大功率固态开关在脉冲功率应用中的特性研究

摘要

脉冲功率系统对开关性能有特殊的要求:高的阻断电压、短的开通和关断时间以及大的瞬时电流。近些年来随着功率半导体技术的进步,大功率固态开关以其体积小、寿命长、可靠性高、重复频率高等优点,逐渐成为了脉冲功率开关的发展方向,以固态开关替代传统的气体开关已成为脉冲功率技术的研究热点和发展趋势。本论文研究了大功率半导体开关和磁开关在脉冲功率应用中的特性,主要包括三个部分:
　　(1)研究了基于半导体开关的全固态脉冲电压倍增技术的实现方案,分析了影响电压倍增电路输出电压上升沿的因素。其中关于双极性脉冲发生器的拓扑结构和工作原理的系统论述尚属首次。研制了具有20kV峰值电压、1.5～5μs可调脉宽、5kHz重复频率脉冲输出的单极性全固态Marx发生器和2kV峰值电压、200ns脉宽、20kHz重复频率脉冲输出的正负双极性隔离充电窄脉冲叠加器。
　　(2)研究了基于半导体开关和磁开关的脉冲压缩与陡化技术。具体工作包括:测量了磁芯的脉冲特性,进行了一级和二级磁脉冲压缩电路的理论分析。在此基础上,提出了将磁脉冲压缩陡化技术与全固态Marx发生器相结合这一新的方案,并通过实验证明二级磁压缩电路能够在陡化上升沿,同时较大程度地降低脉宽,相对于一级磁压缩电路更适合于和全固态Marx发生器配合工作。经过磁脉冲压缩与陡化之后,输出电压脉冲的各项参数是:峰值电压20kV,上升沿200ns,FWHM(Full-WidthatHalfMaximum,半高宽)500ns,脉冲重复频率5kHz。
　　(3)研究了晶闸管和GTO器件的脉冲通流特性。具体工作包括:推导出了晶闸管开通延迟时间和电流上升时间的近似表达式,指出了晶闸管的脉冲通流能力的限制因素,即一维开通过程中载流子正向渡越时间和二维开通过程中载流子横向扩展速度:建立了GTO的Pspice多元胞仿真模型,指出了导致脉冲大电流冲击下各个单元内电流分配不均的主要原因,即不同单元载流子正向渡越时间的差异;提出了利用磁开关的延迟导通效果来提高GTO的脉冲通流能力、降低开通损耗这一新方法。通过保证一定的延迟时间并辅以R-C预放电电路,能够很大程度地降低开关损耗、提高GTO的脉冲通流能力。实验中GTO的峰值电流达到了17.5KA,峰值电流上升率打到7KA/μs,相对于额定参数有近十倍的提升。