直线型变压器磁芯伏秒特性与层间绝缘关系

磁芯是基于直线变压器升压技术的脉冲功率驱动源关键部件之一，由于其等效工作频率都在MHz以上，为了降低高频涡流损耗，目前多采用厚度为数十pm的非晶或纳米晶带材多层卷绕而成。脉冲工作时，每层带材中都会感应出相应的涡流，相邻层间就会出现感应电压，当相邻层间导通时，就会形成较大的层间涡流回路，使得涡流损耗迅速增大，从而降低脉冲功率源的能量传递效率及磁芯的伏秒利用率4，重复频率工作时还会导致系统发热，严重影响系统的稳定性与可靠性。为避免层间击穿导致的不利因素，目前多采用层间绝缘处理的方法，即给带材层间加上绝缘层，提高其耐压值，防止击穿。但由于磁芯在制作过程中需要经过300400C的高温退火处理，因此绝缘层也需要承受退火的高温；同时绝缘层的热膨胀系数应尽量与磁芯的热膨胀系数相同，以减小其对磁芯的应力，因此层间绝缘处理工艺较为复杂，而且成本也较高，同时在一定程度上降低了磁芯的占空比。实际上磁芯在处理过程中自身会形成一层氧化膜，该氧化膜具有一定的耐压能力，如果能够利用氧化膜自身的耐压能力，在设计时保证磁芯在脉冲工作期间不发生击穿，则可以避开加上绝缘层的不利因素。本文从理论上分析了磁芯层间电压影响因素，对磁芯在处理过程中自然形成的氧化膜的耐压能力开展了研究，并讨论了层间击穿对能量传递效率的影响。

1理论分析在实际应用中，通常要充分利用磁芯的磁感应增量AB至大值，从而减小磁芯的体积重量。设计时需要考虑磁芯的伏秒特性，在理想情况下，即加载在磁芯两端的工作电压为矩形方波，此时磁芯伏秒数应满足截面积。一般来说，为了充分利用磁芯的伏秒数，在工作脉冲结束时尽量使得AB达到磁芯可利用的大增量。考虑实际工作中，加载在磁芯两端的工作电压不可能是理想的矩形方波，总是具有一定的前后沿，因此磁芯两端的工作电压U⑴与磁芯中的磁感应增量AB⑴可进一步表示为时间（求导可得由式（3）可知，在不同时刻，磁芯的磁感应强度变化率dB/（是不同的，前后沿阶段加载在磁芯两端的电压较小，因此dB/（也相对来说较小；在平顶阶段U⑴达到大值且处于稳定状态，此时dB/（也达到大值并处于稳定状态。

基金项目：国家高技术发展计划项目；中央高校基本科研业务费专项资金项目（SWTU11CX077）：王庆峰（1979?），男，博士，从事脉冲功率技术研究；wangqing丨engl73163.com.带绕式磁芯通常由厚度为数十的磁芯薄带螺旋卷绕而成，对于每一薄层内部而言，可以近似认为其各点的磁感应强度相同。磁芯在脉冲磁化时，每层中的磁感应强度B都要发生变化，根据法拉第电磁感应原理，每一层磁芯带材内就会出现感应电压，相邻带材间就会出现电压差，由法拉第电磁感应定律可知，相邻层间的层间电压⑴可表示为由式（5）分析可知，磁芯的层间电压与带材厚度夂带材宽度h、加载在磁芯两端的工作电压成正比，与磁芯的有效截面积成反比。

一般来说设计时尽量使得磁芯AB达到其可利用的大增量，因此，实际工作中伏秒数一经确定，磁芯的截面积S也就确定，考虑磁芯AB利用值相同，当磁芯应用于短脉冲条件下时，由于工作脉冲很短，因此其工作电压相对于长脉冲应用时就高得多，此时磁芯层间所要承受的电压就比较高。因此在短脉冲应用中，使用的磁芯一般都专门做层间绝缘处理，其层间耐压能力可以达到数十V，层间耐压能力要求越高，层间绝缘厚度也就越厚，导致占空系数越小。实际上磁芯在处理过程中会形成一层氧化膜，该氧化膜具有一定的耐压能力，如果能充分利用该氧化膜的耐压能力，保证磁芯在脉冲工作期间不发生击穿，则可以避开加上绝缘层的不利因素。

