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大功率低感电阻负载的设计


大功率低感电阻负载的设计
吕治辉,张建德,杨建华
(国防科学技术大学光I乜科学勺丁程学院,K沙410073) 摘要:负载是脉冲功率实验中不可缺少的设备之一。I也阻负载使用简单,无需连接抽真窄的设备, 通过测量采样电压可达到同时测量负载电压电流的目的,减小'r实验的-T作强度。奉义根据电磁学的基 本理论,设计了一种能够承受40kh,40ns的单脉冲,脉冲反射小,

阻值稳定,具有变阻抗传输线结构的 低感电阻负载。 关键词:电阻负载:趋肤效应;热效应:电动力:阻抗匹配 中图分类号:TL823
文献标识码:A

负载是脉冲功率实验中不可缺少的设备之一。在水介质强流相对论电子束加速器实验中 通常选用真空二极管作为负载,但在调试脉冲产生和形成部分时,电阻负载具有更大的优 越性。电阻负载使用简单,无需连接抽真空的设备,通过测量采样电压可达到同时测量负 载电压电流的目的。为方便实验室一条7 Q水介质脉冲形成线的调试,我们打算研制一个 大功率电阻负载,要求能够承受40kA,40ns的单脉冲,脉冲反射小,阻值稳定、电感值小。 本文将根据电磁学的基本理论,从趋肤效应、热效应、电动力、减小电感等角度,对人功 率低感电阻负载进行工程上的设计考虑。

1材料的选择
为了使电阻负载达到很好的热、电稳定性,宜选取金属作电阻。虽然采剧电阻丝和金 属膜电阻都能够设计出符合要求的电阻负载,但电阻丝更能延长电阻负载的使用寿命。通 过对金属及合金电阻率的比较,我们选用电阻率相对较高的镍铬合金Ni80Cr20电阻丝。

2结构的选择
对于电阻负载的结构,为了减小波的反射,根据[1],宜选择变阻抗传输线结构,其内 筒为平顶圆锥形,外筒选用实验室一个0300mm(内径)x345mm(艮度)的不锈钢筒。 根据外筒尺寸,内筒长度选择323mm,底端半径选择140mm,顶端?},.径选择53ram以达 到与脉冲形成线阻抗的匹配。内筒采用一个高分子材料的骨架为支撑,其侧面刻槽以同定 电阻丝,结合加工时取料上的考虑,将骨架设计为四段组合结构(图1)。前端利用一个铜 接头与脉冲形成线输出端相连,在铜接头环形面上开多个小孔,起圊定电阻丝的作用。在 骨架底部有两个铜环,用一个高分子绝缘环将其隔离,电阻丝经第一个铜环同定后,穿过 高分子绝缘环上的小孔再固定在第二个铜环上与地相连。整个电阻负载充满水,通过定标 后对末段两个铜环采样电压的测量,以达到对整个负载电压、电流同时测量的目的。

—.508—.

由于Ni80Cr20电阻率为1.14衅?m,考虑到电阻承受能力的限制,要使电阻负载与脉
冲形成线匹配,达到7f2的电阻值,必须采用电阻丝绕制的办法。电阻丝的螺旋绕线可能 会带来很大的电感。根据电感的计算公式L=西/I,为了减小电感,可采用多根电阻丝双向 绕线以抵消磁通量的办法,如图2所示,绕线时将电阻丝编织成网,使得顺时针和逆时针

图I

高分子骨架结构不意图 图2电阻丝绕线刁÷意图

旋转的电阻丝数目相等,互相对称,由于电阻丝相交点都是等电位点,不会影响电阻丝中 电流的重新分布,从而电流顺时针和逆时针两方向电流分量相互抵消,内筒的内部磁通量 为零,磁力线主要集中于内筒和外筒之间。

3电阻丝规格的选择
对40ns的脉冲电流而言,考虑其主频率,其趋肤深度为万=J2/(co/『』cr),其中叫为角频
率,∥为磁导率,t7为电导率,计算得6=0.1mm。由于电阻丝的相互影响,其趋附效应分 析起来较复杂,如果使用较粗的电阻丝,电阻负载的阻值很难计算,因此为an-I-电阻负载 时确定电阻值的方便,应选择半径不超过趋肤深度的电阻丝。 电子丝的受力情况可通过图3分析,其中箭头 表示电流方向。对电阻丝B而言,由于附近电阻丝 A、C的磁场相互抵消,B不受到A和C的电动力 作用,因此同向的电阻丝相互之间基本没有力的作 用。对不同方向的电阻丝而言,如图5中所示,D 将受到A、C联合的一个力偶作用,骨架两端需给 D一个很大拉力才能使其达到平衡,所以将电阻丝 拉紧是有必要的,否则电阻丝将产生较人的滑动。 值上为
图3 f乜阻丝l】c)4的局部图



