非晶及纳米晶在磁压缩器中的应用
Application Amorphons and Nanocrystalline Material
in Magnetic Pulse Compression Circuit

摘要：本文简述了脉冲磁压缩工作原理和设计要点，重点介绍了非晶态合金及超微晶合金铁芯的损耗P.饱和磁感Bs及剩磁Br 对磁压缩电感器的体积、效率及压缩效果的影响。以实例给出了铁芯设计计算的方法，介绍了铁芯的 绝缘和复位方法，指 出了各种软磁材料制作磁压缩激光器的优缺点，说明FeNbCuSiB微晶铁芯是较理想的材料，其 Br/Bs=0.9
关键词：磁压缩 激光器 非晶微晶铁芯 软磁材料 高磁化率 损耗 饱和电抗器

1、脉冲磁压缩技术及其原理
在雷达、声纳，直线感应加速器及激光器等仪器的设备中，需要获得短时强脉冲电流，目前最可行的办法是利用磁压缩技术来获得强脉冲电流。利用高压脉冲磁压缩技术可以获得寿命长、效率高、稳定可靠的综合技术指标。磁压缩的原理是对获取时间较长的低峰初始功率源，通过几个脉冲调节阶段，将能量储存、调整，再以开关的形式供给最终负载，加在负载上的最终短时高能量，比原始功率源的峰值能量大几个数量级。通俗一点说，磁压缩是利用电磁技术把一个脉冲压缩成为峰值更高，脉冲时间更短的窄脉冲。

图1示出二级压缩电路及电流波形示意图(1)，说明磁压缩工作原理。
首先通过充电回路C1→L1→L2→L3→R，向电容C1充电，当K闭合时，C1向电容C2充电，由于可饱和电抗器L2刚导通，感抗很大，相当于断开，因此L2中流过的电流很小，可忽略。当C1放电、C2充电完毕时，L2饱和，此时L2感抗很小，这样按C2→C3→L2途径，C2向电容C3充电，这时L3（第二个可饱和电抗器）刚导通，感抗很大，相当于断开，当C2放电、C3充电完毕后，L3饱和，这样C2和C3上的电荷一起向负荷R放电。
如果设相应的回路时间常数为τ1，τ2，τ3，当忽略电路中的损耗时，三个回路中的电流与其时间常数之间存在如下关系：

若在上述电路中选择合适的时间常数使：

那么，就有 i3＞i2＞i1，这样就得到越来越窄的电流脉冲，从而形成压缩。根据需要，可以设计多级压缩，但要基于电路中的各种损耗小，否则效率很低。

2 脉冲磁压缩设计

为简单起见，以图2所示的单级磁压缩为例，说明其设计计算方法［2］。
先考虑为电容C2充电，设此时间常数为τ1，则：

这里CT1为：

为最大限度地转化能量，电容C1与电容C2相等，这样有

若要使可饱和电抗器S2饱和，所需时间τsat为:

这里△B为磁芯磁通密度的变化量(T)，A为磁芯的总有效截面积(m2)，V为施加在S2上的电压(V)，N为S2上的绕线匝数。
为了对C2最大限度充电，应该是当完成充电后，S2即饱和开始使C2放电，这时有关系：

而S2未饱和时，其电感值应为:

这里l为磁芯的磁路长度，μr为S2未饱和时相对磁导率，μo为真空磁导率，一旦S2饱和，C2向电容C3的放电时间：

这里

压缩比由下列关系确定

又有
称为次级回路电流上升率对初级回路电流上升率的比。可见δ倍脉宽压缩可降低（δ）2倍电流上升时间，使前沿变陡。

3 铁芯及可饱和电感设计
若要实现理想的压缩效果，在一些电路参数的制约下，关键是如何选取磁芯材料和电感的设计，在磁压缩中要求电感S2不饱和时具有尽可能大的电感值L4，而饱和时的电感值L5尽可能小，一般要求
L5< 1μH
且 L4/L5>500
由⑦式可知，电感值只能靠铁芯的磁导率变化来调整，具有高方形比磁滞回线的铁芯可以满足此求。图3为磁压缩电感和电流的瞬态变化示意图。