2，电源通过限流电阻只给脉冲形成网络（PFN）充电，开关控制脉冲形成网络直接对LTD放电，通过单匝次级线圈感应到负载电阻只l上。PFN阻抗约2.5脉宽200300ns可调。选用的磁芯内外半径为130mm和80mm，两组磁芯的层间全部不加绝缘层。组带材宽度h=20mm，采用2个重叠；第二组带材宽度h=10mm，采用4个重叠；保证这两组磁芯的截面积S相同。磁芯采用直流复位，因此磁芯的磁感应强度在每一次工作前都处于同一个起点，磁芯的矩形系数约为0.7.中给出了组带材宽度d=20mm，工作电压分别为8，9，10，11kV，脉宽为200ns时，负载上电压、电流波形，设计的磁感应增量AB分别为1.14，1.28，1.42，1.56T，均小于纳米晶磁芯大磁芯增量2.4T.；当工作电压增大至9kV时，在r=128ns附近波形出现了明显的拐点，如（b）所示，拐点处磁芯仍工作于磁滞回线的线性区，因此磁芯导磁率基本维持不变，也并未出现饱和，由此可知磁芯在拐点处应该出现了层间击穿，导致磁芯性能急剧下降，层间击穿使磁芯实际使用的磁感应增量并未达到理论的设计值，因此磁芯发生击穿时将导致其伏秒数利用率不充分，由式（5）计算可知，工作电压9kV时对应层间电压约为3.6V；工作电压增大至10kV时，击穿点向前移动到i=85ns处，如（c）所示；当工作电压进一步提高时，击穿点前移到脉冲前沿阶段，波形平顶阶段看不到明显的缺口，但波形将出现明显的顶降，如（d）所示。

根据式（5）分析可知，减小磁芯的带材宽度A可以有效地降低磁芯地层间电压，从而提高加载在磁芯两端的工作电压，提高磁芯伏秒数的利用率。给出了第二组带材宽度d=10mm的磁芯，工作脉宽为200ns时负载上的电压电流波形图，（a）的工作电压为9kV，其设计的磁感应增量AB约为1.28了；（b）的工作电压为14kV，其设计的磁感应增量AB约为2.00了。由（a）可以看到，磁芯带材层间没有发生击穿，波形平顶阶段很平坦，由式（5）分析可知由于带材宽度减小了一半，此时磁芯层间电压将为1.8V，小于磁芯层间耐压能力。如果根据组带材宽度d=20mm磁芯的实验结果，磁芯层间耐压能力约为3.6V，对于10mm带材重叠的磁芯，击穿时对应的电压应为18kV，但实验中在14kV时，就发生了击穿现象，此时磁芯层间电压约为3V.其原因可能是由于10mm与20mm带材自身的层间耐压存在一定的差异。

tapewidthof10mm采用10mm带材重叠，不同电压下，负载上的电压电流波形脉冲宽度300ns时负载上的电压电流波形给出了组带材宽度d=20mm的磁芯，工作电压为9kV，增大脉冲形成网络输出脉冲宽度至300ns时负载上的电压电流波形图，设计使用的磁感应增量AB约为1.92了。与对比分析可知，当工作电压维持不变，仅增大工作脉宽，其击穿点位置将基本维持不动。根据式（5）也可知，在磁芯确定情况下，仅改变工作脉宽、不改变工作电压时，层间电压并没有降低。

表1带材宽度d=20mm，不同工作电压、脉宽下磁芯能量传递效率表1给出了组带材宽度d=20mm的磁芯在不同工作电压下的能量传递效率，由表中数据可以看到，磁芯在击穿前其能量传递效率随着工作电压的增大在逐渐的减小，其主要原因是由于工作电压的增大使磁芯的磁感应增量AB增大，同时导磁率减小，导致磁芯涡流损耗、励磁电感引起的损耗都逐渐增大，但能量传递效率减小量总体来说很小；而发生击穿后其能量传递效率则急剧下降，因此能量传递效率的变化趋势也可以作为判断磁芯是否发生层间击穿的一个依据。

3结论基于直线变压器升压技术脉冲功率源输出的脉冲宽度的等效频率一般在MHz以上，工作电压都在数十kV以上，因此使用的磁芯通常由厚度为数十pm的磁芯薄带螺旋卷绕而成，并且在薄带之间加上绝缘薄膜层，对于无层间绝缘处理的磁芯应用较少。本文对国内生产的纳米晶磁芯开展研究，该磁芯薄带之间无绝缘薄膜层，但在工艺处理过程中由于氧化作用，层间会形成氧化膜，实验研究表明，该氧化膜的耐压能力可以达到3.03.6V.实验研究还表明当层间电压大于其层间氧化膜所能承受的大电压时，出现层间击穿，此时负载上输出波形将出现拐点，输出波形质量急剧恶化，导致磁芯的磁感应强度利用率不能达到设计值。理论分析表明减小带材厚度、带材宽度，增大磁芯的有效截面积可以降低磁芯层间的电压，实验研究也表明当磁芯带材宽度由20mm减小为10mm时，磁芯两端可承受的工作电压由8kV增大到14kV，与理论值基本一致。