半导体开关在脉冲功率技术中的应用

国内外脉冲功率技术的一个重要的发展趋势,即高功率、长脉冲、高重频以及小型化,由此以半导体器件为基础的全固态脉冲功率技术得到了广泛的关注和应用;文章以晶闸管(SCR)、绝缘门双极晶体管(IGBT)以及半导体断路开关(SOS)的应用为例进行了说明;对用晶闸管控制的充电系统、IGBT应用于Marx发生器和脉冲变压器驱动源以及半导体断路开关的应用做了较为详细的原理性说明,并给出了一些实验结果.半导体开关技术的应用在一定程度上解决了传统脉冲功率发生器装置中存在的短寿命,低重复频率,稳定性差等缺点,具有广泛的应用前景.     

半导体脉冲功率开关的最新进展

简述了脉冲功率开关的发展及国内外脉冲功率晶闸管产品的现状,并详细介绍了国内的脉冲功率开关产品及其特点。阐述了脉冲功率晶闸管组件产品的设计与应用,以及半导体脉冲功率开关的测试试验平台。简要介绍了脉冲功率晶闸管及其组件在工程应用中的同步驱动、感应取能和串联均压等关键技术,并简述了脉冲功率晶闸管组件的工程应用实际效果。阐述了半导体脉冲功率开关及其测试试验平台的发展方向。     

高重复频率脉冲功率技术及其应用:（3）磁开关的作用

描述了磁开关的原理和使用方法,并结合实例介绍了磁开关在具体装置中的作用。从磁性材料的磁化特性出发,概述了磁饱和现象的机理和特征。 讲解了磁开关在脉冲压缩、磁助器和可饱和变压器等方面的应用。在此基础上,描述了典型的高重复频率脉冲功率发生器、高功率脉冲功率发生器和半导体断路开关(SOS)驱动电路中的磁开关的工作原理。     

半导体断路开关数值模拟

 为了研究半导体断路开关(SOS)的截断过程及其在脉冲功率系统中的工作特性,建立了半导体断路开关的电流控制模型,对p⁺-p-n-n⁺掺杂结构的半导体断路开关进行了数值模拟研究。通过数值模拟,给出了p⁺-p-n-n⁺型半导体断路开关在正、反向泵浦过程中的载流子及电场分布,并获得了电流截断效应。计算结果表明,半导体断路开关的截断过程首先发生在p区。     

钙和铈二元掺杂对钇钡铜氧超导体性能的影响

超导储能脉冲功率系统中,关键的电路元件是断路开关,它的关断性能直接决定了输出脉冲的特性,传统的直接截流断路方法不仅会产生大电弧影响关断损耗,还会在断路瞬间产生高峰值的过电压脉冲.针对直接截流方法的缺点,本文提出了一种基于混合脉冲变压器(HPPT)工作模式的新型开关断路方法,该方法采用电流过零瞬时断路方式换流.经过理论分析和仿真,验证了该方法的正确性与可行性,对同类开关断路技术的研究提供了十分重要的参考依据.     

高频脉冲功率源初级单元的设计

针对半导体断路开关型、数十kHz高频脉冲功率源设计了初级单元。该单元在低频电路的基础上进行了改进和优化,放电主开关采用IGBT串并联组件,解决了同步触发问题,增加了过流保护系统,设计了高频脉冲触发器。研究发现,初级单元的放电电容放电后有残余电压存在,这会降低脉冲功率源的输出稳定性。该初级电路加强了高频率脉冲功率源的稳定性和可靠性,成功应用于数十kHz高频脉冲功率源。从波形上看,初级充电电源工作电压约为1 kV,放电电流约1.5 kA,在10 kHz条件下可以稳定工作。     

半导体断路开关实验研究

 介绍了半导体断路开关（SOS）特性参数测试平台和测试方法，并对半导体断路开关的截断阻抗、截断时间、电压增益、输出脉冲半高宽以及能量传递效率等参数进行了实验研究。结果表明，正、反向泵浦时间是影响半导体断路开关特性的最主要因素。实验获得了截断时间、电压增益和能量传递效率与正、反向泵浦时间的依赖关系以及SOS截断过程中的阻抗变化特性。     

基于半导体断路开关的8 MW,10 kHz脉冲发生器

 功率器件半导体断路开关具有高重复频率工作能力。采用高速绝缘栅双极晶体管组件作为初级充电回路的主开关,建立了一台工作频率为10 kHz的脉冲发生器。脉冲发生器采用磁饱和脉冲变压器、磁开关及高压脉冲电容器组等固态器件进行两级脉冲压缩,产生小于100 ns的电流脉冲,对半导体断路开关进行泵浦,半导体断路开关反向截断泵浦电流在负载上产生高压脉冲输出。实验装置在电阻负载上得到了脉冲输出功率约为8.6 MW,脉冲宽度约10 ns,重复频率10 kHz的高压脉冲输出。     

