RSD開(kāi)關(guān)在脈沖電源中的應(yīng)用研究

RSD開(kāi)關(guān)在脈沖電源中的應(yīng)用研究

李煥煬, 余岳輝, 胡乾，彭昭廉, 杜如峰, 黃秋芝

（華中科技大學(xué)電子科學(xué)與技術(shù)系，湖北 武漢 430074）

??? 摘? 要：該文提出應(yīng)用RSD(Reversely? Switched? Dynistor)設(shè)計(jì)脈沖功率電源的方法，并在應(yīng)用RSD設(shè)計(jì)脈沖電源過(guò)程中對(duì)兩種關(guān)鍵元件磁開(kāi)關(guān)和脈沖變壓器進(jìn)行了重點(diǎn)設(shè)計(jì)，確定回路參數(shù)配合原則。在3種典型觸發(fā)方式的RSD脈沖電源基礎(chǔ)上，提出了RSD端電壓翻轉(zhuǎn)式觸發(fā)電路， 以提高RSD的觸發(fā)效率，采用了阻尼衰減模型的設(shè)計(jì)方法消除主回路放電過(guò)程中出現(xiàn)的振蕩。對(duì)該電源放電脈沖壓縮形成回路模型進(jìn)行了設(shè)計(jì)分析， 并對(duì)其和共觸發(fā)電路進(jìn)行了設(shè)計(jì)仿真。對(duì)所提出的觸發(fā)RSD方式的脈沖電源設(shè)計(jì)方法進(jìn)行了試驗(yàn)驗(yàn)證分析和仿真驗(yàn)證分析， 證明了設(shè)計(jì)方法的正確性。
?????? 關(guān)鍵詞：反向開(kāi)關(guān)晶體管；脈沖；電源；磁壓縮

1? 引言
???????? 近年來(lái)，隨著脈沖功率技術(shù)越來(lái)越廣泛地應(yīng)用在核物理技術(shù)、電子束、加速器、激光、放電理論、電除塵、石油勘探、船舶沖擊波試驗(yàn)模擬、金屬電磁脈沖成形加工、等離子體技術(shù)、微電子加工技術(shù)、電子對(duì)抗、電磁炮、電磁炸彈、生物與生物醫(yī)學(xué)工程等領(lǐng)域，對(duì)于脈沖功率系統(tǒng)中脈沖開(kāi)關(guān)的要求越來(lái)越高，而半導(dǎo)體脈沖開(kāi)關(guān)在某些方面的性能有著較大優(yōu)勢(shì)。
??????? 反向開(kāi)關(guān)晶體管RSD(Reversely? Switched? Dynistor)是一種半導(dǎo)體脈沖功率開(kāi)關(guān)，上世紀(jì)80年代初前蘇聯(lián)科學(xué)家I.V.Grekhov對(duì)其工作機(jī)理進(jìn)行了研究，到80年代中期試制成功，直至上世紀(jì)80年代末90年代初完成了機(jī)理、微電子與電力半導(dǎo)體工藝技術(shù)、基本調(diào)制電路等的研究，一直到現(xiàn)在都在進(jìn)行應(yīng)用的研究，其核心理論為波擊穿理論。因此，其產(chǎn)生、研究及其運(yùn)用都始于前蘇聯(lián)和現(xiàn)在的俄羅斯。而我國(guó)對(duì)RSD與RSD應(yīng)用方面的研究才剛剛開(kāi)始。
???? 由于RSD具有耐壓高、無(wú)需均壓、大電流、高di/dt(國(guó)外已達(dá)60kA/μs)、長(zhǎng)壽命以及較高重復(fù)率(國(guó)外報(bào)道已達(dá)2000pps^[1,2])等優(yōu)點(diǎn)，故而研究基于RSD的脈沖電源的設(shè)計(jì)方法，對(duì)于應(yīng)用RSD的脈沖功率電源系統(tǒng)應(yīng)用研究有重大的意義。
2?? RSD的基本結(jié)構(gòu)和觸發(fā)開(kāi)通條件
??????? RSD有較高的脈沖電流通過(guò)能力，其開(kāi)通性能大大優(yōu)于晶閘管。RSD的基本結(jié)構(gòu)如圖 1 所示，是由幾千至數(shù)萬(wàn)個(gè)非對(duì)稱晶閘管和晶體管交替并聯(lián)組成。在RSD中使用的開(kāi)關(guān)方法與晶閘管不同，最典型的不同的是，反向注入控制技術(shù)是通過(guò)加在器件兩端電壓極性的瞬間變化來(lái)完成等離子層控制。當(dāng)RSD上電壓極性翻轉(zhuǎn)時(shí)，晶體管n⁺p結(jié)被擊穿，觸發(fā)電流通過(guò)二極管pnn^＋，形成等離子體擊穿，由于觸發(fā)的一致性，使得器件的開(kāi)關(guān)是在器件的整個(gè)區(qū)域上均勻?qū)崿F(xiàn)的。

