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基于RSD开关的高功率窄脉冲发生与特性研究

作　者: 周郁明
导　师: 余岳辉
学　校: 华中科技大学
专　业: 微电子学与固体电子学
关键词: 脉冲功率技术窄脉冲 RSD 磁开关 Rogowski线圈
分类号: TN386
类　型: 博士论文
年　份: 2007年
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引　用: 2次
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内容摘要

RSD(Reserve Switching Dynistor)是新型的高功率半导体器件,是脉冲功率装置的理想开关元件,但目前制约基于RSD开关窄脉冲发生的一些问题亟待解决。本论文就其中的高压RSD开关的触发,基于RSD的磁开关技术,基于RSD的窄脉冲放电电流的测量等问题进行了深入研究。这些问题的研究和解决对于基于RSD开关的窄脉冲产生是至关重要的。提出了高压RSD开关的两种触发技术-谐振触发和变压器触发。谐振触发技术是基于RLC电路谐振原理,技术关键是解决晶闸管的串联运行问题,以及正确选取谐振触发电路的电容、电感和磁芯截面积等参数。对此,提出采用并联电阻来实现串联晶闸管的均压、并联电容实现串联晶闸管的同步开通;提出串联晶闸管同步触发的两种方案:一种是选用参数尽量一致的电子元器件,每只晶闸管单独有一套触发电路,另外一种是采用变压器将单路信号分解为多路触发信号,有利于保证串联晶闸管触发信号的一致性;提出根据RSD放电电流上升率和RSD临界触发电荷量的要求来初步确定谐振电容参数,进而在PSpice电路仿真软件中,通过固定电容参数来确定谐振电感的取值范围,由此电感取值,反过来得到电容参数的取值范围,同时得到相应条件下所需的磁芯截面积。变压器触发技术是利用可饱和变压器的升压和可饱和的双重功能,分别实现对两级RSD开关的触发,技术关键是可饱和变压器的设计。对此,提出利用磁性设计软件设计可饱和变压器,进而在电路仿真软件中验证,同时研究原次边电容对第二级RSD开关触发电流的影响,由此得到原次边电容容量的取值范围。对比了两种高压RSD开关的触发技术,认为20kV以下的电压,可以采用谐振触发方式,而更高电压的RSD触发,变压器触发方式更为合适。以上研究为解决高压RSD的触发提供了理论上和技术上的支持。结合电磁场的基本理论以及磁性材料的磁化理论,提出利用有限元分析软件计算作为RSD应用及磁压缩电路的关键元件-磁开关的电磁场,进而与由磁开关伏秒积公式的理论计算值及实际测量值对比,由此得出磁开关的实际测量值与计算值不一致的主要原因,为正确应用及设计磁开关的参数提供理论指导。同时,在分析产生窄脉冲的磁压缩原理基础上,设计了大功率激光器的脉冲压缩网络参数。通过实验的方式测试了RSD的电压响应时间、di/dt、通流能力等特性,并利用半导体器件仿真软件模拟了RSD触发和导通阶段的等离子体分布、电流线,辅助说明了RSD所具有的高速、大电流等特性。针对自积分Rogowski线圈测量窄脉冲大电流的波形畸变现象,利用数值分析的方法深入分析了产生波形畸变的原因,并设计了真实反映被测电流的校正电路,进而分析了经过校正的Rogowski线圈的频率响应特性,并通过实验证实了所提出方法的有效性和实用性。基于半导体物理学的基本方程,提出了RSD以pnn+二极管方式工作于触发阶段、以p+in+二极管方式工作于导通阶段的物理模型,进而基于以可变电阻等效RSD二极管的思路,提出了以模拟行为模型ABM为核心的RSD PSpice子电路模型,并利用物理模型的结果以及数值拟合技术得到ABM表达式的系数,实验证实了所建立的物理模型和子电路模型的准确性。

全文目录

摘要  4-6
ABSTRACT  6-12
1 绪论  12-32
  1.1 脉冲功率技术及其应用  12-15
    1.1.1 脉冲功率技术概述  12-13
    1.1.2 脉冲功率系统的组成与分类  13-14
    1.1.3 脉冲功率技术的应用  14-15
  1.2 脉冲功率技术的关键技术与研究现状  15-28
    1.2.1 高功率开关技术  15-22
    1.2.2 脉冲压缩技术  22-24
    1.2.3 计算机仿真技术  24-27
    1.2.4 脉冲测量技术  27-28
  1.3 新型高速半导体开关RSD  28-30
  1.4 本文的主要研究内容  30-32
2 高压RSD 开关的触发技术研究  32-47
  2.1 引言  32
  2.2 高压RSD 开关的谐振触发技术研究  32-41
    2.2.1 谐振触发电路结构  32-33
    2.2.2 谐振触发的实验研究  33-34
    2.2.3 晶闸管串联的同步触发技术  34-38
    2.2.4 高压RSD 开关谐振触发参数设计方法  38-41
  2.3 高压RSD 开关的变压器触发技术研究  41-45
    2.3.1 变压器触发电路结构  41-42
    2.3.2 可饱和变压器的设计  42-44
    2.3.3 电容参数的影响  44-45
  2.4 两种触发技术对比  45-46
  2.5 本章小结  46-47
3 磁开关和磁脉冲压缩技术  47-64
  3.1 引言  47
  3.2 电磁场的基本知识  47-48
  3.3 磁开关的基本理论  48-52
  3.4 磁芯材料的选择及去磁复位  52-55
    3.4.1 磁芯材料的选择  52-54
    3.4.2 磁开关的去磁复位  54-55
  3.5 磁开关的脉冲磁化特性研究  55-58
  3.6 磁脉冲压缩技术原理  58-61
  3.7 大功率激光器磁压缩网络设计  61-63
  3.8 本章小结  63-64
4 基于RSD 开关的窄脉冲放电特性及分析  64-70
  4.1 引言  64
  4.2 RSD 开关的电压响应特性  64-66
  4.3 RSD 开关的大电流特性  66-68
  4.4 RSD 开关的高 di/dt 特性  68-69
  4.5 本章小结  69-70
5 窄脉冲大电流的测量技术  70-88
  5.1 引言  70
  5.2 电阻分流器测量技术  70-77
    5.2.1 低感分流器的结构  70-72
    5.2.2 同轴分流器的理论分析  72-77
    5.2.3 电阻分流器的测量特点  77
  5.3 Rogowski 线圈测量技术  77-87
    5.3.1 Rogowski 线圈的基本原理  78
    5.3.2 Rogowski 线圈的优点  78-79
    5.3.3 Rogowski 线圈的两种工作状态  79-81
    5.3.4 自积分Rogowski 线圈的波形畸变及校正  81-87
  5.4 本章小结  87-88
6 RSD PSpice 子电路模型的研究  88-100
  6.1 引言  88
  6.2 半导体器件模型的分类  88-90
  6.3 RSD 物理模型  90-96
  6.4 RSD PSpice 子电路模型及验证  96-99
    6.4.1 模型的建立及参数的确定  96-98
    6.4.2 模型的验证与分析  98-99
  6.5 本章小结  99-100
7 总结与展望  100-102
  7.1 全文总结  100-101
  7.2 工作展望  101-102
致谢  102-103
参考文献  103-112
附录I 攻读博士学位期间发表的论文  112

基于RSD开关的高功率窄脉冲发生与特性研究

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