四倍压技术改善RSD脉冲功率系统运行频率研究

尚 超 刘云龙 王文成 台流臣

（潍坊学院信息与控制工程学院，山东 潍坊 261061）

脉冲功率技术是将能量在一段相对较长的时间内储存起来，然后在极短的时间内释放，以获得高功率[1-4]。近些年，重复频率脉冲功率技术受到各国的普遍重视并得到快速发展，是脉冲功率技术发展的一个重要方向[5-9]。俄罗斯原子能研究所的研究人员研制出了30kV、500Hz的强脉冲发生器，美国陆军研究实验室研制出了重复频率达1kHz、电流5～10kA的 MPG-1脉冲发生器和电流可达 101.5kA、di/dt为 8.2kA/μs的 MPG-2 脉冲发生器[10-13]。

20世纪80年代末，前苏联I. V. Grekhov等人基于可控等离子层换流的原理，首次提出了反向开关晶体管（reversely switched dynistor, RSD）的结构[14-17]。

不同于传统的脉冲功率器件，RSD废除了控制极，靠可控等离子层实现导通，它能同时兼顾几十千伏高电压、几百甚至上千安培大电流、高di/dt，且芯片全面积同时导通，在脉冲功率领域显示出巨大的优势。而我国对基于RSD的脉冲功率系统研究起步较晚。

在山东省高等学校科技计划项目的支持下，基于RSD单次运行的研究基础，本文提出其重复频率运行，设计了重复频率运行电路，分析了制约系统运行频率提高的因素，并给出了相应的解决方法。

1 基于RSD的脉冲功率系统

根据RSD的结构特点，建立其工作过程的数学模型：

式中，P(x, t)为剩余等离子体浓度；Nd为 n基区的掺杂浓度；b=μn/μp为弱电场中电子与空穴迁移率的比值；J(t)为流过等离子层的电流密度。

根据式（1）及RSD导通后等效一PIN二极管，得到用临界预充电荷描述的RSD开通条件：

式中，RQ 为单位面积的预充电荷量；b同上；dJF/dt为正向电流密度上升率；vn为通过p2基区的电子扩散时间；*τ为集电极电流上升的时间常数。

基于 RSD的脉冲系统结构如图 1所示。图中MS1和MS2为磁开关（磁心饱和前，其电感无限大；磁心饱和后，其电感急剧减小）[18]。

图1 基于RSD的脉冲功率系统结构图

系统工作原理：市电通过硅堆 R1、D1给电容C1、C2充电[19]，控制系统触发晶闸管导通，C2通过MS2、SCR放电，形成振荡电流。电容C2上电压反向时，反向电流流过 RSD，形成预充电流，约 2μs后，RSD内部形成等离子层，反向预充结束。此时磁开关MS1饱和，主电压U1通过已导通的RSD向负载RL放电，形成电流脉冲。由此可见，通过控制晶闸管SCR反复开通，可以得到重复输出的电流脉冲。

图1所示电路主放电回路即RLC震荡回路，由于RSD不能承受反峰，故要求回路电流不能出现反峰。电路参数：主电容 C1：3μF，预充电容 C2：0.22μF，负载 RL：0.25Ω。RSD管芯直径为 36mm，耐压为2.4kV，有效通流面积为 7cm2，磁开关磁心为环形铁基非晶合金。

在一定初始电压下，得到图2所示仿真波形。图中，I为流过RSD的电流，U为RSD两端电压。由图2波形可见，在350V电压下，RSD上电流峰值为280A，且电流无反峰，以上电路参数能够保证RSD安全运行。

图2 RSD的电流电压仿真波形

图3 所示为3μF电容充电（市电通过硅堆和限流电阻直接充电）电压波形，可见电容充电至1.5kV需7s，相比其放电，此种方法的充电速度很慢，故该充电方式制约着系统运行频率的提高，要想提高脉冲功率系统频率，必须设法改变电容充电方式。

图3 3μF电容充电电压波形

2 倍压电路结构及工作原理

图4所示为倍压电路（本实验中用四倍压）结构示意图。C1、C2、C3和 C4为电解电容，耐压为450V，容量为 1000μF，D1、D2、D3和 D4为功率二极管。若器件参数设置合理，则该系统可按如下方式工作：电源（AC）在第一个正半周（a为正，b为负）时通过C1—D1回路给电容C1充电至Uab，电源极性反向后，电源和电容 C1通过 C1－D2－C2回路同时给电容C2充电至2Uab，同理，电源在第二个正半周期间，电容C3充电至2Uab，第二个负半周期间电容C4充电至2Uab，极性如图所示。

