压控型脉冲功率半导体器件技术及应用

近年来,采用新一代半导体开关替代传统气体或真空开关是脉冲功率系统的一种重要发展趋势。为了给脉冲功率半导体器件领域的技术发展提供参考,简要介绍了压控型脉冲功率半导体器件技术的发展历程,总结了MOS栅控晶闸管(MCT)在器件设计、工艺和可靠性等方面的研究进展,同时通过比较MCT与一般商业IGBT器件,阐述了MCT相比于其他功率脉冲半导体器件的优劣情况,并结合典型应用场景展示了MCT器件的优势,对压控型脉冲功率半导体器件的发展趋势进行了简要分析。

基于PFN-Marx技术的紧凑型重频脉冲功率源

针对低磁场相对论磁控管高功率微波器件实验驱动需求,对基于脉冲形成网络(PFN)储能的高功率脉冲产生技术进行了研究。为了使其结构紧凑且具有较好的输出脉冲波形,设计了半环形PFN脉冲形成单元,两个半环形带状PFN与一体化开关、绝缘盘组成圆环形高压脉冲产生模块。PFN脉冲形成单元由13个陶瓷电容与半环形金属电极板构成,多个高压脉冲产生模块同轴层叠,所有开关导通后各模块PFN串联放电,产生快前沿高功率方波脉冲,再通过对触发开关和充电电源的同步控制实现重频工作。采用电磁仿真软件对PFN物理结构进行优化设计,研制的高压脉冲产生模块充电51 kV在负载8.5Ω上输出电压峰值49.6 kV、脉冲半高宽108 ns、脉冲前沿14 ns、平顶(90%~90%) 74 ns,具有较好的方波特性;11个高压脉冲产生模块层叠集成为1个22级紧凑PFN-Marx装置,在充电51 kV的条件下,84Ω负载上获得峰值516 kV的高电压脉冲输出,半高宽104 ns、平顶63 ns、脉冲前沿11 ns,实现了20 Hz连续15 s重频稳定工作,输出波形完全一致。

氢闸流管驱动三同轴电缆Blumlein线的kHz重频脉冲功率源

闪光X射线摄影技术在军事和民用等多个领域具有重要场景。针对重频直线感应加速器高重频的要求,提出了基于氢闸流管驱动三同轴电缆Blumlein线的脉冲功率源方案,设计和研制了一种三同轴电缆,研究了氢闸流管的导通特性,搭建了氢闸流管驱动三同轴电缆Blumlein线脉冲功率源的验证平台,开展了kHz重频脉冲功率源实验研究,以及kHz重频脉冲功率源驱动重频感应腔的实验研究,结果表明:基于氢闸流管驱动三同轴电缆Blumlein线脉冲功率源实现了波形品质优异的kHz重频方波脉冲输出。

研究生课程脉冲功率技术及应用的思政建设探索

《高等学校课程思政建设指导纲要》提出要在全国所有学科专业全面推进课程思政建设,这对原本相对比较薄弱的研究生课程思政建设提出挑战。为此,基于研究生课程脉冲功率技术及应用的特点,构建融合显性目标和隐性目标的思政建设整体框架,从家国情怀、创新精神、科研热情和辩证统一等角度深入挖掘和分析该课程的思政元素,并基于研究生课程教学、理工科课程教学的特点对该课程课堂教学的各环节进行改革与探索,基于三届研究生教学实践及教学效果反馈信息分析,对该课程的思政建设取得较好的效果,也为其他理工类研究生课程的思政建设提供参考。

脉冲功率电源空间环境适应性研究及验证

脉冲功率电源已广泛应用于科研、医疗、工业等众多领域,但在航天空间领域仍缺少应用先例。针对脉冲功率电源未经历过上天应用,其空间环境适应性缺乏验证问题,以影响脉冲功率电源关键指标却又未经历过上天验证的高压电容器、调波电感、晶闸管等核心器件为研究重点,开展了核心器件的高真空、强辐射、温度交变等主要空间环境的地面模拟试验。试验结果表明脉冲功率电源具有良好的空间环境适应性,为以后的脉冲功率电源的空间应用打下了坚实基础,填补脉冲功率电源空间应用的空白。

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。

基于多特征融合的脉冲功率电源软故障诊断方法研究

脉冲功率电源作为电热发射、电磁发射等技术的核心器件,其稳定性对整个发射系统的性能起着决定性作用。针对脉冲功率电源软故障,提出一种融合多特征的BP神经网络故障诊断方法。通过建立脉冲功率电源仿真模型,获取放电电流故障数据样本;对故障样本进行时域分析和小波分析,提取时域参数及特定频带能量,以此构建融合了多种特征的特征向量;利用遗传算法对BP神经网络的初始权重和阈值进行优化,实现对脉冲功率电源故障模式的准确识别。实验结果与其他故障诊断方法进行对比,证实了本方法的有效性。

