基于反向开关晶体管的重复频率脉冲电流源

介绍一种基于新型大功率半导体反向导通型双晶复合晶体管(RSD)开关的重复频率脉冲电流源。重复频率脉冲源主要包括半导体RSD开关、快速可控硅和磁开关等元件。初步实验产生的脉冲峰值电流约6.2 kA,脉冲宽度约10 μs,电流上升率可达18 kA/μs,工作电压约1 kV,可工作于单次和重复频率1,10和100 Hz等状态。     

超高速大电流半导体开关实验研究

 利用自行研制的固态半导体开关RSD,采用电容储能方式,研究了RSD的电压响应时间、大电流特性、电流上升率等。在测试RSD的电压响应时间时,得到了25 ns的电压下降曲线。在主电容电压为8 kV时,得到峰值为10.1 kA、脉宽为34 μs、电流上升率为2.03 kA/μs的大电流脉冲。通过调整主电路,在主电容为3 kV时,得到的电流脉冲峰值为8.5 kA、脉宽为2.5 μs、电流上升率为7.2 kA/μs。结果表明,RSD是一种开通快、通流能力强、电流上升率高的大功率半导体开关器件。     

超高速大电流半导体开关实验研究

利用自行研制的固态半导体开关RSD,采用电容储能方式,研究了RSD的电压响应时间、大电流特性、电流上升率等。在测试RSD的电压响应时间时,得到了25 ns的电压下降曲线。在主电容电压为8 kV时,得到峰值为10.1 kA、脉宽为34 μs、电流上升率为2.03 kA/μs的大电流脉冲。通过调整主电路,在主电容为3 kV时,得到的电流脉冲峰值为8.5 kA、脉宽为2.5 μs、电流上升率为7.2 kA/μs。结果表明,RSD是一种开通快、通流能力强、电流上升率高的大功率半导体开关器件。     

高功率反向开关晶体管开关寿命特性

研制了10 kV高压反向开关晶体管（RSD）开关组件。在重复频率0.2 Hz、峰值电流约107 kA、峰值功率约1 GW、单次传输电荷约20 C、单次传输能量约100 kJ条件下,实验次数达50 000多次;主要研究了RSD开关的静态伏安特性随实验次数的变化趋势。采用数值分析的方法,统计拟合得到了长脉冲大电流条件下RSD开关的寿命模型,并依据失效判据初步预估RSD开关的寿命可达107次。     

高功率反向开关晶体管开关寿命特性

研制了10 kV高压反向开关晶体管（RSD）开关组件。在重复频率0.2 Hz、峰值电流约107 kA、峰值功率约1 GW、单次传输电荷约20 C、单次传输能量约100 kJ条件下,实验次数达50 000多次;主要研究了RSD开关的静态伏安特性随实验次数的变化趋势。采用数值分析的方法,统计拟合得到了长脉冲大电流条件下RSD开关的寿命模型,并依据失效判据初步预估RSD开关的寿命可达107次。     

0.1 Hz 800 kA驱动源模块研制

介绍了面向Z箍缩驱动聚变裂变混合堆（Z-FFR）能源的重复频率800 kA快上升沿的线性变压器驱动源（LTD）模块的设计和测试。LTD模块由34组RLC电路组成,每组包含2台100 kV/40 nF脉冲电容器、1个多间隙气体开关和非晶磁芯。研制的模块可以在匹配水电阻负载上以0.1 Hz的重复频率输出上升沿约100 ns的800 kA的电流脉冲。采用了一个高压触发信号来触发整个模块的新触发方式,将外触发信号通过模块内布置的角向传输线等网络同时到达并触发所有的高压开关,实验结果表明采用一路140 kV、25 ns前沿的触发脉冲可以可靠地触发整个模块。为了保证LTD模块每10 s输出一个80 kV/800 kA的电流脉冲,非晶磁芯的去磁复位采用了一个5.2 kA、脉宽30 ??s的电流脉冲,其运行频率为0.1 Hz。模块采用的多间隙气体开关运行寿命超过10 000次,其抖动小于3 ns。     

0.1 Hz 800 kA驱动源模块研制北大核心CSCD

介绍了面向Z箍缩驱动聚变裂变混合堆(Z-FFR)能源的重复频率800kA快上升沿的线性变压器驱动源(LTD)模块的设计和测试。LTD模块由34组RLC电路组成,每组包含2台100kV/40nF脉冲电容器、1个多间隙气体开关和非晶磁芯。研制的模块可以在匹配水电阻负载上以0.1 Hz的重复频率输出上升沿约100ns的800kA的电流脉冲。采用了一个高压触发信号来触发整个模块的新触发方式,将外触发信号通过模块内布置的角向传输线等网络同时到达并触发所有的高压开关,实验结果表明采用一路140kV、25ns前沿的触发脉冲可以可靠地触发整个模块。为了保证LTD模块每10s输出一个80kV/800kA的电流脉冲,非晶磁芯的去磁复位采用了一个5.2kA、脉宽30!s的电流脉冲,其运行频率为0.1 Hz。模块采用的多间隙气体开关运行寿命超过10 000次,其抖动小于3ns。     