??? RSD觸發(fā)開(kāi)通條件是通過(guò)控制RSD等離子體層出現(xiàn)的過(guò)量電荷耗盡所要求的時(shí)間t_exh, 與RSD中再生反饋開(kāi)始的時(shí)間相比較來(lái)得到。該條件為

式中? t_R為控制等離子層的觸發(fā)時(shí)間；I_R為觸發(fā)電流，不論I_R波形怎樣，只要I_R<0就有效；dI_F/dt為開(kāi)通的脈沖電流上升率；v_G為與RSD中再生反饋開(kāi)始的時(shí)間所對(duì)應(yīng)的參數(shù)。因此，RSD的正常開(kāi)通與觸發(fā)電流的大小和觸發(fā)電流持續(xù)的時(shí)間有關(guān)。
3? 脈沖電源中關(guān)鍵元件的設(shè)計(jì)
3.1? RSD觸發(fā)開(kāi)通的3個(gè)條件
??? 根據(jù)RSD的觸發(fā)開(kāi)通的3個(gè)條件：觸發(fā)電流須反向；反向電流大小必須達(dá)到一定量級(jí)；反向電流持續(xù)的時(shí)間長(zhǎng)短，電路中必須有一個(gè)延遲隔離的元件磁開(kāi)關(guān)。而且要形成反向觸發(fā)脈沖電流，需要解決脈沖變壓器的設(shè)計(jì)問(wèn)題，因?yàn)樗男阅芎脡亩紝⒂绊懙接|發(fā)回路的觸發(fā)效率。因此，經(jīng)綜合考慮需要對(duì)磁開(kāi)關(guān)和脈沖變進(jìn)行專門(mén)重點(diǎn)設(shè)計(jì)。
3.2? 磁開(kāi)關(guān)的設(shè)計(jì)
??????? 磁開(kāi)關(guān)的磁心選擇原則：高頻特性好，且高頻損耗??；初始磁導(dǎo)率高；磁通密度DB=B_r+B_s大(B_r為剩余磁通密度，B_s為飽和磁通密度)，但B_r又不能太大，否則磁復(fù)位困難；電阻率高。即磁滯回線越窄越高越好^[3]。
??????? 對(duì)于磁性元件，其非飽和電感

為電感匝數(shù)；S為磁心的截面積, m²；l為平均磁路長(zhǎng)度, m； F_S為填充因子，可取F_S=0.8′(d_m+d_i)/d_m，其中，d_i為絕緣材料厚度；d_m為磁心厚度。
??????? 飽和電感為

即t_ks與磁心材料、N、S和V₀(磁開(kāi)關(guān)輸入端電壓)等有著密切的關(guān)系。設(shè)I_m為流過(guò)RSD的最大電流，那么磁開(kāi)關(guān)的總壓縮比為

??? 設(shè)m_k為初始磁導(dǎo)率；令飽和磁導(dǎo)率m_ks=m_rm₀(相對(duì)磁導(dǎo)率m_r為10²~10⁵的數(shù)量級(jí))，由于磁開(kāi)關(guān)飽和時(shí)m_ks=m₀，則上式即為

??? 若使用環(huán)形磁心，設(shè)單個(gè)磁心的截面積為A時(shí)，則所需磁心個(gè)數(shù)即為
??? m=S/A??????????????????(10)?
3.3? 脈沖變壓器的設(shè)計(jì)???????????????????????????????????????????