设LS=0.5μH，取N=1，用n块 φ60/100 ×20(mm)的高方形比超微晶FeCuNbSiB)铁芯，其AC=2.8cm2， l=24.82cm，按式⑦将μ0=4π10-7H/m并将N、l、A等值代入可求得：
nμr=352.8
铁芯饱和时，设H=400A/m，此时 μr=100左右，可求得:
n=3.528， 取n=4
由闸流管的特性知，当电流脉冲时间大于300ns时，其损耗可大大降低，设τs=300ns，由激光放电电压考虑，电压V取13000V，代入⑤式中可求得
△B=1.741T
由 △B=Bs-（-Br）=Bs+Br
可知若选用Bs=1.20T的超微晶铁芯，用磁场热处理获得Br =0.7T，即可满足上述设计，而此时Br/Bs=0.59是完全可以做到的。另外按L>500Ls可以得出S2不饱和时μ>500μs即 μ>50000也是完全可以做到的。因此选用4块△φ60/100×20（mm）铁芯，经纵向磁场热处理达到Br≥0.7T即可以满足上述设计。

4 电感铁芯的Bs值和铁芯损耗
由公式⑤可以知道，在给定电压值时，τsat与△B、N和A三者乘积成正比，N不能大，否则，饱和电感将太大。因此，如果选用△B大的材料，可以减小铁芯的体积。△B大的首要条件是材料的Bs值要高，Metglas2605Co 是一种具有Bs=1.8T的含Co 铁基非晶，其△B可达3.4T，可以大大减小电感的体积和重量，然而其损耗不够小，影响了效率。
磁压缩用铁芯工作在高磁化率状态下，损耗是铁芯的重要性能指标。损耗降低效率并导致铁芯温升增大，最终限制使用频率或重复频率。在磁压缩中高的重复频率对输出高的平均功率是必要的，而损耗主要是感生涡流损耗。有两个基本的方法可以降低涡流损耗：（1）减小叠层带的厚度；（2）使用高电阻材料。非晶态合金含有大量类金属原子并且具有玻璃态结构而使其电阻率一般常规磁性材料的电阻率高2～4倍，非常适合这类应用。然而除了用薄膜绝缘金属薄带外，电阻率最大的要数铁氧体材料了，其电阻率高达6×106μΩm，因此，除体积大的缺点外，很多情况下都用铁氧体来做磁压缩电感。为了降低损耗，提高压缩器的效率，也采用了Co基非晶［3，4］，为降低损耗，使用更薄的Co基非晶带可以得到更高的效率，图4为铁基非晶2605Co和钴基非晶2705M的损耗与饱和磁化时间的关系。可见Co基非晶比Fe基非晶的损耗低一个数量级。

由以上讨论可知，每种材料各有优缺点，需要有一种综合性能好的材料，△B高、损耗低、电阻率高，我们认为铁基超微晶材料是较为理想的材料，因为其损耗与Co基非晶接近，Bs值介于间，比Co基非晶高0.5T，并且在实验中已经制出Br/Bs=0.9、尺寸达φ60/120× 30（mm）的超微晶铁芯，适用于磁压缩铁芯，经用户使用非常理想。表1列出几种软磁材料的特性，可供用户选择使用。


5 铁芯的绝缘与工作点复位
由于此类应用中电压很高（≥2×104V），铁芯与线圈之间要有很好的绝缘，此外铁芯层与层之间也会感应很高的电位差，形成层间放电，影响波形和整机工作的可靠性和稳定性。解决的办法是在带的层与层之间加绝缘膜。为了使铁芯的填充系数足够大，此绝缘膜厚度应小于10 μm，目前国外最薄已有2.5μ m。加绝缘膜还减小了涡流损耗，美国商品采用的是6μm厚的聚酰亚胺薄膜，填充系数达到0.63～0.67。
另一个办法是将铁芯浸入油中，这样即增加了层与层之间的绝缘，又可使铁芯热量散发到油中，经用户实用，此办法很好，优点是可以不用价格较贵的聚酰亚胺薄膜，同时也不降低铁芯的填充系数，体积较小，效率相对较高。还可以采用其它绝缘材料和涂层。
前面谈到，为了得到大的 △B，必须有复位电路，以使铁芯复位到-Br，从而得到△B=Bs+Br较大的磁通变量，这样有一部分能量反馈回驱动电路，这就降低了效率，并增大了闸流管的负向脉冲，尤其在多级压缩电路中情况更复杂。在个别电路中，如上述单级压缩电路中可以不需要复位电路，因为光输出发生在激光器电压脉冲的正方向，磁压缩铁芯在激光器电压脉冲的负向复位。没有复位可以简化电路并降低损耗。
实验证明，具有中等Br和低Br的铁芯，其压缩效果远不如高Br铁芯好，高Br铁芯饱和电感与不饱和电感差别更大，这是磁压缩的关键所在。

6 结束语
磁压缩技术对磁性材料的要求是非常苛刻的，Bs值高、Br高、损耗低、填充系数高、耐高压，到目前，还没有一种十分理想的材料能满足这些要求，相信随着磁压缩这项高技术的发展，会有更好的材料问世并推动技术进步。