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.     

高电压大电流晶闸管组件的热特性

晶闸管具有控制特性好、寿命长、噪声小等优点,目前在脉冲功率技术应用中,利用大功率晶闸管代替传统气体开关是研究趋势。晶闸管在高电压、大电流、重复频率工作条件下使用,需要对开关组件进行仔细的选型和组合。基于晶闸管的失效机理,对晶闸管组件在高电压、大电流、高di/dt,高du/dt、重复频率工作下的发热问题进行了理论分析、仿真计算和试验研究,对晶闸管组件在重复频率脉冲功率系统中的使用条件给出了理论依据。随着晶闸管工作电压、电流、频率增大,晶闸管的热损耗也越大,晶闸管的发热也越严重。为保证晶闸管安全稳定地工作,需要结温保持在安全范围内,不能长时间在重复频率下工作。     

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.     

高重复频率脉冲功率技术及其应用:（4）半导体开关的特长与局限性

综合叙述了功率半导体开关在高重复频率脉冲功率技术中的意义和使用方法。并通过与传统脉冲功率开关的比较，归纳了半导体开关的特长和缺陷。在举例说明了半导体开关的控制方法以后，介绍了几种有效提高半导体开关工作能力的电路方法,包括采用多个器件的串联与并联、电压叠加、开关器件的组合与互补等方法。     

一种固态化瞬态强场测试平台研制

随脉冲功率技术向高重复频率、长寿命等方向发展,储能元件和开关元件在瞬态强场条件下的稳定性能检测十分必要。基于固态开关技术研制了一种百kV,μs时间尺度下的瞬态强场测试平台,主要由高压直流充电电源、初级单元、脉冲变压器、磁脉冲压缩网络、复位系统和测试腔体组成,实现了一体化结构,使用便利。首先,针对电容器测试条件,建立了完整的电路模型,详细设计了系统中各关键参量;然后,利用晶闸管组件作为初级单元控制开关,利用磁开关进行两级脉冲压缩,建立了实验装置;最后,给出了40 nF小批量陶瓷电容器的典型实验测试结果,测试电压50 kV,脉冲宽度1 μs,重复频率10 Hz,运行时间85 min（对应51 000个脉冲）,平台稳定可靠性良好,为后续开展相关测试研究奠定了基础。     

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。     

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。     

50kV/4A输出高压恒流电源

 介绍了适用于脉冲功率技术大容量电容器组快速高效充电的一种变频恒流高压电源,它采用三相半控晶闸管桥式整流,经由两只开关管、储能电感、续流二极管和霍尔电流传感器构成的恒流网络,再由桥式晶闸管电路逆变成1kHz后升压、整流。     

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。     

一种大功率窄脉冲半导体激光器测试台的研制

大功率窄脉冲半导体激光器主要光电性能参数为:输出峰值光功率、阈值电流、正向电压、上升时间、峰值波长、光谱半宽、半强度角.根据激光制导系统对大功率窄脉冲激光器参数的特殊测试要求,研制一种大功率窄脉冲激光器测试平台,将小型化大功率激励器功放模块、大范围可调DC-DC模块、信号源板、激光器座、光学准直镜集成在一个平台上,与峰值功率计、光谱仪、CCD摄像机等仪器配合,可测出大功率窄脉冲激光器的峰值功率、峰值波长及波长随温度变化的漂移特性、发光芯均匀性等参数.介绍了大功率窄脉冲激光器测试台的特点,并对测试结果作了论述.     

高可靠性脉冲氙灯电源设计

对540 mm18 mm、极间距250 mm、充气压力26 kPa的脉冲氙灯进行分析计算,研制了一台具有手动和外触发功能、氙灯充电电压2.5～4.5 kV、输出脉冲电流幅度3～6 kA、脉冲宽度约230 s的脉冲氙灯电源,给出了单次触发情况下的实验结果。设计基于晶闸管移相调压方式,经由隔离模块、PLC控制构成的闭环反馈回路,控制调压模块对储能电容器线性充电;通过IGBT半导体开关器件产生脉冲信号,经脉冲变压器升压后触发氙灯,使氙灯导通发光。采用简单、可靠的绕丝触发方式和控制信号隔离、电容器一端接地等方法,有效抑制了地电位抬高,提高了氙灯电源的可靠性和抗干扰能力。通过百次的实验,脉冲氙灯电源能100%点亮负载氙灯,满足实际使用要求。     