?? （1）脈沖變壓器截面積和體積的確定
??????? 首先應(yīng)根據(jù)伏秒積平衡方程確定脈沖變壓器初級(jí)繞組匝數(shù)和磁心截面積，使變壓器在承受一定伏秒積下不致飽和。初級(jí)繞組匝數(shù)可由下式得到：

式中? N_pri為變壓器原邊匝數(shù)；V₂為原邊工作電壓；DB為磁心的磁通密度；S為磁心截面積，由此確定次級(jí)繞組匝數(shù)。
??? 如圖 2 所示脈沖變壓器在觸發(fā)回路中的等效電路圖，得到伏秒積平衡方程

主回路放電電容。
??? 從變壓器的輸入電壓V₂和DB間的關(guān)系可知，鐵芯截面積為

式中? a為磁心材料的疊層因子。

??? 應(yīng)用AP法^[6]確定脈沖變壓器的體積，脈沖變壓器的AP(以下記為A_P)值（調(diào)窗與磁芯截面積之積）為

脈沖變壓器的磁心結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)可參考文[5]。
?? （2）脈沖變的電氣參數(shù)計(jì)算
???? 如圖 2 脈沖變壓器的實(shí)際變比^[6]為

其中? N_t為理想升壓比，因?yàn)樽儽仁请S互感電流I_M的減小而增加的，所以變比是隨著互感的增加而增加的。脈沖變壓器互感可用下式來(lái)描述

其中? m、S分別為磁心的磁導(dǎo)率和截面積；N_pri、N_sec分別為原邊與副邊的導(dǎo)線匝數(shù)；l為磁心的平均磁路長(zhǎng)。
??? 由式(13)和(18)得到式(17)的另一種表達(dá)式

??? 在電氣與磁心結(jié)構(gòu)固定的條件下，M隨著諸如k和N_pri等的線圈結(jié)構(gòu)參數(shù)^[7]的增加而增加。根據(jù)變壓器初級(jí)電流有效值的大小確定初級(jí)繞組線徑，其電流有效值為

式中? t 為C₃的放電時(shí)間(由觸發(fā)控制開(kāi)關(guān)控制)。
??? 然后根據(jù)觸發(fā)電壓的要求確定變壓器升壓比，進(jìn)而選擇次級(jí)繞組匝數(shù)與線徑。脈沖變壓器的自動(dòng)偏轉(zhuǎn)磁通復(fù)位電路設(shè)計(jì)可參考文[8]。
?? （3）脈沖變壓器電壓的上升時(shí)間
??????? 變壓器的電壓上升時(shí)間由等效觸發(fā)電路圖 2所示，它等價(jià)于電荷由C₃轉(zhuǎn)移到C₂的時(shí)間

??? 脈沖變壓器改變了電流方向，實(shí)現(xiàn)觸發(fā)回路與主放電回路隔離，并提高觸發(fā)脈沖的上升率，將輸出觸發(fā)脈寬進(jìn)行磁通壓縮。
4?? RSD端電壓翻轉(zhuǎn)式觸發(fā)的脈沖電源
4.1 ?反向電流注入方式
??? 目前國(guó)外有3種典型的反向電流注入方式，一種是直接反向電流注入方式；另一種注入方式是間接反向電流注入方式；還有一種是諧振式反向電流注入方式^[9]。本文提出一種RSD端電壓翻轉(zhuǎn)式觸發(fā)的脈沖電源，它通過(guò)高壓脈沖變壓器提供一個(gè)高壓脈沖，使RSD陰極電壓比陽(yáng)極電壓更高，實(shí)現(xiàn)RSD端電壓的翻轉(zhuǎn)；同時(shí)將負(fù)載端通過(guò)磁開(kāi)關(guān)進(jìn)行高壓隔離，使得磁開(kāi)關(guān)延遲開(kāi)通，從而將一定脈寬的反向電流注入RSD，實(shí)現(xiàn)RSD的觸發(fā)開(kāi)通。由于反向觸發(fā)電流持續(xù)時(shí)間t_f≥τ_ks，并且要求t_f = 0.5~2ms，即要求t_f與t_ks應(yīng)該可比擬；另外，磁開(kāi)關(guān)非飽和電感L遠(yuǎn)大于其非飽和電感L_sat，L_sat要非常小，以便使得觸發(fā)效率最高。按上述方法設(shè)計(jì)好關(guān)鍵元件后，需要對(duì)主回路進(jìn)行阻尼設(shè)計(jì)。某些負(fù)載還需要利用磁開(kāi)關(guān)的磁飽和特性對(duì)放電電流的上升前沿和脈寬進(jìn)行壓縮，該壓縮性能的好壞關(guān)系主放電回路的放電效率。
4.2? 脈沖電源主放電回路的放電模型
??????? 脈沖主放電回路等效電路模型如圖 3 所示。