晶闸管串联开关及同步触发系统研制

为满足脉冲功率源对高电压、大电流开关的需求,利用传统晶闸管均压技术,将多个晶闸管串联,研制出额定电压10kV,额定电流500A的晶闸管串联开关。根据晶闸管的触发原理,设计出同步触发多个晶闸管的触发系统。该触发系统采用绝缘栅双极型晶体管开关对直流电压阻断产生脉宽可调的低压脉冲,经多个隔离脉冲变压器升压,产生多路同步触发信号。对晶闸管触发系统及晶闸管串联开关进行了测试,测试结果表明:晶闸管触发系统可输出20V,1A的多路同步触发信号,触发信号的脉宽30~60μs可调,重复频率100Hz;晶闸管串联开关每路静态均压和动态均压波动小,在高电压条件下能稳定工作。     

电爆炸箔断路开关的理论和实验研究

电感储能型脉冲功率调制器中的一个关键部件是断路开关。电爆炸金属丝（箔）断路开关是使用最广泛的一种。为了给今后开展更高功率断路开关研究奠定基础，开展了电爆炸箔断路开关的理论和实验研究。     

高功率重复频率Marx型脉冲功率源小型化技术研究进展

传统的高功率重复频率脉冲功率源通常以低电压储能、升压、高压脉冲形成线、输出的顺序工作。因而系统至少包括低压储能和高压脉冲形成线两个储能环节,同时高压脉冲形成线的体积随着电压的升高快速增长。针对这些问题,课题组提出了一种高功率重复频率Marx型脉冲功率源小型化研究的设计思路和实现方式,并开展了相关技术研究。主要介绍了课题组在关键技术上取得的重要进展,包括高储能密度的储能/脉冲成形一体化技术、低抖动重复频率气体开关技术、低抖动高能触发技术、紧凑型Marx高压串叠技术等一系列关键技术。同时介绍了课题组研制的几种典型紧凑结构重复频率Marx型脉冲功率装置:同轴结构快Marx发生器、基于薄膜介质线的脉冲功率源、模块化低阻抗紧凑型Marx发生器、20 GW高功率重复频率脉冲驱动源。通过探讨关键技术研究及其发展现状,为未来脉冲功率源小型化研究的发展和应用方向提供参考。     

Fast high-voltage pulse generation using nonlinear capacitors

Many pulsed power applications require short high-voltage pulses with a high-repetition rate. Conventional high-voltage discharge pulse-switches such as thyratrons, spark gap switches, and vacuum tube switches have a short lifetime, whereas the semiconductor switches have a long lifetime and high reliability. The semiconductor switches, however cannot be directly applied to fast high-voltage pulsed power generation due to their limited operating voltage ratings despite their relatively long switching times. Therefore, they are used with voltage amplification and a pulse compression stage. This paper describes two pulse generators that use the semi-conductor switches and nonlinear capacitors: one is based on an opening switch (IGBT) and inductive energy storage, the other is a combination of a closing switch (RSD) and capacitive energy storage     

光导开关研究进展及其在脉冲功率技术中的应用

 概述了GaAs光导开关的发展历史,通过对GaAs和SiC进行比较指出,SiC由于禁带宽度大、击穿场强高、电子饱和漂移速度大、热导率高等优势被认为是更好的光导开关材料。比较了本征光电导和非本征光电导的不同之处,报道了利用本征光电导和非本征光电导的SiC光导开关的最新进展。介绍了光导开关在超宽带源和紧凑型脉冲功率系统中的应用,提出了SiC光导开关进一步发展的关键技术并进行了展望。     

多路Marx并联高压脉冲电源研究

脉冲功率技术在工业和生物医学领域有着广泛的应用,很多应用场合要求输出数百安培的高压脉冲。固态Marx发生器虽已研究多年,但是被广泛采用直插封装的IGBT和MOSFET功率半导体开关管的额定电流通常都低于100 A,无法满足低阻抗负载的应用需求。为提高输出脉冲电流幅值,提出两种多路Marx发生器并联的脉冲电源的拓扑结构,第一种方案采用多路Marx发生器直接并联,第二种是共用一组充电开关管的多路Marx发生器并联。由FPGA提供充放电控制信号,采用串芯磁环隔离驱动方案实现带负压偏置的同步驱动,主电路选用开通速度快、通流能力强的IGBT为主开关的半桥式固态方波Marx电路。实验结果表明,6路16级Marx直接并联的脉冲发生器能输出重频100 Hz高压方波脉冲幅值可达10 kV,在30Ω负载侧输出峰值电流可达300 A,上升时间230 ns。共用充电开关管的6路4级Marx并联发生器在5Ω电阻负载上的输出电流峰值可达300 A,最大输出电流可达460 A,上升时间272 ns。表明多路Marx发生器并联可以有效地减小系统内阻,提高系统带载能力;改进后的并联方案实现大电流脉冲输出的同时,所采用的开关管数量减小近一半,提高了系统的抗干扰能力的同时,降低了脉冲电源的成本;且增加级间并联导线可进一步改善均流效果。     

