1前言
在高功率脉冲以及高功率微波等技术领域中，如何通过能量压缩来提高功率密度是一项非常关键的技术。在许多情况下，传输的高功率脉冲信号是有着非常高的电压上升速率（达20000V/ns），还要求高的重复频率、极陡的脉冲前沿、尽可能窄的脉冲宽度，为此如何选取和应用这样的高压开关就是人们最关心的问题。磁脉冲压缩（Magnetic Puls Compress）就是近年来国内外非常热衷的一个研究方向。现实中在雷达发射机及其他高能物理调制器中，有许多类型的开关，真空管如：氢闸流管、电子管等，固态开关有可控硅、IGBT等，但这些开关大都因为耐压、功率容量、可靠性等问题的限制，难以推广应用到高功率微波领域中，而磁脉冲压缩器中的磁开关以它高可靠性、可以承受超高压、可以传输窄脉冲以及自恢复时间短等优点，在高功率微波领域中得到了良好的应用。
磁脉冲压缩技术最早是由英国学者W.S.Mevlville于1952年提出的，最初应用于单脉冲雷达调制器。通过升压和几级脉冲压缩之后，得到足够高的脉冲电压供高频功率管工作。由于它体积小、机械强度高、可靠性好，在弹载机载雷达发射机中得到了广泛的应用。早在抗美援朝战争时期，美国F105型战机的火控雷达发射机就采用了全磁调制器固态技术。本文以我公司为我国某高科技项目所研制的高重频、短脉冲大型磁开关铁心为例，在分析了磁开关的工作原理与工作状态基础上，给出了计算磁开关铁心体积以及损耗的公式，以及为了实现2000Hz高重频以及400ns短脉冲首次将一种进口非晶材料应用到磁开关领域而采取的特殊的工艺技术。
2工作原理
磁开关技术是利用铁磁材料导磁性能的非线性和可恢复性等特点，在外加磁场的作用下，使铁心工作在饱和和非饱和状态，从而实现开关作用。当绕在铁心上的线圈通有足够大的电流时，铁心被迅速磁化，在未饱和前，铁心电感表现为高阻抗，储存能量，在电路中起到了阻断的作用，当外加信号的伏秒面积大于铁心最大磁通密度时，铁心迅速饱和，这时导磁率非常低，电感量和阻抗迅速下降，实现了开通的作用。下面以我所为我国某高科技项目所研制的多级磁脉冲压缩系统中大型磁开关铁心为例，简单说明实用工作原理。试验线路图如图1所示，图中PT1、PT2为项目试验脉冲变压器，1＃、2＃、3＃、4＃为PT2电磁工作状态检测点。工作原理简述如下： 当PT1初级产生较宽脉冲后，次级升压，同时对次级上电容器进行谐振充电，在电容C1上电压增长的同时，磁开关铁心上的电压也相应增加，同时铁心的磁通密度也加大，当电容C1电压达到最大值时铁心饱和。电容器C1放电在PT2的初级产生较窄的脉冲高压，PT2次级产生高压，又对次级的电容器C3进行充电，脉冲结束时PT2工作磁感饱和，充电完毕的电容器C3通过PT2次级放电，产生更窄的脉冲…….如此一级级升压、压缩便可将宽脉冲压缩成纳秒级、脉冲电压更高的窄脉冲。
在本项目中，要实现的指标是将脉宽为2μs的高压脉冲压缩为400ns，脉冲电压幅度为800KV 的超高压脉冲。
3铁心的研制
3.1磁开关的非线性模型
在磁脉冲压缩系统中，磁开关是最关键的核心部件，它是非线性电感，铁心内部由于涡流损耗、磁滞损耗、反常损耗等原因而发生着复杂的磁化和饱和过程。由于磁开关压缩并传输的是高能量脉冲，通常具有极陡的脉冲前沿，db/dt的变化率很快，涡流及趋肤效应明显，铁心内部的带材的磁感应饱和呈现一种类似于冲击波的变化，通常称之为“饱和波”。当铁心的绕组上施加有db/dt的变化率很大的脉冲信号时，快速变化的电场感应出交变的磁场，受这种磁场的影响，铁心表面的带材内部形成了饱和，从外向内发展，逐步饱和，这就是所谓的“饱和波”理论，但是涡流则阻止饱和波向内运动。磁开关的等效电路如图2所示，相当与非线性受控电压源和一个饱和电感（剩余电感）串联。此时，磁开关的电压电流关系为

饱和电感中的反电压Vb取决于磁开关铁心中磁通量的Φ（t）的变化率
，N为磁开关绕组匝数。
3.2 铁心设计
从磁开关的工作过程我们可看出，磁脉冲压缩器的能量传输时间Tn，就是磁开关的未饱和储能时间，也就是铁心的B值从-Br到+Bs所需的时间。根据法拉第定律我们可得：
 (1)
式中U（t）是磁开关两端（电容）的电压；N为磁开关的绕线匝数；Sc为铁心横截面积；ΔB是铁心磁感应强度的变化幅度，从这个公式我们可看出，在一定的匝数的线圈中，要实现一定电压幅度的脉冲压缩，相应的提高ΔB值可以有效减小Sc，也就是可以减小铁心的体积。但是提高磁感密度也会带来其他的损耗问题。从以下三个公式可比较说明：
