全固態高壓納秒級群脈衝發生器關鍵技術研究

《全固態高壓納秒級群脈衝發生器關鍵技術研究》是依託中國科學院電工研究所，由張東東擔任項目負責人的青年科學基金項目。

基本介紹

• 中文名：全固態高壓納秒級群脈衝發生器關鍵技術研究
• 項目類別：青年科學基金項目
• 項目負責人：張東東
• 依託單位：中國科學院電工研究所

項目摘要

脈衝功率電源技術發展至今，已經形成了多種相對獨立的脈衝產生方式和技術，它們各自有自己的特點，或者峰值功率高，但重複頻率較低；或者重複頻率高而峰值功率較低，很難兼顧到高重頻和高功率的要求。基於固態開關的磁脈衝壓縮器最大程度發揮了固態開關和磁開關的優勢，是目前產生中高壓（10~100kV）、窄脈衝（~100ns）以及高重複頻率（約10kHz）脈衝發生源的理想方案。而將多台磁脈衝壓縮電源串並聯運行，必可獲得更高的重複頻率、更高的平均功率和更長的穩定運行時間。有鑒於此，為突破單台脈衝源的重複頻率，平均功率以及長時運行限制，本項目旨在探索MHz級的全固態高頻高壓納秒脈衝發生關鍵技術，重點研究多組磁脈衝壓縮系統的並聯技術，提升初級固態開關的耐壓通流能力，解決困擾磁脈衝壓縮系統向更高重複頻率發展的磁芯散熱、多組磁脈衝壓縮系統並聯運行時各組之間的時延抖動以及環流等技術問題。

結題摘要

本項目旨在探索全固態高頻高壓納秒脈衝發生關鍵技術，重點研究固態開關多器件串並聯技術，可飽和變壓器和磁開關磁芯的測試技術，磁脈衝壓縮系統的數值模擬，最佳化設計原則，和多組磁脈衝壓縮系統的並聯技術。取得成果如下： （ 1）採用輔助均壓電路，實現了兩個IGBT 的串聯運行。在兩個驅動信號不同步 的情況下，開通關斷瞬間，兩個IGBT 的開通關斷時刻基本達到一致，關斷電壓波形基本重合，消除器件雜散參數對多器件同步性的影響。 （ 2）採用電路拓撲並聯技術，間接實現了兩個 IGBT 的並聯運行。從測試得到的電壓電流波形可知，兩個IGBT 的開通同步性非常好，且相對獨立工作，相互之間沒有影響，證明了電路拓撲並聯技術的優越性。 （ 3）針對磁性材料在磁脈衝壓縮系統中特定的套用，使用脈衝法對磁芯動態磁特性進行直接測量，測量中的勵磁方式和實際工作中完全一致，通過計算得到磁芯在微秒脈衝激勵下實際能夠達到的伏秒數以及磁芯的損耗。 （ 4）通過分析簡化的磁壓縮末級迴路，分析了預脈衝產生的過程，得出了預脈衝的電壓表達式，獲得了影響磁開關開通效果的因素有磁芯得相對磁導率已經負載電阻的阻值。 （ 5）通過數值模擬和實驗研究獲得磁脈衝壓縮系統的最佳化設計策略，它是將損耗評價分配到各壓縮級之中，這時系統的總體效率得到最大化。並最佳化設計製作了五套磁脈衝壓縮系統電源，電源爆發式運行頻率可達20kHz，脈寬70ns，可在500 Ω阻性負載上獲得4~40 kV連續可調的輸出電壓。 （ 6）設計製作了全固態高壓納秒群脈衝發生器，解決了電磁兼容問題；單路磁壓縮系統爆發式運行時最高頻率為20 kHz，脈寬50 ns， 5 路並聯運行最高頻率為100kHz，群脈衝最短間隔為5μs。綜上所述，基於固態開關的磁脈衝壓縮器最大程度發揮了固態開關和磁開關的優勢，是目前產生中高壓、窄脈衝以及高重複頻率脈衝發生源的理想方案。將多台磁脈衝壓縮電源並聯運行，能夠獲得更高的重複頻率、更高的平均功率和更長的穩定運行時間，項目基本達到預期目標。