晶闸管在脉冲功率中的应用-研究

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1、华中科技大学硕士学位论文1绪论1.1脉冲功率技术的发展及应用现状脉冲功率技术是指将“慢”存储起来的具有较高密度的能量，进行快速压缩、转换，或直接在很短的时间释放能量给负载的电物理技术。脉冲功率技术萌发于20世纪三十年代，1964年，世界上第一台脉冲功率装置问世。为了适应脉冲功率技术的发展，1976年在美国举行了第一届电气与电子工程师协会（IEEE）脉冲功率技术国际会议，交流了研究工作的进展和成果，会上“脉冲功率”这一术语被认同。在1979年举行了第二届国际会议。之后，这类国际会议每两年举行一次，

2、直到现在。从那时起，由单级动作产生大功率的脉冲功率装置的研究开始盛行起来。以美国和俄罗斯为中心，人们对其进行军事上的应用研究，并投入了巨额的费用。其后，随着冷战的结束，积累起来的脉冲功率技术在产业方面的应用逐步深入。进入20世纪八十年代，脉冲功率技术在民用领域的应用逐渐得到重视，人们开始研究可实现重复频率运行的脉冲功率装置，重复频率的开关技术器件（气体火花开关、磁脉冲压缩器、闸流管和半导体开关等）的研究工作逐渐开展。进入新世纪，脉冲功率装置继续朝着高重复频率、高功率、高稳定性及长寿命的方向发展，

3、其应用范围越来越广。如今，各个先进国家的许多军用和民用部门、高等院校等都在积极开展脉冲功率技术及其应用研究。例如美国的Sandia国家实验室、Maxwell实验室、LosAlamos科学实验室、海面武器研究中心等；日本的东京大学、熊本大学等，都在从事这方[1]面的研究。在我国，脉冲功率技术及其应用的研究是从本世纪七十年代末，八十年代初开始的。例如，将脉冲功率技术应用于勘探（如石油）、加速器、粒子束、电子束、准分子激光器、医疗技术（如肾结石粉碎）等的研究已取得了不少成果。一些研究机构和高等院校在脉

4、冲功率技术的研究中，做了许多工作。1华中科技大学硕士学位论文脉冲功率技术大多数涉及高电压、大电流及高速脉冲放电，它广泛应用于等离子体物理与受控核聚变的研究、核爆炸模拟、闪光X射线照相、高功率激光、高功率微波、电磁脉冲、电磁发射、粒子束武器等方面，在环境、宇宙、生物医学、电子学、新材料、精密加工、食品加工、粉碎等领域也都有广泛的应用。大功率的脉冲电源主要在约束性核聚变、直线加速器、微波、激光、电磁枪、岩石粉碎等领域发挥作用。如日本直线对撞机(GLC)使用混合型固态调制器输出500kV、530A、脉

5、宽1.5μs的脉冲为大功率速调管供电，该调制器由多组使用静态感应晶闸管(Static[2]InductionThyristor(SITH))的固态调制器单元串联组成，代替了闸流管。俄罗斯的科技人员采用SOS开关技术研制了可用于高功率微波源的S-5N型全固态重复频率脉冲发生器(输出电压400-600kV、电流2-3kA、输出脉冲半高宽40-50ns、单脉冲[3-5]能量40-65J)。劳伦茨·利费莫尔(LLNL)国家实验室和BechtelNevadaCorporation[6]研制的用于多脉冲照相

6、的ARM-2固体调制器(主开关由1344只MOSFET串并联组成，重复频率达到了2MHz，输出脉冲45kV，4.8kA，脉宽200-2000ns可调，上升时间20ns)。中小功率的脉冲功率装置主要应用于工业探伤、辐照、医用CT、材料[7]表面处理、食品消毒保鲜等领域。中国科技大学国家同步辐射实验室研制了用于[8]合肥同步辐射光源(HLS)二期工程的40kV/20kW软开关PFN型充电高压电源。在环保领域，脉冲功率技术主要用于除尘、脱硫脱硝及有机废气处理,国内外许多研究[9-12]单位进行了原理性

7、研究及中试规模的试验。韩国Pohong加速器实验室已研制出120kW的半导体开关与磁脉冲压缩器相结合的重复频率脉冲电源，并在3[13]50,000Nm/h的脱硫脱硝工业中试装置上进行了实验。总之，作为新发展起来的科学技术，脉冲功率技术的发展十分迅速，正在引起很多学科领域，特别是一些高技术领域的重视，它的发展和应用前景是十分广阔的。目前，脉冲功率技术正向高电压、大电流、快脉冲、高重复频率的方向发展，其主要研究方向是：提高电源的储能密度、研制大功率转换开关以及产生高重复频率的大功率脉冲。2华中科技大

8、学硕士学位论文1.2脉冲功率领域固态开关的发展现状及性能比较脉冲功率技术的发展很大程度上依赖于开关元件的发展。对于大多数的脉冲功率发生器来说，输出功率等级、重复频率及寿命都是由开关的性能决定的。另外，输出脉冲波形及脉冲与脉冲之间的稳定度也通常依赖于开关的表现。在过去的二十年，开关技术的发展已经极大地改变了脉冲功率技术的概念及其应用领域。通过用固态开关代替传统的火花间隙开关，脉冲功率电源在重复频率、寿命、紧凑性体积及移动性上都有了质的飞跃。固态开关包括半导体开关、磁开关等全固态器件。半导体开关的开