激光触发开关的电参数测量研究_计量标准器具_中国百科网
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激光触发开关的电参数测量研究
    摘 要:为进行pts装置单路样机触发开关的调试,设计安装了相应的电压电流探头。通过对比分析了探头 测量结果,解释了开关出口d-dot电压探头波形畸变的原因,并运算得到了正确的波形。b-dot探头得到了与模拟结果符合的电流微分信号和电流信号。实 验结果表明: d-dot探头适合mv量级的高电压脉冲测量,但当该探头工作在开关区时,设计中需要对比探头与被测电极以及其它电极的结构电容,只有满足结构电容远大于 与其它高压电极的电容时,才能获得较真实的信号。如果结构设计中难以满足该要求,可以采用软件处理方法得到正确的波形。使用b-dot探头输出的电流微分 信号可以较为准确地得到开关导通延迟时间,测量误差小于0.7 ns。为了研制多路并联输出、负载电流为数ma的超高功率电脉冲装置,建造了包含marx发生器、脉冲形成单元和脉冲传输单元的单个模块(单路样机) [1]。脉冲形成单元主要由激光触发多级多通道开关[2]和脉冲形成线组成。由于激光触发开关的工作电压较高(约为4 mv),因此,与电阻分压器相比,使用电容分压器或d-dot探头可以有效避免沿面闪络的发生,更适合脉冲高电压的测量;而开关区直径较大,采用b- dot探头测量电流比罗氏线圈或分流器更为方便。d-dot探头[3-7]原理类似电容分压器,其输出正比于输入电压对时间的微分信号,将输出信号积分后 可获得电压信号。b-dot探头[6-8]又称磁耦合环,其输出正比于被测电流对时间的微分信号。作为非接触测量手段,两类探头都具有对被测系统影响小、 体积小和响应较快等优点,因此在脉冲功率装置上得到了广泛应用。本文给出了针对激光触发开关的电压电流测量而设计的探头,以及实验结果分析。1 探头的设计1.1 电压探头设计开关d-dot电压探头结构见图1。探头直径44 mm,假设屏蔽罩(高压电极)与探头间为均匀电场,根据d-dot探头的原理[3-7],估算探头与高压电极之间的结构电容c约为0.08 pf,探头输出vout约50 v,当使用积分常数rc=13.2&s的积分器时,计算探头灵敏度为3.2 mv/v,假设主开关的工作电压为4 mv,则输入到示波器的测量值约1.25 v。实际由于屏蔽罩与外筒间不是均匀电场,因此探头与屏蔽罩之间的结构电容会小一些,即探头的输出信号会小于理论值。探头对地的结构电容cg按同轴结构估 算为76 pf[9],核算rcg=3.8ns(r为取样电阻值,当电路中不使用电阻时,等效为信号电缆的波阻抗),模拟电路计算开关入口电压的前沿约为800 ns,出口电压前沿约为200 ns,因此可以满足rcg tr要求,其中tr为被测脉冲前沿。1.2 电流探头设计开关b-dot电流探头是使用一个修改过的密封电缆头焊接感应线圈而成(如图2所示),结构简单而且达到了密封油介质的目的。感应线圈为3匝 14 mm&7 mm方形截面线圈,当线圈截面与磁通垂直时,线圈等效截面积约为300 mm2。根据b-dot探头的原理[6-8],估算探头输出约300 v。但是考虑到探头安装在外筒壁的孔中,耦合到的磁通大约为阴阳极之间磁通的1/3[8],因此估计探头输出约100 v。b-dot电流探头直接与传输电缆相连,不设信号电阻。由于电缆末端有匹配电阻,因此电缆的波阻抗等效为信号电阻。估算的感应线圈电感l&30 nh[10],核算l/r=0.6 ns,可以满足l/r tr要求。1.3 探头布局d-dot电压探头安装在开关的入口和出口,分别对着开关入口和出口端的屏蔽罩;b-dot电流探头安装在主开关的入口。为防止气泡的产生以及考虑安装的方便,探头在开关外筒选择在下方45&的角向位置。探头布局如图3所示。由于开关入口端连接的中储以及与出口端连接的形成线都有经过幅值标定的电压探头[4, 11],在开关区安装电压探头主要是为了将其测量结果与中储和形成线波形进行比较,便于判断是否存在绝缘击穿;安装电流探头主要是为了测量电流的微分信 号,从而获得开关的触发延迟时间,因此都不需要进行严格的幅值灵敏度标定。2 实验结果分析2.1 电压探头测试结果分析单路样机典型的开关入口电压测量波形和中储电压波形见图4,图中,vin为开关入口电压波形,vis为中储电压波形。出口电压测量波形和形成线 电压波形见图5,图中,vex为出口电压波形,vpfl为形成线电压波形。