四倍壓技術(shù)改善RSD脈沖功率系統(tǒng)運(yùn)行頻率研究

尚 超 劉云龍 王文成 臺(tái)流臣

（濰坊學(xué)院信息與控制工程學(xué)院，山東 濰坊 261061）

脈沖功率技術(shù)是將能量在一段相對(duì)較長的時(shí)間內(nèi)儲(chǔ)存起來，然后在極短的時(shí)間內(nèi)釋放，以獲得高功率[1-4]。近些年，重復(fù)頻率脈沖功率技術(shù)受到各國的普遍重視并得到快速發(fā)展，是脈沖功率技術(shù)發(fā)展的一個(gè)重要方向[5-9]。俄羅斯原子能研究所的研究人員研制出了30kV、500Hz的強(qiáng)脈沖發(fā)生器，美國陸軍研究實(shí)驗(yàn)室研制出了重復(fù)頻率達(dá)1kHz、電流5～10kA的 MPG-1脈沖發(fā)生器和電流可達(dá) 101.5kA、di/dt為 8.2kA/μs的 MPG-2 脈沖發(fā)生器[10-13]。

20世紀(jì)80年代末，前蘇聯(lián)I. V. Grekhov等人基于可控等離子層換流的原理，首次提出了反向開關(guān)晶體管（reversely switched dynistor, RSD）的結(jié)構(gòu)[14-17]。

不同于傳統(tǒng)的脈沖功率器件，RSD廢除了控制極，靠可控等離子層實(shí)現(xiàn)導(dǎo)通，它能同時(shí)兼顧幾十千伏高電壓、幾百甚至上千安培大電流、高di/dt，且芯片全面積同時(shí)導(dǎo)通，在脈沖功率領(lǐng)域顯示出巨大的優(yōu)勢(shì)。而我國對(duì)基于RSD的脈沖功率系統(tǒng)研究起步較晚。

在山東省高等學(xué)?？萍加?jì)劃項(xiàng)目的支持下，基于RSD單次運(yùn)行的研究基礎(chǔ)，本文提出其重復(fù)頻率運(yùn)行，設(shè)計(jì)了重復(fù)頻率運(yùn)行電路，分析了制約系統(tǒng)運(yùn)行頻率提高的因素，并給出了相應(yīng)的解決方法。

1 基于RSD的脈沖功率系統(tǒng)

根據(jù)RSD的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，建立其工作過程的數(shù)學(xué)模型：

式中，P(x, t)為剩余等離子體濃度；Nd為 n基區(qū)的摻雜濃度；b=μn/μp為弱電場(chǎng)中電子與空穴遷移率的比值；J(t)為流過等離子層的電流密度。

根據(jù)式（1）及RSD導(dǎo)通后等效一PIN二極管，得到用臨界預(yù)充電荷描述的RSD開通條件：

式中，RQ 為單位面積的預(yù)充電荷量；b同上；dJF/dt為正向電流密度上升率；vn為通過p2基區(qū)的電子擴(kuò)散時(shí)間；*τ為集電極電流上升的時(shí)間常數(shù)。

基于 RSD的脈沖系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖 1所示。圖中MS1和MS2為磁開關(guān)（磁心飽和前，其電感無限大；磁心飽和后，其電感急劇減?。18]。

圖1 基于RSD的脈沖功率系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

系統(tǒng)工作原理：市電通過硅堆 R1、D1給電容C1、C2充電[19]，控制系統(tǒng)觸發(fā)晶閘管導(dǎo)通，C2通過MS2、SCR放電，形成振蕩電流。電容C2上電壓反向時(shí)，反向電流流過 RSD，形成預(yù)充電流，約 2μs后，RSD內(nèi)部形成等離子層，反向預(yù)充結(jié)束。此時(shí)磁開關(guān)MS1飽和，主電壓U1通過已導(dǎo)通的RSD向負(fù)載RL放電，形成電流脈沖。由此可見，通過控制晶閘管SCR反復(fù)開通，可以得到重復(fù)輸出的電流脈沖。

圖1所示電路主放電回路即RLC震蕩回路，由于RSD不能承受反峰，故要求回路電流不能出現(xiàn)反峰。電路參數(shù)：主電容 C1：3μF，預(yù)充電容 C2：0.22μF，負(fù)載 RL：0.25Ω。RSD管芯直徑為 36mm，耐壓為2.4kV，有效通流面積為 7cm2，磁開關(guān)磁心為環(huán)形鐵基非晶合金。

在一定初始電壓下，得到圖2所示仿真波形。圖中，I為流過RSD的電流，U為RSD兩端電壓。由圖2波形可見，在350V電壓下，RSD上電流峰值為280A，且電流無反峰，以上電路參數(shù)能夠保證RSD安全運(yùn)行。

圖2 RSD的電流電壓仿真波形

圖3 所示為3μF電容充電（市電通過硅堆和限流電阻直接充電）電壓波形，可見電容充電至1.5kV需7s，相比其放電，此種方法的充電速度很慢，故該充電方式制約著系統(tǒng)運(yùn)行頻率的提高，要想提高脈沖功率系統(tǒng)頻率，必須設(shè)法改變電容充電方式。

圖3 3μF電容充電電壓波形

2 倍壓電路結(jié)構(gòu)及工作原理

圖4所示為倍壓電路（本實(shí)驗(yàn)中用四倍壓）結(jié)構(gòu)示意圖。C1、C2、C3和 C4為電解電容，耐壓為450V，容量為 1000μF，D1、D2、D3和 D4為功率二極管。若器件參數(shù)設(shè)置合理，則該系統(tǒng)可按如下方式工作：電源（AC）在第一個(gè)正半周（a為正，b為負(fù)）時(shí)通過C1—D1回路給電容C1充電至Uab，電源極性反向后，電源和電容 C1通過 C1－D2－C2回路同時(shí)給電容C2充電至2Uab，同理，電源在第二個(gè)正半周期間，電容C3充電至2Uab，第二個(gè)負(fù)半周期間電容C4充電至2Uab，極性如圖所示。