??? 對(duì)于主放電LCR₁回路，R₁可實(shí)現(xiàn)臨界阻尼衰減作用?；芈分蟹烹婋娏骺捎孟率矫枋觯?br>
??? 該電路的電流上升時(shí)間t₀=1/s與非阻尼電路相同。但它們的放電電流的持續(xù)時(shí)間較非阻尼電路的要短得多，前者使得均方電流值增加，致使消耗的功率較大，可通過(guò)不完全臨界阻尼獲得較小的性能改善，但是將有輕微的振蕩。當(dāng)電容器C上的電壓已經(jīng)變?yōu)樨?fù)時(shí)，使得二極管D正偏導(dǎo)通，從而使得電路經(jīng)二極管D和電阻R₀實(shí)現(xiàn)臨界阻尼，能量很快被R₀消耗掉。這個(gè)過(guò)程分為2個(gè)階段：t₀前和t₀后?？捎靡韵潞瘮?shù)來(lái)表示：

??? 根據(jù)以上推導(dǎo)，可確定負(fù)載所需要的主放電回路參數(shù)，并能有較好的電源輸出特性。
4.3? 脈沖壓縮與脈沖波形形成回路模型
??????? 對(duì)于一般的應(yīng)用RSD作為放電開(kāi)關(guān)的LC脈沖壓縮等效電路模型如圖 4 所示。此處的開(kāi)關(guān)S即為RSD堆，其壓縮過(guò)程如下：第1級(jí)放電脈沖經(jīng)C₁-L₁-C₂進(jìn)行壓縮，第2級(jí)放電脈沖經(jīng)C₂-L₂-C₃進(jìn)行壓縮，第3級(jí)放電脈沖經(jīng)C₃-L₃-R_L進(jìn)行阻尼壓縮，壓縮所需級(jí)數(shù)是根據(jù)負(fù)載所需脈沖的脈寬來(lái)確定的。V₁₀和V₂₀分別為RSD開(kāi)通后t=0時(shí)刻，C₁、C₂上的電壓。開(kāi)關(guān)RSD開(kāi)通后，C₁對(duì)C₂的充電電壓、電流^[10,11]分別為


所以，流過(guò)負(fù)載的電流為

4.4? RSD端電壓翻轉(zhuǎn)式觸發(fā)電路設(shè)計(jì)
??????? 由4.1和4.2的模型，可設(shè)計(jì)出RSD端壓翻轉(zhuǎn)式的脈沖電源原理圖，如圖 5 所示用續(xù)流二極管D₂與C₁、R₀來(lái)抑制因?yàn)?I>C₁、L₁、R_L、L₂、L₃阻尼不夠而出現(xiàn)的振蕩，阻尼消除C₁上的反向脈沖電壓。同時(shí)，利用V₁、R₁、R_L、L₂ 、L₃、V₁、R₁、L₄兩條充電回路對(duì)C₁的充電延遲，來(lái)使D₂軟恢復(fù)反向關(guān)斷。運(yùn)用L₄來(lái)實(shí)現(xiàn)反向觸發(fā)脈沖對(duì)負(fù)載R_L延遲隔離。這里需要D₂的阻斷電壓V_DIOD>KsV_RSDD (K_s=1.2，V_RSDD為斷態(tài)重復(fù)電壓)，即為RSD堆的K_s倍。相對(duì)國(guó)外典型RSD觸發(fā)方式的脈沖電源，這種改進(jìn)將對(duì)脈沖電源的輸出波形和RSD觸發(fā)開(kāi)通效率有較大改善。

??? 該方式的觸發(fā)電路的觸發(fā)脈寬是9由IGBT進(jìn)行控制的。RSD上端電壓的翻轉(zhuǎn)是通過(guò)C₄上端電壓的翻轉(zhuǎn)來(lái)實(shí)現(xiàn)的，脈沖變壓器的設(shè)計(jì)前面已論述過(guò)了，圖 5 中方框內(nèi)的部分是該脈沖電源的觸發(fā)部分，圖 6 為RSD端電壓翻轉(zhuǎn)式觸發(fā)的等效電路。IGBT驅(qū)動(dòng)脈沖變壓器的參數(shù)選擇可參考文[12]、[13]。

5 ?實(shí)驗(yàn)結(jié)果、仿真與分析
??????? 圖 7 (a)所示是磁開(kāi)關(guān)開(kāi)通延遲時(shí)間與RSD反向觸發(fā)電流持續(xù)時(shí)間配合較好的情況，其上端壓較大時(shí)(延遲時(shí)間短)，RSD完全開(kāi)通了，流過(guò)RSD電流波形清晰；圖 7 (b)較圖 7 (a)的波形中磁開(kāi)關(guān)的延遲開(kāi)通時(shí)間較長(zhǎng)，使得RSD開(kāi)通滯后了，從而增加了反向觸發(fā)的能量，降低了RSD觸發(fā)開(kāi)通效率與速度。