单路样机的电路模拟结果主开关波形见图6,图中,vin为开关入口电压波 形,vex为出口电压波形。理论分析和模拟的结果是:开关入口电压应当与中储的出口电压一致,而开关出口电压应当与脉冲形成线的入口电压一致。分析同一发的测试波形发现: 开关入口电压波形与中储波形一致(如图4所示),开关入口电压的从零到顶点的上升时间为773 ns,而中储电压波形为804 ns,两者相差31 ns。这是由于中储电压探头安装在中储的中部。在开关导通时刻,中储中部的电压仍在上升,直至返回的电压波到达时电压才下降。因此中储中部的电压波上升时 间要长于中储的出口。而中储中间距出口端约1 m,电长度正好为30 ns。因此可以判断开关入口电压探头的测量结果是正确的。开关出口电压波形在开关导通之前存在基线的偏移,与形成线电压波形以及电路模拟波形明显不符(如图5所示)。分析原因如下:当开关导通之前,中 储充电过程为&s量级,而开关区采用的是油介质,电磁波速快,因此可以按静电场考虑开关区的电场分布。由于开关区的结构限制,使出口电压探头的安装位置距 离出口屏蔽罩较远,且出口屏蔽罩本身尺寸较小,导致耦合电容较小,因此探头与入口屏蔽罩的耦合电容不能忽略。综合上述因素可以得出:出口探头的输出波形的失真是由于感应了入口的电场,出口电压探头的输出电压式中:v&ex(t)为实际出口电压;vin(t)为入口电压;k1为出口探头与出口高压电极之间的耦合系数(由探头与被测电极的结构电容、取样电阻和积分常数等确定);k2为出口探头与入口高压电极之间的耦合系数。因此,实际的出口电压为在入口电压已知的情况下,确定k2就可以得到正确的出口电压波形。通过在开关入口端馈入一个电压脉冲,测量出口探头的输出就可以获得k2。修正后的出口电压波形如图7中的v&ex所示。该波形与形成线电压波形以及电路模拟波形一致,因此可以判断该运算方法是正确的。fig.7 amended voltage waveform of switch export图7 修正后的开关出口电压波形2.2 电流探头测试结果及误差分析单路样机典型的开关电流的微分信号和通过软件积分得到的电流波形见图8,图中,di/dt为电流的微分信号,i为开关电流波形。开关电流的电路 模拟结果见图9,测量结果与模拟分析一致,可以判断测量结果是正确的。测量开关的di/dt信号主要是为了获得开关的触发延迟时间,定义为激光脉冲上升沿 的10%时刻与di/dt上升沿的10%时刻之间的时间差值[2]。采用di/dt信号是由于其上升沿远远快于电流信号,因此测量误差较小。时间量误差由 以下几个方面组成:(1)读数误差,是由幅值测量读数精度限制的时间读数误差;(2)示波器的采样点间隔带来的误差,示波器的采样点间隔=1/采样率; (3)示波器的时基误差;(4)测试系统(探头、电缆和示波器)频率响应造成测量误差。示波器的标检证书给出的时基误差为小于10&10-6,当水平灵敏度为每格百ns范围时,时基误差约为ps量级,可以忽略;而且当测试系统频率 响应符合测试要求时,也可以不考虑其误差影响。因此时间量误差主要由(1),(2)项决定。按照输入量不相关时的误差合成方法,di/dt信号上升沿的 10%时刻的测量误差表示为式中:&1为读数误差,由于di/dt信号上升沿约为5 ns,因此确定10%时刻的读数误差小于0.5&2为采样点间隔带来的误差。当示波器采样率为5&109点/s时,采样点间隔为0.2 ns。计算&a=0.5 ns。同理可得激光信号的测量误差&b=0.5 ns。再次进行误差合成,可得开关的触发延迟时间的测量误差&=0.7 ns。3 结 论通过pts单路样机激光触发开关d-dot电压探头和b-dot电流探头的设计和实验,可以得出:当d-dot探头工作在开关区时,设计中需要 对比探头与被测电极以及其它电极的结构电容(主要由距离和有效面积决定),只有满足探头与被测电极间的结构电容远大于与其它高压电极的电容,才能获得较真 实的信号。如果结构设计中难以满足该要求,可以采用软件处理方法得到正确的波形。使用b-dot探头输出的电流的微分信号可以较为准确地得到开关导通延迟 时间,测量误差小于0.7 ns。参考文献:[1] feng shuping, li hongtao,xie weiping, et al. operation of prototype of z-pinch primary test system[c]//1steuro-asian pulsed powerconference. .