當(dāng)b、c兩點(diǎn)作輸出時(shí)，輸出電壓Ubc為4Uab（四倍于電源電壓），a、d兩點(diǎn)作輸出時(shí)，輸出電壓Uad為 3Uab。

圖4 四倍壓電路結(jié)構(gòu)示意圖

仿真電源對(duì)四倍壓電路充電的過程結(jié)果如圖 5所示。仿真參數(shù)設(shè)置如下：C1為 1000μF，C2、C3和 C4為 500μF。D1、D2、D3和 D4為功率二極管，耐壓1.5kV。圖中的輸出電壓為b、c兩點(diǎn)間電壓Ubc。

圖5 四倍壓電路充電仿真波形

圖5 的仿真波形顯示，電源對(duì)四倍壓電路的充電速度很快，僅用0.3s Ubc達(dá)到1.2kV，且電壓保持穩(wěn)定，電壓上升過程中存在迂回現(xiàn)象，是因?yàn)檫^程中電容存在充放電循環(huán)。

本文進(jìn)行了四倍壓電路對(duì)3μF電容單次充電實(shí)驗(yàn)，波形如圖6所示。

圖6 四倍壓電路對(duì)3μF電容充電波形

圖6 中的曲線顯示，四倍壓電路對(duì)3μF電容充電到2.0kV時(shí)僅用了150μs，充電電流峰值為54A，電流電壓波形平滑。相比圖3的充電方式，四倍壓電路能夠極大提高電容充電速度，將其應(yīng)用于脈沖功率系統(tǒng)，有望提高系統(tǒng)的工作頻率。

3 實(shí)驗(yàn)過程及結(jié)果分析

采用四倍壓電路充電的脈沖功率系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)如圖 7 所示。主電容 C1：3μF，預(yù)充電容 C2：0.22μF，單片機(jī)控制晶閘管（SCR1和 SCR2）開通。四倍壓系統(tǒng)充電結(jié)束后，觸發(fā)晶閘管SCR1導(dǎo)通，四倍壓電路給電容 C1和 C2充電，充電電流同時(shí)給磁開關(guān)（MS1、MS2）消磁，此過程結(jié)束后觸發(fā)晶閘管SCR2導(dǎo)通，C2、MS2及SCR2形成放電回路，此回路中的振蕩電流達(dá)到最大值時(shí)開始分流給RSD支路，RSD開始反向預(yù)充，約2μs后預(yù)充完畢，同時(shí)磁開關(guān)MS1在主電壓的作用下趨于飽和，RSD上電壓極性反轉(zhuǎn)，器件導(dǎo)通，主電壓通過RSD對(duì)負(fù)載放電，C1、MS1、RL和RSD組成的回路中形成強(qiáng)大的電流脈沖。圖中D1、R2支路為續(xù)流回路，用來消耗主回路中多余的能量，防止主電流給C1反向充電。

按圖7所示電路進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，RSD采用諧振式預(yù)充。C1、C2初始電壓為1.2kV。高壓探頭測(cè)RSD兩端電壓，羅氏線圈（比率為10900A/V）測(cè)RSD電流，得到放電頻率為250Hz和500Hz的電流電壓波形，分別如圖8和圖9所示。

圖7 改進(jìn)充電系統(tǒng)后的電路結(jié)構(gòu)示意圖

圖8 重復(fù)頻率250Hz的RSD電流電壓波形

圖8 的電壓波形顯示，充電結(jié)束后RSD兩端的電壓能夠維持在 1.2kV，RSD工作頻率為 250Hz，且電壓曲線上升和下降過程都比較平滑，說明四倍壓電路能夠快速有效地對(duì)電容充電。電流波形不是很清晰，是因?yàn)榱_氏線圈比率太大，對(duì)小電流的捕捉不是很靈敏。

圖9 重復(fù)頻率500Hz的RSD電流電壓波形

圖9 的電壓波形顯示，隨著系統(tǒng)工作頻率的提高，RSD兩端的電壓有小幅減小，這是因?yàn)殡娙莘烹娝俣壬钥煊诔潆娝俣取?/p>

圖10為系統(tǒng)單次放電電流電壓波形。由波形可見，RSD預(yù)充電流峰值為365A，預(yù)充時(shí)間為2μs，器件正常開通，放電電流峰值為 2.2kA，半高寬為9μs，di/dt為 497.2A/μs，系統(tǒng)工作狀態(tài)正常，器件無損壞。

圖10 RSD單次運(yùn)行電流電壓波形

對(duì)比圖10和圖2的仿真波形，可見實(shí)驗(yàn)波形與仿真波形基本一致，參數(shù)設(shè)置保證了電路安全可靠運(yùn)行。圖10所示電路中電流出現(xiàn)抖動(dòng)，是因?yàn)殡娐分写嬖诩纳姼兴隆?/p>

4 結(jié)論

1）采用普通充電法對(duì)電容進(jìn)行充電速度很慢，不利于脈沖功率系統(tǒng)重復(fù)頻率運(yùn)行。

2）四倍壓電路能提高電容充電速度，且充電電流電壓波形平滑。

3）基于四倍壓電路充電，脈沖功率系統(tǒng)單次和重復(fù)頻率工作穩(wěn)定。

4）實(shí)驗(yàn)中器件工作穩(wěn)定，說明 RSD具有良好的重頻特性。

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