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　　磁芯是基于直線變壓器升壓技術的脈沖功率驅動源關鍵部件之一，由于其等效工作頻率都在MHz以上，為了降低高頻渦流損耗，目前多采用厚度為數十pm的非晶或納米晶帶材多層卷繞而成。脈沖工作時，每層帶材中都會感應出相應的渦流，相鄰層間就會出現感應電壓，當相鄰層間導通時，就會形成較大的層間渦流回路，使得渦流損耗迅速增大，從而降低脈沖功率源的能量傳遞效率及磁芯的伏秒利用率4，重復頻率工作時還會導致系統發熱，嚴重影響系統的穩定性與可靠性。為避免層間擊穿導致的不利因素，目前多采用層間絕緣處理的方法，即給帶材層間加上絕緣層，提高其耐壓值，防止擊穿。但由于磁芯在制作過程中需要經過300 400C的高溫退火處理，因此絕緣層也需要承受退火的高溫；同時絕緣層的熱膨脹系數應盡量與磁芯的熱膨脹系數相同，以減小其對磁芯的應力，因此層間絕緣處理工藝較為復雜，而且成本也較高，同時在一定程度上降低了磁芯的占空比。實際上磁芯在處理過程中自身會形成一層氧化膜，該氧化膜具有一定的耐壓能力，如果能夠利用氧化膜自身的耐壓能力，在設計時保證磁芯在脈沖工作期間不發生擊穿，則可以避開加上絕緣層的不利因素。本文從理論上分析了磁芯層間電壓影響因素，對磁芯在處理過程中自然形成的氧化膜的耐壓能力開展了研究，并討論了層間擊穿對能量傳遞效率的影響。

　　1理論分析在實際應用中，通常要充分利用磁芯的磁感應增量AB至大值，從而減小磁芯的體積重量。設計時需要考慮磁芯的伏秒特性，在理想情況下，即加載在磁芯兩端的工作電壓為矩形方波，此時磁芯伏秒數應滿足截面積。一般來說，為了充分利用磁芯的伏秒數，在工作脈沖結束時盡量使得AB達到磁芯可利用的大增量。考慮實際工作中，加載在磁芯兩端的工作電壓不可能是理想的矩形方波，總是具有一定的前后沿，因此磁芯兩端的工作電壓U⑴與磁芯中的磁感應增量AB⑴可進一步表示為時間（求導可得由式（3）可知，在不同時刻，磁芯的磁感應強度變化率dB/（是不同的，前后沿階段加載在磁芯兩端的電壓較小，因此dB/（也相對來說較小；在平頂階段U⑴達到大值且處于穩定狀態，此時dB/（也達到大值并處于穩定狀態。

　　基金項目：國家高技術發展計劃項目；中央高校基本科研業務費專項資金項目（SWTU11CX077）：王慶峰（1979?），男，博士，從事脈沖功率技術研究；wangqing丨engl73163.com.帶繞式磁芯通常由厚度為數十的磁芯薄帶螺旋卷繞而成，對于每一薄層內部而言，可以近似認為其各點的磁感應強度相同。磁芯在脈沖磁化時，每層中的磁感應強度B都要發生變化，根據法拉第電磁感應原理，每一層磁芯帶材內就會出現感應電壓，相鄰帶材間就會出現電壓差，由法拉第電磁感應定律可知，相鄰層間的層間電壓⑴可表示為由式（5）分析可知，磁芯的層間電壓與帶材厚度夂帶材寬度h、加載在磁芯兩端的工作電壓成正比，與磁芯的有效截面積成反比。

　　一般來說設計時盡量使得磁芯AB達到其可利用的大增量，因此，實際工作中伏秒數一經確定，磁芯的截面積S也就確定，考慮磁芯AB利用值相同，當磁芯應用于短脈沖條件下時，由于工作脈沖很短，因此其工作電壓相對于長脈沖應用時就高得多，此時磁芯層間所要承受的電壓就比較高。因此在短脈沖應用中，使用的磁芯一般都專門做層間絕緣處理，其層間耐壓能力可以達到數十V，層間耐壓能力要求越高，層間絕緣厚度也就越厚，導致占空系數越小。實際上磁芯在處理過程中會形成一層氧化膜，該氧化膜具有一定的耐壓能力，如果能充分利用該氧化膜的耐壓能力，保證磁芯在脈沖工作期間不發生擊穿，則可以避開加上絕緣層的不利因素。

