)度在每一次工作前都處于同一個(gè)起點(diǎn)，磁芯的矩形系數(shù)約為0.7.中給出了組帶材寬度d=20mm，工作電壓分別為8，9，10，11kV，脈寬為200ns時(shí)，負(fù)載上電壓、電流波形，設(shè)計(jì)的磁感應(yīng)增量AB分別為1. 14，1.28，1.42，1.56T，均小于納米晶磁芯大磁芯增量2. 4T.；當(dāng)工作電壓增大至9kV時(shí)，在r=128ns附近波形出現(xiàn)了明顯的拐點(diǎn)，如（b）所示，拐點(diǎn)處磁芯仍工作于磁滯回線的線性區(qū)，因此磁芯導(dǎo)磁率基本維持不變，也并未出現(xiàn)飽和，由此可知磁芯在拐點(diǎn)處應(yīng)該出現(xiàn)了層間擊穿，導(dǎo)致磁芯性能急劇下降，層間擊穿使磁芯實(shí)際使用的磁感應(yīng)增量并未達(dá)到理論的設(shè)計(jì)值，因此磁芯發(fā)生擊穿時(shí)將導(dǎo)致其伏秒數(shù)利用率不充分，由式（5）計(jì)算可知，工作電壓9kV時(shí)對(duì)應(yīng)層間電壓約為3.6V；工作電壓增大至10kV時(shí)，擊穿點(diǎn)向前移動(dòng)到i=85ns處，如（c）所示；當(dāng)工作電壓進(jìn)一步提高時(shí)，擊穿點(diǎn)前移到脈沖前沿階段，波形平頂階段看不到明顯的缺口，但波形將出現(xiàn)明顯的頂降，如（d）所示。

　　根據(jù)式（5）分析可知，減小磁芯的帶材寬度A可以有效地降低磁芯地層間電壓，從而提高加載在磁芯兩端的工作電壓，提高磁芯伏秒數(shù)的利用率。給出了第二組帶材寬度d=10mm的磁芯，工作脈寬為200ns時(shí)負(fù)載上的電壓電流波形圖，（a）的工作電壓為9kV，其設(shè)計(jì)的磁感應(yīng)增量AB約為1.28了；（b）的工作電壓為14kV，其設(shè)計(jì)的磁感應(yīng)增量AB約為2.00了。由（a）可以看到，磁芯帶材層間沒(méi)有發(fā)生擊穿，波形平頂階段很平坦，由式（5）分析可知由于帶材寬度減小了一半，此時(shí)磁芯層間電壓將為1.8V，小于磁芯層間耐壓能力。如果根據(jù)組帶材寬度d=20mm磁芯的實(shí)驗(yàn)結(jié)果，磁芯層間耐壓能力約為3. 6V，對(duì)于10mm帶材重疊的磁芯，擊穿時(shí)對(duì)應(yīng)的電壓應(yīng)為18kV，但實(shí)驗(yàn)中在14kV時(shí)，就發(fā)生了擊穿現(xiàn)象，此時(shí)磁芯層間電壓約為3V.其原因可能是由于10mm與20mm帶材自身的層間耐壓存在一定的差異。

　　tapewidthof10mm采用10mm帶材重疊，不同電壓下，負(fù)載上的電壓電流波形脈沖寬度300 ns時(shí)負(fù)載上的電壓電流波形給出了組帶材寬度d=20mm的磁芯，工作電壓為9kV，增大脈沖形成網(wǎng)絡(luò)輸出脈沖寬度至300ns時(shí)負(fù)載上的電壓電流波形圖，設(shè)計(jì)使用的磁感應(yīng)增量AB約為1. 92了。與對(duì)比分析可知，當(dāng)工作電壓維持不變，僅增大工作脈寬，其擊穿點(diǎn)位置將基本維持不動(dòng)。根據(jù)式（5）也可知，在磁芯確定情況下，僅改變工作脈寬、不改變工作電壓時(shí)，層間電壓并沒(méi)有降低。

　　表1帶材寬度d=20mm，不同工作電壓、脈寬下磁芯能量傳遞效率表1給出了組帶材寬度d=20mm的磁芯在不同工作電壓下的能量傳遞效率，由表中數(shù)據(jù)可以看到，磁芯在擊穿前其能量傳遞效率隨著工作電壓的增大在逐漸的減小，其主要原因是由于工作電壓的增大使磁芯的磁感應(yīng)增量AB增大，同時(shí)導(dǎo)磁率減小，導(dǎo)致磁芯渦流損耗、勵(lì)磁電感引起的損耗都逐漸增大，但能量傳遞效率減小量總體來(lái)說(shuō)很小；而發(fā)生擊穿后其能量傳遞效率則急劇下降，因此能量傳遞效率的變化趨勢(shì)也可以作為判斷磁芯是否發(fā)生層間擊穿的一個(gè)依據(jù)。

　　3結(jié)論基于直線變壓器升壓技術(shù)脈沖功率源輸出的脈沖寬度的等效頻率一般在MHz以上，工作電壓都在數(shù)十kV以上，因此使用的磁芯通常由厚度為數(shù)十pm的磁芯薄帶螺旋卷繞而成，并且在薄帶之間加上絕緣薄膜層，對(duì)于無(wú)層間絕緣處理的磁芯應(yīng)用較少。本文對(duì)國(guó)內(nèi)生產(chǎn)的納米晶磁芯開(kāi)展研究，該磁芯薄帶之間無(wú)絕緣薄膜層，但在工藝處理過(guò)程中由于氧化作用，層間會(huì)形成氧化膜，實(shí)驗(yàn)研究表明，該氧化膜的耐壓能力可以達(dá)到3.03. 6V.實(shí)驗(yàn)研究還表明當(dāng)層間電壓大于其層間氧化膜所能承受的大電壓時(shí)，出現(xiàn)層間擊穿，此時(shí)負(fù)載上輸出波形將出現(xiàn)拐點(diǎn)，輸出波形質(zhì)量急劇惡化，導(dǎo)致磁芯的磁感應(yīng)強(qiáng)度利用率不能達(dá)到設(shè)計(jì)值。理論分析表明減小帶材厚度、帶材寬度，增大磁芯的有效截面積可以降低磁芯層間的電壓，實(shí)驗(yàn)研究也表明當(dāng)磁芯帶材寬度由20mm減小為10mm時(shí)，磁芯兩端可承受的工作電壓由8kV增大到14kV，與理論值基本一致。