 (2)
 (3)
 (4)
式中：P涡、P磁分别是铁心的涡流损耗和磁滞损耗；
回路频率：；
δ－带厚cm         V－铁心体积cm3 
f－脉冲重复频率      Xm－末级压缩比；
上面几个公式表明了磁开关铁心各性能参数之间的相互关系，但是磁开关铁心一个重要的参数就是铁心材料的体积及其损耗，这两个参数直接决定了磁脉冲压缩器的效率和功率密度。从公式可看出磁开关磁心体积与脉冲压缩比、磁心材料性能以及脉冲能量的关系。磁心体积与磁通密度增量以及叠片系数成反比，与脉冲压缩比的平方及脉冲能量成正比，在相同的脉冲能量和压缩比的条件下要想使铁心有小的体积，就必须提高ΔB和叠片系数，所以我们就要设法使铁心工作在ΔB的最大值即ΔB=Bs+Br。从式（1）及（2）我们又可看出，要降低有功（P涡）或无功（P磁）损耗，就必须设法减小铁心的体积、矫顽力（Hc）、带材厚度或适当降低ΔB。综合分析上述几个公式，我们不难发现要实现最优化的性能指标，铁心相关的性能参数是相互制约和矛盾的，所以选用合适的铁心材质是设计磁开关铁心的首要课题。磁开关并非真正的固态或真空开关，它的“开”、“关”状态是和铁心的磁化电流成一定相位关系的，我们称磁化电流是磁开关的“漏电流”，由于漏电流的作用，使得磁开关铁心的工作点发生变化，由初始的工作点过渡到饱和点，从而实现了“关”与“开”。
基本公式是 (5)
式中HC是铁心材料的临界饱和磁场强度；HR是直流或脉冲电流复位磁场强度；LC是铁心的磁路长度。从公式（5）我们可看出在一定的磁路长度和线圈匝数时，当铁心材料的饱和磁场强度HC越小时，则铁心的磁化电流就越小，也就是可以提高磁开关的开关速度。前文中已说明用磁开关实现的磁脉冲压缩器（MPC）的效率和功率密度直接和磁开关铁心的损耗和体积有着密切的关系，尤其是在2000Hz的高重复频率工作时，效率和损耗尤为重要。所以从提高开关速度和减小损耗两方面考虑，铁心材料的选择就十分重要和有意义。
3.3铁心材料的选取
从公式(2)、(3)、(4)、(5)我们可看出要降低铁心的涡流损耗，就要设法减小铁心材料的厚度；为了减小铁心的磁滞损耗就要设法减小铁心的体积、临界矫顽力（HC）和提高ΔB值；虽然磁滞损耗是ΔB成正比，但从公式（4）可看出，铁心体积是和ΔB的平方成反比，所以这就为我们合理选取铁心材料提供了理论依据，我们所关注的焦点就是：带厚要薄但又具有良好的可加工性；ΔB值要高同时又有较低的临界矫顽力（HC）；在高频下有较高的有效导磁率（μ）以保证初次级的良好偶合性。国内外的高频软磁材料基本参数对照参见表1。
从表1可看出各种材料的性能各自具有各自的优点和特点。如坡莫合金1J51、铁基非晶等都具有磁感应强度Bs高，易于制成高矩形（即ΔB较高）等优点，能有效减小体积。俄国就是用1J51材料来制造大型磁开关铁心的，可是这种极薄材料在国内无法加工，获得进口也非常困难，价格也非常昂贵（合人民币2000元/Kg）国外对这种非常规的铁心材料限制非常严。我们分别试制了国产纳米微晶、铁基非晶等多种材料的铁心小样，经过静态及动态实验测试，我们发现纳米微晶材料虽然高频性能好，损耗低，但工作磁感应强度ΔB较低，铁心相应体积也相应增大，综合分析较难实现研制目标。最终我们将目光锁定在铁基非晶材料上，非晶软磁合金材料又称为“金属玻璃”，是利用急冷技术发展起来的新型磁性材料。国内对铁基非晶材料的研发也有近30年历史了，各方面都有了长足的进步，但是在喷带工艺、母料冶炼等多个方面同国际先进技术还有较大差距。具体表现为带厚不均匀也不够薄（一般为28～35um），带材本身脆性大不易加工。所以经调研和分析，我们决定采用一种进口的铁基非晶态材料。分析比较结果如表2所示，证实了我们选材的正确性。
4工艺技术
4.1如何使铁心满足快脉冲、强电流、超高压的使用要求
与传统的功率变压器技术不同，该磁开关铁心的工作条件同时具有开关、脉冲压缩（窄脉冲）、高重频、强电流、超高压等许多特点。