基于砷化镓光电导开关的双极性固态脉冲功率源

设计了一种基于砷化镓(GaAs)光电导开关(PCSS)的双极性固态脉冲功率源。通过对两级脉冲形成线(PFL)结构端反射系数的研究,分析了单极性正、负脉冲以及双极性脉冲产生的波过程,并采用PSpice工具开展电路仿真研究。研究了输入端电阻阻抗对脉冲拖尾的影响,提出了脉冲拖尾调制和脉冲宽度调制的方法。基于体结构GaAs PCSS和两级脉冲形成线结构,搭建了电阻隔离的脉冲充电实验平台,采用光路分时触发技术对光电导开关导通时序进行调控。实验结果表明,所研制的双极性固态脉冲功率源在2.5 kV偏压下可产生峰峰值达3.26 kV、脉宽5.6 ns、重复频率1 kHz的双极性纳秒冲激脉冲,验证了将雪崩GaAs PCSS与多级波拓扑结构PFL结合产生双极性纳秒冲激脉冲的可行性。

舰船脉冲功率负载Buck变换器自适应阻尼比控制方法

针对脉冲功率负载的周期性功率突变造成接口变换器输出电压瞬时跌落和持续扰动的问题,提出一种Buck变换器的自适应阻尼比控制方法,使得输出电压的响应性能能够直接通过阻尼比实现精确调节,不依赖于控制参数,且对输入电压扰动具有抑制作用。该方法通过引入类电压环消除了时变的输入和占空比的非线性饱和,建立输出电压与其参考值的单输入单输出二阶系统,将不确定负载扰动的控制问题转化为二阶系统的阻尼比控制问题。此外,在不影响电压调节性能的前提下,通过附加占空比调节实现并联变换器供电结构的均流控制。仿真和硬件在环实验结果表明,在脉冲功率负载的不同暂态过程,并联变换器均能够实现快速平滑的电压调节和输出电流均衡。

Ricker脉冲功率合成方法及辐射效率

针对时域天线辐射效率低的问题,对Ricker脉冲展开了研究。首先指出Ricker脉冲具有较高的中心频率,对提高天线的辐射效率大有裨益。然后从时延量精确控制出发,阐述了产生Ricker脉冲的功率合成方法,并推导出合成高阶高斯脉冲最优延时的理论公式。设计了一款单极脉冲源并采用锐化电容法优化了其下降沿,并以该单级脉冲源为基础,设计了一款峰峰值为5.1 kV,主峰半峰值脉宽为350 ps的Ricker脉冲源,其中心频率为0.5 GHz。为了验证以上分析的正确性,针对全金属的时域天线,提出了一种计算辐射效率的简便方法,并利用设计的Ricker脉冲和具有相同脉宽的单极脉冲来激励相同的天线。结果表明,单极脉冲的幅度辐射效率只有60%左右,而Ricker脉冲可以达到80%以上;单极脉冲的功率辐射效率不到40%,而Ricker脉冲则可以提高到60%以上。利用Ricker脉冲做为激励信号,大幅提升了天线的辐射效率,大大减小了发射系统被反射功率损坏的风险,同时对天线小型化有着重要意义,在诸如探地雷达、高功率微波源等时域应用中具有广泛的应用前景。

小型脉冲功率发生器的电路方法与实践

基于实用的观点综述性地归纳了小型脉冲功率发生器的主要电路方法,从电路的储能原理和电压叠加到开关单元设计及控制信号的产生技术。以作者的实际工作内容为主,用具体的电路实例介绍了几种脉冲功率电路的基本结构和主要结果。这些电路包括:电容储能Marx发生器,电感储能Marx发生器,混合储能Marx发生器,电容储能直线型变压器驱动器(LTD)和电感储能LTD。

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。

基于CDEGS的脉冲功率装置接地优化设计

为降低脉冲功率装置接地点地电位升(grounding potential rise,GPR),使用PSpice进行了Marx型脉冲功率装置初步电路模拟,使用CDEGS进行了接地网频域仿真,结合施工难度及效费比,对接地网进行优化。研究了水平地网密度、地网形状、垂直接地极长度、引下线参数对GPR的影响。结果表明,水平地网密度对工频接地电阻影响较小,对高频散流性能影响较大;实验室地面混凝土钢筋可有效降低地面跨步电压;电流注入点采用放射线接地方法可有效提高地网高频散流性能;高频情况下,近距离铺设的垂直接地极屏蔽效应明显;引下线电感是影响接地点GPR的最大因素。优化后地网参数包括埋深为0.4 m,引下线截面半径为0.25 m,16条放射线,垂直接地极长度为7 m,地网间距为1 m。当激励电流为11 MHz,2.6 kA时,注入点GPR较未优化时降低66.3%,降阻效果明显。

