《高重复频率脉冲功率技术及其应用：（7）主要技术问题和未来发展趋势》.pdf

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1、第27卷第1期强激光与粒子束Vo1．27，NO．12015年1月HIGHPOWERLASERANDPARTICLEBEAMSJan．，2015高重复频率脉冲功率技术及其应用：(7)主要技术问题和未来发展趋势江伟华(清华大学电机系，北京100084)摘要：综合论述了高重复频率脉冲功率技术所面临的主要技术障碍和工程问题。从实用的角度归纳了脉冲功率源设计时经常遇到的矛盾关系。结合目前的技术发展动态，探讨了未来这项技术的发展趋势和主要方向。目前，高重复频率脉冲功率系统的主要瓶颈是开关技术；主要技术障碍包括冷却、效率及可靠性；主要矛盾体现在系统的紧凑性与绝缘要求、上升时

2、间与峰值功率、工作参数与可变范围及技术性能与制作成本等方面；未来发展趋势主要包括模块化、通用化和智能化。关键词：脉冲功率；高电压；短脉冲；高功率脉冲开关；电力电子；气体放电中图分类号：TM836文献标志码：Adoi：10．11884／HPLPB201527．010201脉冲功率技术是电工技术领域里的一个分支。它以短脉冲为主要手段，充分发挥高功率的特长，产生其特有的现象或效应。高重复频率脉冲功率技术以工业应用为主要目标，在确保工作参数的同时特别注重系统的稳定性和耐久性。在依赖和借鉴周边技术成果的同时，高重复频率脉冲功率经过多年的发展已经形成一个独特的技术体系。高

3、重复频率脉冲功率源也已渗透到很多工业生产和科研工作的实际应用中。本系列综述论文“高重复频率脉冲功率技术及其应用-El61较全面地介绍了高重复频率脉冲功率技术的科学方法和发展现状。主要目的是让刚进入这个领域的学生或科研技术人员了解高重复频率脉冲功率的技术特征和基本原理。本文是最后一篇，主要概括分析了这项技术现在面临的主要问题和障碍，同时从作者个人的观点出发探讨了未来高重复频率脉冲功率技术的发展趋势。1主要技术问题1．1主要瓶颈与大型脉冲功率装置相同，小型高重复频率脉冲功率系统中的主要瓶颈也是开关。工业用脉冲功率系统的很多参数要求与大型脉冲功率装置相比要低很多，但

4、高重复频率和稳定性的要求使传统的气体火花隙开关很难适用。因此高重复频率脉冲功率主要依赖于固态开关，如本系列论文所介绍的磁开关口]和半导体开关[4]。但这些开关都各有其局限性，从而对系统的工作参数产生限制。虽然储能器件(如电容器等)和转换器件(如变压器等)也各有其技术要求，但大多数高重复频率脉冲功率发生器的工作参数是由开关决定的。开关对系统性能的限制主要体现在参数上，如电压、电流、脉宽、上升时间或恢复时间等。另外，工程设计上还必须考虑使用寿命、稳定性、能量损失和成本费用等因素。显然不存在万能的脉冲功率开关，针对不同脉冲功率应用需要输出不同的工作参数，从而必须使用

5、不同种类的开关。因此，开关的正确选择和使用是脉冲功率系统设计的关键，开关的能力仍然是限制脉冲功率输出参数的主要因素。反过来说，任何脉冲开关的参数进展都可能带来脉冲功率输出水平的提高。1．2主要障碍1．2．1冷却温度控制是多数高重复频率脉冲功率系统不得不考虑的重要因素之一。特别是半导体开关器件，因为它们对环境温度有非常明确的要求。另外许多绝缘材料的性能也会随温度发生变化。温度上升的主要原因是系统中的能量沉积，它起因于包括开关损耗、介电损耗、磁滞损耗和导电损耗等过程。对于工业用小型脉冲功率发生器来说，每一次脉冲输出所造成的电源内能量沉积非常有限，但较高的重复工作频

6、率可能带来很高的沉积功率。*收稿日期：2014—12—10；修订日期：201412-29基金项目：国家自然科学基金重点项目(50837004)作者简介：江伟华(1962一)，男，教授，主要从事脉冲功率及高功率微波相关技术研究；wjiang@mail．tsinghua．edu．cn。O10201—1强激光与粒子束避免脉冲功率发生器内能量沉积的首要方法自然是减少各种损失和改善阻抗匹配。在此基础上，为确保系统的环境温度，必要时不得不进行强制冷却。实际上很多高重复频率脉冲功率发生器的工程设计关键在于冷却，它经常直接影响系统的重量和体积。系统工作时的热负荷和热平衡时的温

7、度分布是必须准确把握的重要信息，因此很多高重复频率脉冲功率发生器具备温度监测和相应的保护功能。脉冲功率系统的冷却方法主要有空冷、水冷和油冷，它们各有优缺点。空冷显然最简便和廉价，但它的冷却能力有限，而且需要一定的空间、合理的布局和较大的散热器。水冷的方法是在散热器内部通过水流予以强制冷却。冷却水的使用分开放式和封闭式。开放式的冷却水一次性使用，它可以省去冷却机(交换器)，但缺点在费用和环保方面。封闭式是将冷却水通过交换器后反复使用。水冷系统的一个潜在危险是漏水。高压设备中的漏水有可能造成灾难性的后果，另外细微的漏水也可能造成器件和结构部件的腐蚀。油冷必然是封闭

8、式的。很多油冷装置将整个电路浸泡在油里