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。     

基于SOS和LTD技术的高重复频率脉冲发生器

提出了磁饱和直线变压器驱动源(LTD)泵浦半导体断路开关(SOS)产生高重复频率短脉冲的技术路线。利用LTD初次级线圈为单匝同轴结构和磁芯可饱和的特点,实现快速反向泵浦SOS,通过多级LTD模块叠加获得高电压输出。采用射频金属氧化物场效应晶体管(RF MOSFET)作为LTD初级电路的主开关,将SOS正向泵浦电流脉冲时间降至数十ns,泵浦电流脉冲重复频率最高可达MHz。最终研制出一台基于SOS的10级磁饱和LTD型脉冲发生器,输出电压约11kV,电流220A,脉冲宽度约2ns,重复频率为20kHz。实验验证了磁饱和直线脉冲变压器泵浦SOS产生高重复频率短脉冲的技术路线可行。     

基于SOS的脉冲功率源技术新进展

研制了基于SOS的胡杨200和胡杨700脉冲功率源。给出了胡杨200和胡杨700的电路原理、组成结构和实验波形。介绍了在SOS脉冲功率源上开展的高重复频率强流电子束产生、长寿命阴极实验、绝缘介质的高重复频率击穿实验和低引导磁场无箔二极管等实验研究进展。经测试,胡杨200在2 kHz重复频率、负载阻抗200 Ω下,输出电压200 kV,脉冲宽度约35 ns,平均输出功率大于10 kW;在300 Hz条件下可连续运行。胡杨700同样为全固态脉冲功率源,其设计指标:输出电压700 kV,电流5 kA,脉冲宽度约40 ns;经初步调试在150 Ω电阻负载上单脉冲输出指标达到660 kV,4.4 kA,脉宽约70 ns。     

12kV高压反向触发双极晶闸管开关组件

介绍了反向触发双极晶闸管(RSD)开关的结构和触发工作原理,分析了RSD组件设计要求,利用两级触发原理研制了12 kV高压RSD组件及其触发系统,工作电压10～12 kV。试验结果表明:该高压RSD串联组件触发稳定,工作可靠,12 kV工作电压下峰值电流可达133 kA,传输电荷24 C,电流变化率可达4.12 kA/μs,导通的峰值功率可达1.6 GW。     

12 kV高压反向触发双极晶闸管开关组件

介绍了反向触发双极晶闸管(RSD)开关的结构和触发工作原理,分析了RSD组件设计要求,利用两级触发原理研制了12 kV高压RSD组件及其触发系统,工作电压10~12 kV。试验结果表明：该高压RSD 串联组件触发稳定,工作可靠,12 kV工作电压下峰值电流可达133 kA,传输电荷24 C,电流变化率可达4.12 kA/μs,导通的峰值功率可达1.6 GW。     

新型小体积伪火花开关研制

伪火花开关是脉冲功率领域关键器件之一，具有脉冲电流大、电压范围宽、寿命长及可靠性高等优点。针对整机系统小型化发展的需要，开展新型小体积伪火花开关研制，创新性地将触发针引入空心阴极内部，实现辉光放电电子源注入，该设计减小伪火花开关的体积，并通过制管及实验验证设计合理性。测试结果表明，该产品的阳极工作电压范围为0.5～10 kV，最大阳极脉冲电流40 kA；在36 kA脉冲电流情况下，工作2万余次并未发现性能下降；该样品已通过高温、低温、温循、振动等可靠性试验考核。     

全固态脉冲功率源驱动Ka波段相对论返波管振荡器

利用基于SOS的固态脉冲功率源进行了Ka波段相对论返波管振荡器（RBWO）的实验研究。该固态脉冲功率源工作电压200～360 kV,工作电流约2.6 kA,脉宽约20 ns,脉冲上升前沿约9 ns。SOS固态脉冲功率源驱动Ka波段BWO的实验结果为：微波频率36～38 GHz,脉宽约10 ns,峰值功率约50 MW,重复频率10 Hz。     

基于磁开关和带状线的长脉冲超低阻抗脉冲发生器(英文)

设计了一台基于磁开关和带状线的超低阻抗长脉冲脉冲发生器。设计输出脉冲电压20kV,电流40kA,脉宽230ns,由初级储能系统、脉冲变压器、磁开关、带状脉冲形成线、轨道开关和负载组成。脉冲发生器的关键设备是40kV级磁开关,它能将40kV,10μs的脉冲压缩为40kV,2μs的脉冲;超低阻抗卷绕型带状脉冲形成线,其特性阻抗0.5Ω,电长度115ns,由铜带和聚酯薄膜卷绕而成,为全固态化脉冲形成线。在大功率匹配负载上得到了电压17.8kV,电流35.6kA,脉宽约270ns的准方波脉冲。实验结果与理论计算及数值模拟结果基本一致。