基于固态开关的重复频率脉冲功率源的脉冲调制技术及其应用

【摘要】随着功率半导体技术的发展,以体积小、重频高、易触发、可控性强、寿命长、可靠性高等优点,逐渐取代气体开关而成为了脉冲功率源中的主导开关,脉冲功率发生器全固态化也成为脉冲功率技术的研究热点和发展趋势。高功率快脉冲在工业应用、环保和医疗领域中的应用也越来越广泛,这些应用对脉冲功率源的要求是小型化、高电压、高重频、快脉冲和高效率。基于这些要求,本论文研究了基于半导体开关的全固态电压倍增技术、磁脉冲压缩技术以及它们的结合应用,主要内容分为以下三部分：(1)研究了基于半导体开关的全固态脉冲电压倍增技术,及其多种拓扑的实现方案,从而输出单极性或双极性的方波高压快脉冲。并首次提出在固态脉冲电压倍增电路中采用开关截尾技术和移相控制技术,从而获得快速下降沿和数十纳秒脉宽的窄脉冲。研制了一台具有-321kV电压输出的单极性全固态Marx发生器；一台具有输出电压20kV、电流200A的单极性脉冲叠加器；一台双极性全桥型脉冲叠加器,成功输出±5kV、最小脉宽60ns的双极性窄脉冲和任意可调的阶梯波。(2)研究了磁脉冲压缩技术和磁开关的使用方法。分析了各个磁参数对磁开关性能的影响,特别是磁感应强度变化率对磁导率和磁损耗的影响,归纳了如何通过生产工艺的改善提高初始磁导率和矩形比；并提出了基于实际工作电路进行动态磁特性测量,为磁开关的设计提供了可靠依据；对磁芯的复位技术进行了探讨,指出根据矫顽力计算复位电流的前提是磁芯材料具有高矩形比,并发现了一种新的磁开关自复位电路,分析了其自复位的原理和复位效果。(3)研究了基于半导体开关的固态电源和磁开关配合的多种电路方案。以典型一级磁脉冲压缩电路为例,详细阐述了磁开关的设计过程,并深入分析了压缩电路中各个参数对压缩效果的影响,通过实际测得的动态参数进行PSpice电路仿真,结果与实际情况吻合良好。通过实验证明,只用一级磁压缩电路就可以将固态电源的输出脉冲电压上升沿从560ns压缩到30ns,压缩比达到18倍以上。基于这个磁开关和固态电源设计的脉冲发生器可以输出电压幅值近30kV、上升沿为30ns的高压快脉冲。磁开关直接与固态电源串联,可以起到助磁作用,降低开关损耗并加快脉冲上升沿。使用脉冲形成线和磁开关配合的脉冲发生器可以输出电压峰值为12.4kV、上升沿和下降沿均为44ns、脉宽为220ns的高压矩形脉冲。提出的使用Blumlein传输线与磁开关配合的电路结构,用于介质阻挡放电负载时,在单次放电下即可激发多次DBD放电,产生高浓度的低温等离子体,在工业应用中具有很大的应用价值。(4)采用基于Blumlein传输线与磁开关配合的纳秒脉冲电源,初步开展了介质阻挡放电实验,用来处理罗丹明B溶液,取得了良好的去除效果,分析了多个电参数对处理效果的影响。
【作者】饶俊峰；
【导师】刘克富；
【作者基本信息】复旦大学，物理电子学，2013，博士
【关键词】脉冲功率；固态开关；电压倍增；磁开关；介质阻挡放电；

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