??? 圖 8 是管芯、直徑為f20mmRSD脈沖電源的輸出電流波形。圖8(a)是圖5 中RSD端電壓翻轉(zhuǎn)式觸發(fā)開(kāi)通的脈沖電源輸出電流波形，圖8(b)是輸出仿真電流波形，從兩圖可看出，二者基本接近。圖8(a)的電流上升沿的后半段出現(xiàn)上升率下降和峰值較仿真的小的情況，這主要是磁開(kāi)關(guān)的磁心體積不夠造成脈沖前沿壓縮不充分，而仿真時(shí)卻沒(méi)有考慮這些。從二圖也看出，主回路放電脈沖電流峰值已超過(guò)10kA，di/dt已超過(guò)2.1kA/ms。從圖 8(b)可知，經(jīng)阻尼衰減設(shè)計(jì)后，只出現(xiàn)很小的反向振蕩波形。
??? 圖 9 是觸發(fā)電路輸出試驗(yàn)電壓波形與仿真電流波形。從仿真波形看，其觸發(fā)電流峰值已達(dá)120A以上，脈寬約為1.5 ms；與實(shí)測(cè)脈寬約2ms比較接近，而其觸發(fā)效果是看反向脈沖電流及其脈寬，因此該觸發(fā)電路已達(dá)到高效觸發(fā)RSD的要求。

??? 圖10(a)是直接注入反向電流觸發(fā)RSD開(kāi)通時(shí)的負(fù)載端電壓波形，磁開(kāi)關(guān)匝數(shù)為10匝，非飽和自感約為10mH，主電容上電壓為1.68kV。圖10(b)是間接注入反向電流觸發(fā)的負(fù)載端電壓波形，脈沖變的原邊與副邊匝數(shù)均為5匝，非飽和自感為2.58mH，副邊飽和自感小于1mH。由于負(fù)載電阻較小，在RSD開(kāi)通后，電源輸出波形出現(xiàn)反峰振蕩。從而使得輸出主脈沖效率較低。諧振式反向電流注入式觸發(fā)RSD的脈沖電源輸出波形與圖 10(a)、(b) 類似的反向振蕩問(wèn)題。圖11是負(fù)載不同負(fù)載上電壓的波形圖，顯然負(fù)載電阻大時(shí)，幾乎看不到反向振蕩脈沖； 相反負(fù)載電阻較小時(shí)， 卻引起振蕩。這正符合阻尼的條件： 此處R_L即為阻尼電阻。這說(shuō)明，不論運(yùn)用哪種觸發(fā)方式，只要RSD正常開(kāi)通，在主回路參數(shù)不變的情況下，脈沖電源的輸出波形幾乎相同。

6? 結(jié)論
??????? 本文通過(guò)對(duì)RSD端電壓觸發(fā)方式在脈沖電源應(yīng)用電路中的關(guān)鍵元件的設(shè)計(jì)，提出了反向注入電流脈寬與磁開(kāi)關(guān)延遲時(shí)間的配合原則。運(yùn)用阻尼衰減模型的設(shè)計(jì)方法有效抑制了主回路放電振蕩。提出LC磁脈沖壓縮回路在RSD端電壓觸發(fā)方式的脈沖電源中的設(shè)計(jì)方法。用試驗(yàn)與仿真證明了在脈沖電源的設(shè)計(jì)中運(yùn)用RSD端電壓觸發(fā)方式提高觸發(fā)效率的正確性。另外，對(duì)RSD端電壓觸發(fā)電路進(jìn)行了專門(mén)設(shè)計(jì)，并進(jìn)行了試驗(yàn)與仿真驗(yàn)證。證明了無(wú)論采用哪種觸發(fā)方式實(shí)現(xiàn)RSD的開(kāi)通，主回路的參數(shù)設(shè)計(jì)都遵循阻尼條件。試驗(yàn)驗(yàn)證了通過(guò)f20mm的RSD開(kāi)關(guān)的峰值電流超過(guò)10kA，di/dt已達(dá)2.1kA/ms，輸出單脈沖功率已達(dá)3.6TW，但這不是極限值。用RSD端電壓觸發(fā)方式實(shí)現(xiàn)的脈沖電源便于實(shí)用化、更容易控制，適合于RSD在較高重復(fù)率的高壓脈沖電源中的應(yīng)用。

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