[2] 李洪涛,王玉娟,丰树平,等. 4 mv激光触发多级多通道开关特性[j].强激光与粒子束, ):. (li hongtao, wangyujuan, feng shuping, et al. switching property of 4 mv laser-triggered multistage switch.high power laser and particle beams, ):)[3] 刘金亮,怀武龙,霍哲,等.一种测量脉冲高电压的电容分压器[j].强激光与粒子束,):122-124.(liu jinliang, huai wulong,huo zhe, et al. a compact capacitive divider for measuring pulse high voltage.high power laser and particle beams, ):122-124)[4] 卫兵,傅贞,王玉娟,等.脉冲功率装置中电容分压器的设计和应用[j].高电压技术, ): 39-43. (wei bing, fu zhen, wangyujuan, et al. design and performance of capacitive divider for high-voltage pulse measurement.high voltage engineering, ):39-43)[5] struve k w. design, calibration and performance of water diagnostics on the pbfa z[c]//11th ieee international pulsed power confer-ence. -1306.[6] 曾正中.实用脉冲功率技术引论[m].西安:陕西科学技术出版社,. (zeng zhengzhong. introduction to practical high powerpulse technology. xi&an: shaanxi science and technology press, )[7] stygar w a, spielman r b, ives h c, et al. d-dot and b-dot monitors for z-vacuum-section power-flow measurement[c]//11th ieeeinternational pulsed power conference.63.[8] 卫兵,顾元朝,周荣国,等.真空磁绝缘线b-dot电流探测器的研制[j].高电压技术, ):188-191. (wei bing, gu yuanchao, zhourongguo, et al. design of b-dot monitor in magnetically insulated transmission line.high voltage engineering, ):188-191)[9] 清华大学电力系.冲击大电流技术[m].北京:科学出版社,1978:77. (department of electric, tsinghua university. impulsion high currenttechnology. beijing: science press, 1978: 77)[10] 卡兰塔罗夫,采伊特林.电感计算手册[k].北京:机械工业出版社, 1992(калантаровпл,цейтлинла.расчетиндуктивностейсправочнаикнига. beijing: china machine press,1992)[11] 夏明鹤,孟维涛,丰树平,等.同轴-三平板型水介质脉冲输出开关实验研究[j].强激光与粒子束, ):. (xia ming-he, meng weitao, feng shuping, et al. investigation of coaxial-triplate water dielectric output switch.high power laser andparticlebeams, ):)
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