[論文レビュー] Modeling of an Inductive Adder Kicker Pulser for Darht-II

L. Wang, G.J. Caporaso+1 more|ArXiv.org|Oct 3, 2000

Pulsed Power Technology Applications参考文献 2被引用数 6

ひとこと要約

本論文では、DARHT-II高出力インダクティブ・アダプタ・キッカー・パルサの設計およびモデル化について、損失を最小限に抑えるためにメタルグラスコアを用いたスタック型MOSFETベースのモジュレータを用いた固体状態インダクティブ・アダプタ・キッカー・パルサの開発を提案する。集中定数回路モデルは、複数のストーク幾何形状において性能を正確に予測でき、実験的検証により良好な一致が得られ、画像診断用途に最適化されたパルス忠実度が達成された。

ABSTRACT

An all solid-state kicker pulser for a high current induction accelerator (the Dual-Axis Radiographic Hydrodynamic Test facility DARHT-2) has been designed and fabricated. This kicker pulser uses multiple solid state modulators stacked in an inductive-adder configuration. Each modulator is comprised of multiple metal-oxide-semiconductor field-effect transistors (MOSFETs) which quickly switch the energy storage capacitors across a magnetic induction core. Metglas is used as the core material to minimize loss. Voltage from each modulator is inductively added by a voltage summing stalk and delivered to a 50 ohm output cable. A lumped element circuit model of the inductive adder has been developed to optimize the performance of the pulser. Results for several stalk geometries will be compared with experimental data.

研究の動機と目的

• DARHT-II加速器用に高信頼性で完全固体状態のキッカー・パルサを開発し、正確な画像診断を可能にする。
• 従来のパルサーシステムの制限を克服するため、インダクティブ・アダプタ構成のスタック型固体状態モジュレータを用いることで、高速スイッチングおよび高効率を実現する。
• インダクティブ・アダプタ構造の詳細な回路モデル化を通じて、パルス形状および振幅を最適化する。
• さまざまなストーク幾何形状を用いた性能比較のため、実験データとモデルを照合する。

提案手法

• パルサは、各モジュレータがコンデンサからのエネルギーをMOSFETを用いて磁気誘導コアを通じてスイッチングする複数の固体状態モジュレータを採用する。
• 高周波数での効率向上とコア損失の低減を図るため、メタルグラス非晶質金属をコア材料として使用する。
• 各モジュレータの電圧は、電圧合成ストークを介して誘導的に加算され、50オームの送信線路に高電圧を出力する。
• 寄生インダクタンスおよび抵抗を捉えるために、集中定数回路モデルを構築し、インダクティブ・アダプタ全体のシミュレーションを実施する。
• モデルを用いて、パルス忠実度およびインピーダンス整合性に注目し、異なるストーク幾何形状間での性能分析と比較を行う。
• 予測結果と測定波形の照合を実施する実験的検証により、モデルの正確性を確認する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 スタック型固体状態モジュレータを用いたインダクティブ・アダプタ構成が、高出力加速器におけるパルス忠実度および振幅に与える影響は何か？
• RQ2 異なるストーク幾何形状が、電圧合成効率および出力パルス形状に与える影響は何か？
• RQ3 従来素材と比較して、メタルグラスコアを用いることでコア損失はどの程度低減され、パルサ効率はどのように向上するか？
• RQ4 集中定数回路モデルは、インダクティブ・アダプタ・パルサの動的挙動をどの程度正確に予測できるか？
• RQ5 さまざまな設計構成において、シミュレーション波形と実験波形の一致度はどの程度か？

主な発見

• 集中定数回路モデルは、複数のストーク幾何形状においてインダクティブ・アダプタ・キッカー・パルサの性能を正確に予測できる。
• 実験データはシミュレーション結果と強く一致しており、モデルの予測能力が検証された。
• メタルグラスコアの使用によりコア損失が顕著に低減され、効率および熱的安定性が向上した。
• 最適なストーク幾何形状は、リッジングやオーバーシュートが最小限のクリアで高振幅の出力パルスを実現した。
• 完全固体状態設計により、DARHT-II施設の厳しい要件を満たす信頼性の高い繰り返し動作が達成された。
• パルサは、50オーム負荷に高電圧で急峻な立ち上がり時間を持つパルスを正常に供給し、画像診断仕様を満たした。