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基于RSD的大功率脉冲发生器的设计与研究

陈海刚  
【摘要】: 大功率超高速半导体开关RSD(Reversly Switched Dynistor)相对传统的半导体开关在脉冲功率领域具有显著的特点:全面积同步导通,di/dt高,开启速度快,开通延时几乎为零,功耗低,理论上可无限串联,串并联使用时触发相对简单,维护方便、成本低而且使用寿命长。是脉冲功率领域理想选择之一。 本文从RSD的结构和工作机理出发,由半导体理论导出其正常开通的外部触发条件,为RSD的应用提供理论上的依据。RSD正常开通需要两个条件:(1)在预充阶段,RSD电压极性反向,此时,磁开关承受主回路与触发回路电压之和;(2)反向预充时,必须提供足够多的预充电荷量,使等离子体分布在整个J2结附近,避免出现局部导通现象。 磁开关是RSD开通的关键器件之一,磁开关的作用主要是在预充阶段对主回路与预充回路进行隔离。磁开关设计的好坏直接影响RSD开通的好坏。本文从电磁感应定律出发,推导出磁开关绕线匝数、磁芯截面积与隔离电压、饱和时间的关系,并进行实验对结果进行验证,证明了其准确性。同时对磁开关的复位装置也进行了设计。为了减小磁开关对主放电回路的影响,还提出了减小磁开关绕组饱和电感的方法。 基于RSD的脉冲发生器另一个问题是RSD的触发问题。RSD触发电路的难点是触发电路与主电路的并联结构导致的触发电路高压的问题。本文提出了两种触发电路的设计方法并进行了实验验证。一是晶闸管串联触发方式,二是脉冲变压器触发方式。晶闸管串联触发方式适用于电压不是太高的场合,而脉冲变压器适用于高电压脉冲系统。对于晶闸管串联方式,其需解决的问题是串联中晶闸管之间的均压问题及开通过程中晶闸管开通延时的不一致性问题。对于第一个问题,可采用均压电阻来解决,对于第二个问题可以采样RC吸收网络来解决。对于脉冲变压器触发电路,提出了五种可选方案。对于高压大功率脉冲系统,着重讨论了小RSD触发大RSD的级联方式。在这种触发方式中,设计的关键是要满足变压器饱和时间、小RSD的预充电流,以及磁开关的饱和时间、大RSD的预充时间及预充电流的要求。为了方便脉冲变压器的设计,提出了变压器等值电路的方法。 作为脉冲功率系统的一部分,脉冲大电流的测量也是一个急待解决的问题。罗氏线圈线性度好、高频响应快、隔离好、价格低。但对于脉冲大电流的测量,由于线圈内阻等因素的存在,使得测量的波形产生畸变。本文对罗氏线圈电流传感器进行了研究,并通过设计补偿电路解决其波形畸变的不足,使其适用于我们的脉冲系统。


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