高重复频率脉冲功率技术及其应用:(7)主要技术问题和未来发展趋势

综合论述了高重复频率脉冲功率技术所面临的主要技术障碍和工程问题。从实用的角度归纳了脉冲功率源设计时经常遇到的矛盾关系。结合目前的技术发展动态,探讨了未来这项技术的发展趋势和主要方向。目前,高重复频率脉冲功率系统的主要瓶颈是开关技术;主要技术障碍包括冷却、效率及可靠性;主要矛盾体现在系统的紧凑性与绝缘要求、上升时间与峰值功率、工作参数与可变范围及技术性能与制作成本等方面;未来发展趋势主要包括模块化、通用化和智能化。     

240 kJ模块化能库型脉冲放电电源研制北大核心CSCD

空间等离子体环境模拟与研究装置用于在地面模拟空间磁场和等离子体环境,需要在3.5μH电感、0.8 mΩ电阻的环向场线圈负载上产生前沿130μs、降流时间不大于1600μs、峰值260 kA的脉冲电流,因此设计了一套模块化的电容器型放电电源。针对相对较小电感的负载,根据设计要求的放电波形和开关组件通流能力,考虑负载短路故障的情形,给出了保护电感、优化的模块数量等回路参数计算方法。进一步采用传输电缆作为能量传输,同时将电缆寄生电感作为保护电感的方案,研制了一套由4个模块组成的放电电源。研究结果表明,本文给出的电路理论计算结果与设计要求一致,放电试验进一步证明电源设计满足设计放电波形要求。     

高重复频率脉冲功率技术及其应用:(6)代表性的应用

综合介绍了高重复频率脉冲功率在材料、环保、生物·医疗、光源和高能加速器领域的代表性应用。采用脉冲功率的离子注入和表面改性已经被用于工业产品。废气和废液处理的研究成果正在向实用化接近。使用脉冲电场的杀菌和癌症治疗正在吸引很多学者和厂家,因此脉冲功率在生物医学领域的应用前景是非常乐观的。另外,决定未来集成电路工艺标准的极紫外光源已逐步走向生产线。高能加速器上的闸流管会渐渐被功率半导体器件取代。     

高重复频率脉冲功率技术及其应用:（1） 概述

从实际应用的角度出发,概括性地描述了高重复频率脉冲功率的主要技术特点,如工作次数多、脉冲间隔时间短和平均输出功率高等。通过介绍高平均功率准分子激光、常压脉冲气体放电、感应式回旋加速器等有代表性应用实例,论述了高重复频率脉冲功率技术的学术意义。高重复频率脉冲功率技术将进一步完善脉冲压缩理论和电路设计方法,从而在短脉冲和波形控制等方面取得进展,同时高重复频率脉冲功率发生器将进一步趋向多样化和极限化。高重复频率脉冲功率技术的发展与脉冲功率器件性能的持续提高之间相互促进,会不断将高重复频率脉冲功率技术的成果带向工业生产和日常生活。     

强激光脉冲电源系统故障分析和对策

 详细分析了强激光脉冲电源系统可能存在的故障问题, 通过电路模拟给出了故障电流波形。在此基础上提出了电源系统故障保护的方法和对策,这对于电源系统的设计和安全运行具有十分重要的意义。     

中国脉冲功率科技进展简述

从脉冲功率科学技术的基本内涵出发,回顾我国脉冲功率发展历史,按照高功率脉冲加速器建设历程,我国脉冲功率技术发展史可大致分成三个阶段:自主创业、加速成长到创新超越;尝试以国际视野介绍我国在闪光照相、Z箍缩、高功率微波、电磁发射和工业应用等方面的发展成就;简要阐述脉冲功率技术未来发展趋势,建议大力发展先进辐射源技术,关注爆磁压缩技术,加强HPM、抗核加固和电磁发射等各类负载技术攻关,加大协同创新和应用推广。