重复频率低阻抗紧凑Marx脉冲功率源

为了实现重频脉冲功率源小型化,研制了基于快Marx发生器的紧凑型重频低阻抗脉冲功率源。采用大功率重频高压电源对Marx发生器充电,通过对充电电源和脉冲触发源的同步控制,实现对Marx发生器重频充电;Marx发生器中采用薄膜脉冲电容器、小型化气体开关、电感隔离以及SF₆气体绝缘等设计,以8级紧凑Marx发生器进行验证性研究,在16 Ω阻抗负载上实现了重复频率10 Hz、脉宽150 ns、峰值电压大于400 kV连续多脉冲输出;在此基础上,设计了18级紧凑型Marx发生器,在约18 Ω阻抗负载上输出功率达到33 GW,峰值功率密度大于150 GW/m3,实现重复频率5 Hz、脉宽约160 ns、峰值电压大于600 kV的连续多脉冲输出。为了降低Marx发生器的输出阻抗,采用4台电容器并联作为Marx发生器的一级储能模块,研制了同轴紧凑Marx脉冲功率源,有效减小放电回路电感,实现12 Ω低阻抗负载近似匹配输出,前沿减小至50 ns以下,脉宽约130 ns。     

几项新技术在“闪光二号”加速器上的应用

 为追踪国际上脉冲功率技术的发展方向,在“闪光二号”加速器上开展了水介质形成线并联技术、多级多通道气体开关技术和同步触发技术等研究。经过3维结构下电场分布的模拟计算和绝缘设计,采用3根6 Ω小水线并联组成了2 Ω水介质形成线,研制成功了作为主开关的3 MV多级多通道气体触发开关,并实现了3个多级多通道气体开关的并联运行;采用工作时延446 ns的同步触发系统实现了Marx发生器与主开关的延时同步运行。真空负压下的涡流循环冲刷消除水中气泡技术应用于水介质形成线上,有效消除了并联形成线汇聚结构处的气泡,提高了加速器运行的安全性。经过调试后,加速器重新获得了稳定的运行状态,几项新技术的应用获得成功。     

用于高压脉冲发生系统的光电开关技术综述

本文介绍了应用于高压脉冲发生系统的光电开关技术的发展,讨论了此种开关所需材料性能、一般工作原理、发展与前景及几种研究方法。     

小型化电感隔离型Marx发生器的研制

随着脉冲功率技术的发展,纳秒脉冲电场被逐渐应用到等离子体水处理、不可逆电穿孔肿瘤消融等技术中。为了满足纳秒脉冲的应用需求,电源需要输出十几kV高压,拥有纳秒窄脉宽和快速的上升沿,同时尽量减小电源体积,降低成本。该纳秒脉冲电源采用电感隔离型Marx发生器结构,电路可以实现模块化叠加,电感隔离可以减少开关数量,抬升充电电压,以获得更高的电压输出。所设计的驱动电路仅需一路控制信号和一个直流供电模块,经功率放大和磁隔离后可同时控制所有放电管,该驱动电路结构简单、成本低、体积小,耐压水平高。所设计的24级电源样机,在50 kΩ阻性负载上,可输出0～14 kV电压,频率0.5～1 kHz,脉宽500 ns。该电源主电路的长宽高尺寸仅为23 cm×10 cm×12 cm。     

基于金属氧化物半导体场效应管的Marx发生器

给出了一种基于半导体开关的脉冲功率源的设计原理和方法。与标准的Marx发生器相比,用金属氧化物半导体场效应管(MOSFET)替代气体火花隙开关,用二极管替代电阻,由于可重复频率运行,所以能够有效地减少电路损耗。由于电路器件特性差异不同,在实验中采取对每一级的开关驱动信号进行单独调节,以补偿器件差异对同步性带来的影响。另外,实验对开关进行光纤隔离,而对强弱电的隔离采用DC-DC转换器,这不仅有利于保护实验设备,而且对Marx多级电路的同步性也有很大的贡献。设计的Marx发生器级数为16级,并给出了单次脉冲和重复频率两种情况下的实验结果。