所以不仅仅要能实现开关特性还要能在如此恶劣的环境下可靠工作。传统的非晶态铁心大都是用在中高频功率变压器或高档的电力变压器上，所以均能满足使用要求。但要在如此高的电压（800KV），如此窄的脉冲宽度（400nS）下工作，确实给我们如何应用非晶铁心提出了新的课题。由于特殊的使用条件，该铁心是在很窄的脉冲宽度下工作（最窄为400nS），这就要求铁心在更快的时间内达到饱和，工作磁感为ΔB＝Br+Bs。由此带来dB/dt极大，会达到1350T/s以上，而通常的高频开关变压器和脉冲变压器其dB/dt值都在200T/s以下。当磁开关铁心工作在2000Hz重频下、脉宽为400ns时，此时铁心的等效频率为：

如此高的等效频率和dB/dt值除造成铁心涡流损耗激增外，还会在片间产生很大的电位差值。形成片间击穿直到烧毁铁心，整个器件损坏。所以必须要在带材表面进行绝缘处理。绝缘有两种方式：一种是绝缘薄膜与铁心带材一起卷绕，使铁心带间有绝缘介质。目前国际上美、英等国采用的是美国生产的6μm和8μm的Kapton、Lumilar、Mylar等聚酯或聚酰亚胺膜，但这些能够耐高温（400℃）的有机薄膜价格非常昂贵，并且对我国限制，国内目前尚无法提供这种高温绝缘膜；另一种很好的办法就是在带材表面镀涂无机的绝缘层，如硅酸盐和SiO2等，这些无机物涂层如果镀涂不均匀会影响铁心叠片系数和绝缘性能，并且无机涂层热处理后的收缩应力会恶化高导磁材料的磁性能。最后我们通过反复的试验改进了相关工艺，使得无机材料涂层双面厚度控制在3μm并且附着力强，取得了较好的绝缘效果，该项技术目前在国内尚属首创。
4.2.设法提高非晶态铁心的矩形系数
从前面论述中，我们可知此大型非晶态铁心是工作在ΔB＝Br+Bs区域，如果我们能通过一定的热处理方式将剩磁Br值提高，那么ΔB值也就越高，从而可以有效减小铁心体积，进而可以降低损耗。我们知道成型后的铁心需要进行热处理，可以有效消除加工应力对铁心性能的影响，改善铁心的磁性能。如果在热处理的同时，我们加上纵向磁场是可以有效提高矩形系数的。因为直流磁场会造成磁曲线零点偏移，影响铁心工作状态，所以我们经反复试验最终采用交流纵磁场。这种方法简单易操作，也非常可靠。当施加的外磁场强度足以使铁心材料内部的磁畴按外磁场方向进行取向和排列时，这就能有效提高铁心的矩形系数。经过我们反复实验，我们通过纵磁处理技术的铁心矩形系数由材料本身的40～50%提高到80%以上。铁心上绕线加纵磁场热处理如图3、图4所示。
所需的磁场强度按
奥斯特计算
：铁心平均磁路长度；
I~ ：磁场电源可输入的最大电流。
5实验与结果
5.1静态测试结果
我所研制的高重频、短脉冲铁心的静态测试及指标参见表3、表4。
5.2动态测试结果
我们知道静态测试仅仅是说明铁心是否具备了良好的磁性能，关键还是要满足动态工作需要，
由于国内没有这方面的专用动态测试设备，只能在模拟试验台上进行测试比较。我所研制的磁开关铁心与国内外同类铁心的性能对比数据见图5、图6所示。
从图中我们可看出：纳米微晶及铁基非晶态能耗明显比1J51和薄带硅钢(DG4-30，DG6-50)好，从图5、6可看出，我公司铁基非晶态铁心能耗明显比国内同类产品低，甚至超过其纳米微晶的性能，并指定全部用我公司提供的铁基非晶态铁心。我公司第23#铁心是我们有意识未加电泳涂层作试验，来检验在高dB/dt状态下，涂层究竟起什么的作用，结果证明在高dB/dt时，高质量涂层是必须的。综合上述数据，我公司制作大尺寸铁基非晶态铁心的综合能力(尺寸动态磁性能、涂层、高导热大铁心保护盒结构)已达到国内领先水平。
6结论与探讨
应用在2000Hz重频以及400ns窄脉冲和如此大的体积（Φ480×Φ320×25）的磁开关铁心是在国内首次研制，通过在军品某高科技项目中的实际应用表明，其技术水平达到和超过了（整机效率为40%）90年代俄罗斯同类产品水平（整机效率为30%），属国内领先、国际一流！但在研制过程中，我们也深感我国在原材料制造工艺等方面还存在许多的不足，还有许多有意义的工作需要深入细致的开展。具体有以下几个方面：
(1)在铁心原材料国产化方面存在着较大的障碍，铁心的高频损耗、喷带工艺以及可制造性等方面存在诸多不足，目前国内有许多专家正致力于这方面的研究。高导热、高绝缘性能的绝缘材料目前在国内还没有报道，更无法应用于铁心涂层中去。
(2)大型铁心批量生产能力较差。目前我公司只能采用自制设备绕制，但一致性不太好，还需要深入研究制造工艺以适应系列化的需求。

参考文献：
[1]鱼骏鹰、储宗兰，串级磁脉冲压缩器模拟分析的数学模型，电