当b、c两点作输出时，输出电压Ubc为4Uab（四倍于电源电压），a、d两点作输出时，输出电压Uad为 3Uab。

图4 四倍压电路结构示意图

仿真电源对四倍压电路充电的过程结果如图 5所示。仿真参数设置如下：C1为 1000μF，C2、C3和 C4为 500μF。D1、D2、D3和 D4为功率二极管，耐压1.5kV。图中的输出电压为b、c两点间电压Ubc。

图5 四倍压电路充电仿真波形

图5 的仿真波形显示，电源对四倍压电路的充电速度很快，仅用0.3s Ubc达到1.2kV，且电压保持稳定，电压上升过程中存在迂回现象，是因为过程中电容存在充放电循环。

本文进行了四倍压电路对3μF电容单次充电实验，波形如图6所示。

图6 四倍压电路对3μF电容充电波形

图6 中的曲线显示，四倍压电路对3μF电容充电到2.0kV时仅用了150μs，充电电流峰值为54A，电流电压波形平滑。相比图3的充电方式，四倍压电路能够极大提高电容充电速度，将其应用于脉冲功率系统，有望提高系统的工作频率。

3 实验过程及结果分析

采用四倍压电路充电的脉冲功率系统整体结构如图 7 所示。主电容 C1：3μF，预充电容 C2：0.22μF，单片机控制晶闸管（SCR1和 SCR2）开通。四倍压系统充电结束后，触发晶闸管SCR1导通，四倍压电路给电容 C1和 C2充电，充电电流同时给磁开关（MS1、MS2）消磁，此过程结束后触发晶闸管SCR2导通，C2、MS2及SCR2形成放电回路，此回路中的振荡电流达到最大值时开始分流给RSD支路，RSD开始反向预充，约2μs后预充完毕，同时磁开关MS1在主电压的作用下趋于饱和，RSD上电压极性反转，器件导通，主电压通过RSD对负载放电，C1、MS1、RL和RSD组成的回路中形成强大的电流脉冲。图中D1、R2支路为续流回路，用来消耗主回路中多余的能量，防止主电流给C1反向充电。

按图7所示电路进行实验，RSD采用谐振式预充。C1、C2初始电压为1.2kV。高压探头测RSD两端电压，罗氏线圈（比率为10900A/V）测RSD电流，得到放电频率为250Hz和500Hz的电流电压波形，分别如图8和图9所示。

图7 改进充电系统后的电路结构示意图

图8 重复频率250Hz的RSD电流电压波形

图8 的电压波形显示，充电结束后RSD两端的电压能够维持在 1.2kV，RSD工作频率为 250Hz，且电压曲线上升和下降过程都比较平滑，说明四倍压电路能够快速有效地对电容充电。电流波形不是很清晰，是因为罗氏线圈比率太大，对小电流的捕捉不是很灵敏。

图9 重复频率500Hz的RSD电流电压波形

图9 的电压波形显示，随着系统工作频率的提高，RSD两端的电压有小幅减小，这是因为电容放电速度稍快于充电速度。

图10为系统单次放电电流电压波形。由波形可见，RSD预充电流峰值为365A，预充时间为2μs，器件正常开通，放电电流峰值为 2.2kA，半高宽为9μs，di/dt为 497.2A/μs，系统工作状态正常，器件无损坏。

图10 RSD单次运行电流电压波形

对比图10和图2的仿真波形，可见实验波形与仿真波形基本一致，参数设置保证了电路安全可靠运行。图10所示电路中电流出现抖动，是因为电路中存在寄生电感所致。

4 结论

1）采用普通充电法对电容进行充电速度很慢，不利于脉冲功率系统重复频率运行。

2）四倍压电路能提高电容充电速度，且充电电流电压波形平滑。

3）基于四倍压电路充电，脉冲功率系统单次和重复频率工作稳定。

4）实验中器件工作稳定，说明 RSD具有良好的重频特性。

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