脉冲电源中高压硅堆保护的研究

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1、第43卷第4期电力电子技术Vol.43No.42009年4月PowerElectronicsApril，2009脉冲电源中高压硅堆保护的研究李贞晓，栗保明，林庆华（南京理工大学，江苏南京210094）摘要：阐述了导致高压硅堆损坏的原因，并对其导通前后的电路特征和过渡过程进行了分析。根据二阶系统特性，提出采用缓冲电阻的方法来抑制工作放电中出现的冲击电压和冲击电流，防止硅堆损坏。由于缓冲电阻增大了系统的阻尼比，因此有效地抑制了系统振荡，保护了硅堆。同时，仿真和实验验证了高压硅堆损坏原因分析的正确性。关键词：电源；脉冲；保护

2、/高压硅堆中图分类号：TM89文献标识码：A文章编号：1000-100X（2009）04-0047-03ResearchofProtectionforHighVoltageDiode-stacksinPulsePowerSupplyLIZhen-xiao，LIBao-ming，LINQing-hua（NanjingUniversityofScienceandTechnology，Nanjing210094，China）Abstract：Thereasonswhichresultinthedamageofthehighv

3、oltagediode-stacksinpulsepowersupplyareanalyzed，andthenthecrowbarcircuitsanditstransientprocessarealsodiscussed.Inordertoprotectthehighvoltagediode-stacks，theresistorsareappliedtoaugmentthedampingratioofthesecond-ordersystem.Thesuppressionmeasuresforsurgecur-ren

4、tandvoltageareputforwardbasedonthecharacteristicsofsecond-ordersystem.Lastly，thevalidityofthereasonsistestifiedbysimulationandexperiment.Keywords：powersupply；pulse；protection/highvoltagediode-stacks1引言为100C，工作电压为0.3~40kV，触发电压为4~8kV，由多个电容型储能模块并联组成的高功率脉冲反向断流能力为600

5、A/μs。电源（PPS）广泛应用于电热化学炮（ETCG）领域[1]。目前PPS储能器件主要是高储能密度的金属化膜电容器，它虽然能承受大电流的冲击，但承受反向电[2]图1模块结构压的能力却很差，反向充电将导致其损坏。用于根据ETCG研究的需要，PPS并联模块可选用ETCG研究时，PPS工况多为RLC欠阻尼振荡放电，同步放电方式或时序放电方式进行工作。ETCG负放电时存在电容器反向充电过程，降低了PPS储能载是等离子发生器，其固态电阻值约为30mΩ。利用效率。因此，必须采取措施来抑制电容器反向充电。为PPS安装短路续流开关

6、，可以解决这一问题[3]。3故障原因分析由于高压硅堆具有优良的单向导电性，作为续流开ETCG研究中高压硅堆多次出现损坏。在时序关可使电路简单有效。但目前高压硅堆主要用于电放电方式下，损坏主要发生在工作电压较高（不低于力电子领域，当用于PPS时，其耐受冲击电流和冲12kV）、放电时序间隔相较长（不少于100μs）的击电压的能力尚嫌不足，难免会受到损坏。为此，提ETCG工况下，大多为后放电模块的高压硅堆损坏；出采用缓冲电阻抑制冲击电压和冲击电流的保护措在同步放电方式下，高压硅堆损坏次数相对较少，且施，以有效抑制系统振荡，保

7、护硅堆免受损坏。仅出现在模块工作电压较高（不低于14kV）、脉冲2形成电感选取最小值（20μH）时。电源及其结构对已损坏硅片的检测分析表明，高压硅堆损坏PPS由6个电容型储能模块并联组成，图1示是由结温过高造成的。通常，结温过高的主要成因出其中一个模块的结构。主要参数：脉冲电容器组有：①反向电压（或du/dt）超出容许值，反向耗散功Ck=1200μF，工作电压不高于16kV；脉冲形成电感率过大，即反向过压热击穿；②正向电流（或di/dt）器Lk=20μH，40μH，80μH，工作电流不大于200kA；超出容许值，通态损

8、耗过大，即正向过流烧毁[4-5]。续流高压硅堆VDk的浪涌电流为150kA，反向重复在时序放电方式下，后放电模块触发前，考虑到峰值电压为16kV，最高工作结温为150℃；触发真空开关TVS的浪涌电流为150kA，电荷转移能力TVSk的极间电容CTk与高压硅堆结电容CDk，此时模k块可等效为图2所示系统。该系统电压转移函数为：定稿日