高电压大电流柔性脉冲功率同轴电缆设计

基于关键材料选择、柔性结构、大截面同轴低回路电阻和结构参数设计,研制了高电压大电流柔性脉冲功率同轴电缆,并通过仿真和试验,进行电气强度、机械强度和温升分析。结果表明,产品达到了设计预期,满足使用要求,可实现相应的性能和功能。

RSD重复频率脉冲功率电路的研制

研制了一种基于高速大功率半导体脉冲开关反向开关晶体管(Reversely Switched Dynistor,简称RSD)的重复频率脉冲功率电路,电路主要包括放电电容充电回路、主回路及RSD预充回路等部分。分析了脉冲功率电路及磁开关工作原理。设计了工作电压为2.4 kV时的电路及磁开关参数。试验结果表明,当重复频率为10 Hz时,RSD输出电流峰值为2.44 kA,脉宽为9μs,工作频率从10 Hz增加至60 Hz时,输出电流从2.44 kA下降至2.21 kA,变化率为4.5%。

紧凑小型脉冲功率源ARC-01/02及其应用

脉冲功率技术的重要发展方向是高功率密度、紧凑小型化和高稳定可靠。液体介质由于具有绝缘强度高、易流动、快恢复、散热性好等方面的特点,广泛应用于脉冲形成线型紧凑小型脉冲功率源的电容储能器件作为储能介质。主要围绕紧凑小型脉冲功率源ARC系列的技术难题,开展了关键技术、系统研发及其工程应用等方面的工作。首先,提出了基于液体介质和慢波结构的形成线,采用场均匀和绝缘配合技术,研制出紧凑小型脉冲功率源ARC-01和ARC-02,输出功率1~2 GW、脉冲宽度5~30 ns、重复频率1~100 Hz,紧凑化水平较国际先进同类装置最多提高了2倍。之后,以凑小型脉冲功率源为核心搭建液体介质击穿测试平台,针对变压器油、蓖麻油、甘油、碳酸丙烯酯等常见液体介质,开展了微秒脉冲击穿特性研究,采用统计分析方法建立了数据库,以“小成本”换取“高可靠性”;并采用超高速光学诊断方法,将击穿瞬间流注、冲击波、亚微观断裂面产生、传播、截止过程与张力理论结合,建立了液体介质击穿物理模型。最后,成功将紧凑小型脉冲功率源应用于驱动宽带/窄带微波产生、碳纤维阴极稳定性及寿命测试。

“大容量脉冲功率电源关键技术”专辑特邀主编寄语

现代脉冲功率技术通过既定时间储能并将能量在极短时间释放到特定负载上,以期获得极高的峰值功率。现代脉冲功率技术在国防和工业领域均有非常广泛应用,包括但不囿于脉冲激光光源、电磁发射、加速器、废气废水处理、材料表面改性、生物改良和医用治疗等。

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200Ω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150Ω电阻负载上单脉冲输出指标达到660 kV,4.4 kA,脉宽约70 ns。

民用脉冲功率源的进展与展望

民用脉冲功率技术的发展一直比较缓慢,其根本原因是脉冲功率源有待于进一步多样化、小型化、重频化、长寿命和高性价比。电容器储能和开关技术是制约民用脉冲功率源发展的瓶颈。为此,简介了民用脉冲功率源在多样化、开关固态化、电容器储能和功率高密度化等方面的发展现状以及对它今后发展的思考。只有依靠多学科的大协作和政府的大投入,民用脉冲功率源才有望在不久的将来得到较大的发展。

晶闸管脉冲功率开关保护参数优化计算及其影响

晶闸管具有承受浪涌电流的特点,提出利用它构建强脉冲功率投切开关,代替传统切换开关。整个投切过程是在母线电流过零/电压过零时进行,因此冲击小、无电磁暂态过渡过程,且无拉弧现象。以ABB公司的5STP52U5200晶闸管为例,讨论工作于脉冲开关状态时它的反向恢复电流特点,并归纳出吸收电阻和电容的优化计算方法和设计准则。利用MATLAB的SIMULINK环境构建以晶闸管充当脉冲功率开关的整个试验回路的仿真建模,分析阻容吸收回路参数对晶闸管过电压的影响特性。该仿真模型能够正确反映晶闸管的开关暂态过程,具有良好的灵活性、与扩展性。试验验证了所提出的晶闸管的计算方法和设计准则的有效性,并有利于快速设计出满足工程需求的脉冲功率开关(阀)组件。