　　2，電源通過限流電阻只給脈沖形成網絡（PFN）充電，開關控制脈沖形成網絡直接對LTD放電，通過單匝次級線圈感應到負載電阻只l上。PFN阻抗約2.5脈寬200300ns可調。選用的磁芯內外半徑為130mm和80mm，兩組磁芯的層間全部不加絕緣層。組帶材寬度h=20mm，采用2個重疊；第二組帶材寬度h=10mm，采用4個重疊；保證這兩組磁芯的截面積S相同。磁芯采用直流復位，因此磁芯的磁感應強度在每一次工作前都處于同一個起點，磁芯的矩形系數約為0.7.中給出了組帶材寬度d=20mm，工作電壓分別為8，9，10，11kV，脈寬為200ns時，負載上電壓、電流波形，設計的磁感應增量AB分別為1. 14，1.28，1.42，1.56T，均小于納米晶磁芯大磁芯增量2. 4T.；當工作電壓增大至9kV時，在r=128ns附近波形出現了明顯的拐點，如（b）所示，拐點處磁芯仍工作于磁滯回線的線性區，因此磁芯導磁率基本維持不變，也并未出現飽和，由此可知磁芯在拐點處應該出現了層間擊穿，導致磁芯性能急劇下降，層間擊穿使磁芯實際使用的磁感應增量并未達到理論的設計值，因此磁芯發生擊穿時將導致其伏秒數利用率不充分，由式（5）計算可知，工作電壓9kV時對應層間電壓約為3.6V；工作電壓增大至10kV時，擊穿點向前移動到i=85ns處，如（c）所示；當工作電壓進一步提高時，擊穿點前移到脈沖前沿階段，波形平頂階段看不到明顯的缺口，但波形將出現明顯的頂降，如（d）所示。

　　根據式（5）分析可知，減小磁芯的帶材寬度A可以有效地降低磁芯地層間電壓，從而提高加載在磁芯兩端的工作電壓，提高磁芯伏秒數的利用率。給出了第二組帶材寬度d=10mm的磁芯，工作脈寬為200ns時負載上的電壓電流波形圖，（a）的工作電壓為9kV，其設計的磁感應增量AB約為1.28了；（b）的工作電壓為14kV，其設計的磁感應增量AB約為2.00了。由（a）可以看到，磁芯帶材層間沒有發生擊穿，波形平頂階段很平坦，由式（5）分析可知由于帶材寬度減小了一半，此時磁芯層間電壓將為1.8V，小于磁芯層間耐壓能力。如果根據組帶材寬度d=20mm磁芯的實驗結果，磁芯層間耐壓能力約為3. 6V，對于10mm帶材重疊的磁芯，擊穿時對應的電壓應為18kV，但實驗中在14kV時，就發生了擊穿現象，此時磁芯層間電壓約為3V.其原因可能是由于10mm與20mm帶材自身的層間耐壓存在一定的差異。

　　tapewidthof10mm采用10mm帶材重疊，不同電壓下，負載上的電壓電流波形脈沖寬度300 ns時負載上的電壓電流波形給出了組帶材寬度d=20mm的磁芯，工作電壓為9kV，增大脈沖形成網絡輸出脈沖寬度至300ns時負載上的電壓電流波形圖，設計使用的磁感應增量AB約為1. 92了。與對比分析可知，當工作電壓維持不變，僅增大工作脈寬，其擊穿點位置將基本維持不動。根據式（5）也可知，在磁芯確定情況下，僅改變工作脈寬、不改變工作電壓時，層間電壓并沒有降低。

　　表1帶材寬度d=20mm，不同工作電壓、脈寬下磁芯能量傳遞效率表1給出了組帶材寬度d=20mm的磁芯在不同工作電壓下的能量傳遞效率，由表中數據可以看到，磁芯在擊穿前其能量傳遞效率隨著工作電壓的增大在逐漸的減小，其主要原因是由于工作電壓的增大使磁芯的磁感應增量AB增大，同時導磁率減小，導致磁芯渦流損耗、勵磁電感引起的損耗都逐漸增大，但能量傳遞效率減小量總體來說很小；而發生擊穿后其能量傳遞效率則急劇下降，因此能量傳遞效率的變化趨勢也可以作為判斷磁芯是否發生層間擊穿的一個依據。

　　3結論基于直線變壓器升壓技術脈沖功率源輸出的脈沖寬度的等效頻率一般在MHz以上，工作電壓都在數十kV以上，因此使用的磁芯通常由厚度為數十pm的磁芯薄帶螺旋卷繞而成，并且在薄帶之間加上絕緣薄膜層，對于無層間絕緣處理的磁芯應用較少。本文對國內生產的納米晶磁芯開展研究，該磁芯薄帶之間無絕緣薄膜層，但在工藝處理過程中由于氧化作用，層間會形成氧化膜，實驗研究表明，該氧化膜的耐壓能力可以達到3.03. 6V.實驗研究還表明當層間電壓大于其層間氧化膜所能承受的大電壓時，出現層間擊穿，此時負載上輸出波形將出現拐點，輸出波形質量急劇惡化，導致磁芯的磁感應強度利用率不能達到設計值。理論分析表明減小帶材厚度、帶材寬度，增大磁芯的有效截面積可以降低磁芯層間的電壓，實驗研究也表明當磁芯帶材寬度由20mm減小為10mm時，磁芯兩端可承受的工作電壓由8kV增大到14kV，與理論值基本一致。