根据Coulomb定律,较粗略的计算,两相邻交点之间的电阻丝所受电动力71起的力偶在数

M≈2了/cosO(.2P—Ix。石1告)鱼cos0≈争砰D两2



其中,为每根电阻丝上电流大小,D为两同向电阻丝之间的距离。取d=0.2mm,

D=5mm,I=2kA,计算得M≈3N.m,要使电阻丝平衡,则电阻丝还需受到一个的作用

..509——

拉力的,假设电阻丝在力偶作用下,转动角度为0.01弧度,电阻丝所受拉力约为60000N, 但由于脉冲经历时间短。电阻丝受到的冲量较d、(40ns的脉冲为2.4x10’3N-S),同时Ni80Cr20 电阻丝和高分子骨架都具有很好的韧性,因此普通电阻丝都能承受脉冲电流所产生的电动 力的。 根据以上的分析和市场上电阻丝的规格,这里选取①0.2ram的Ni80Cr20的电阻丝,直 流时电阻为36.3fl/m。

4电阻丝根数和长度的确定
要使得电阻负载阻值为7Q,电阻丝根数疗和长度伊应满足关系36.31r/n=7。考虑到电

阻丝根数对电阻负载总电感的影响以及电阻丝的热效应,需要对绕线的电阻丝根数作出选
择。 电阻负载的电感的计算很复杂,但根据[2],封闭电路的总自感等于各部分的自感之后 加上各部分对所有其他部分的互感之和,因此电阻负载的电感三满足以下关系

2珈扣75]+瑶in掣产炽k房.n竿引。
d(mm) 0.2 0.2 0.2


其中”为电阻丝根数,d为电阻丝的直径,,为内筒长度,a为内筒顶端半径,b为内筒底 端半径,∥为导磁系数。(1)式最左端第一项为n根电阻丝并联后的电感,第二项是将电阻 丝层考虑为连续导体后所构成的传输线的电感。表1列出了选取不同电阻丝根数时电阻负 载电感的范围。从(1)式和表l可看出,,电阻负载电感随电阻丝根数的增多而减小,而 电阻丝直径对电阻负载电感的影响不大,因此设计电阻负载时应使电阻丝根数尽量多,这 一点受到绕线工艺和电阻丝电流承受能力的限制。

L(nH)所神i范围
31~186 31~134 31~108

20 30 40 表l不I司仃时?‘电阻负载的电感的比较

当电阻丝所承受的脉冲电流很大,电阻丝温度超过水的沸点时,将会有一定气泡产生, 脉冲较长时可能导致水的击穿,因此应使得电阻丝表面的温度变化在50K以下。为了计算

较细的电阻丝(忽略趋肤效应)可承受的最大电流,根据焦耳定律的微分形式P=,2/口,
其中尸为热功率,,为电流密度,盯为电阻丝的电导率。为保守估计,认为脉冲时间很短, 以至于热传导来不及发生,电阻丝的温度变化为△丁=/ZAtI(po'C.,),其中丁为温度,△,为 脉冲宽度,P为电阻丝密度,C卅为电阻丝比热,于是单根电阻丝所能承受的最大电流为

Im。=万d2√警

仄i=:万一 ‘2)

一5lO—

根据此式,对直径0.2mm的Ni80Cr20电阻丝而言,应将其承受的电流控制在2kA以下。 由于在电阻负载尺寸一定的情况下,电阻丝越长,电阻丝的绕制实现起来越困难,考虑电 阻丝尽量短的情况,这里选择n=20,计算可知,每根电阻丝应为It=3.86m,电阻负载总电 感在31nH~186nH之间。

5电感对波形质量的影响



Resistance load

图4

电阻负载工作过程的等效电路

为了分析电阻负载电感对波形质量的影响,这 里采用Pspice软件对脉冲形成线和电阻负载的等
、,

,、、。

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效电路进行模拟。电路图如图4所示,电容约4nF, 阻值7FI,假设电阻负载电感为186nH,模拟得到 电阻负载采样电压的波形,并与纯电阻情况(电感、 电容为零)的采样电压波形对比,如图5所示,可 见电阻负载采样波形与纯电阻情况波形吻合较好, 电阻负载的电感的影响较小。


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6总结

图5

电阻负载电感对波形的影响

本文根据电磁学基本理论,设计了一种具有变阻抗传输线结构的电阻负载,内筒表面

使用Ni80Cr20电阻丝双向绕线,设计参数如表2。经分析该电阻负载能够承受40kA,40ns
的单脉冲,脉冲反射小,阻值稳定,电感较低,达到了设计的要求,但在实际使用中是否 达到设计指标,有待于实验测量。
电阻负载 长度(mm)
345

外简直径
(mm) 300

内简顶端 直径(mml
106

内筒底端 直径(mm)
280

电阻丝直 径d(mm)
O.2

电阻丝

电阻丝长

电阻负载 电感L(nH)
3l~186

根数打
20

度lr(m)
3.86

表2电阻负载设计参数

参考文献
[1]微波技术[M].顾茂章,张克潜.清华大学出版社,1989 [2]电感计算[M].海特维西(德).国防工业出版社,1984

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大功率低感电阻负载的设计
作者: 作者单位: 吕治辉, 张建德, 杨建华 国防科学技术大学,光电科学与工程学院,长沙,410073

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