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基于RSD开关的高功率窄脉冲发生与特性研究

周郁明  
【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。


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