基于RSD的重復(fù)頻率脈沖功率電路研究.pdf

1、脈沖功率技術(shù)廣泛應(yīng)用于環(huán)境保護(hù)、食品工業(yè)、軍事、工業(yè)加工等多種領(lǐng)域,這些應(yīng)用領(lǐng)域要求脈沖功率電源具有較高的重復(fù)頻率。脈沖功率開關(guān)是重復(fù)頻率脈沖功率電源的關(guān)鍵器件。氣體開關(guān)的壽命較短、重復(fù)頻率較低,而半導(dǎo)體功率開關(guān)具有壽命長、重復(fù)特性好、損耗較低等優(yōu)點,在重復(fù)頻率脈沖功率電源中呈現(xiàn)出逐步取代氣體開關(guān)的趨勢。新型半導(dǎo)體功率開關(guān)-反向開關(guān)晶體管(Reversely Switched Dynistor,RSD)基于反向觸發(fā)原理,是脈沖功率裝置的

2、理想開關(guān)元件。本論文緊密圍繞RSD重復(fù)頻率脈沖功率電路建模及仿真、高壓電容充電電路設(shè)計、磁開關(guān)技術(shù)以及RSD脈沖功率電路結(jié)構(gòu)等問題進(jìn)行了系統(tǒng)深入的研究。
　　介紹了RSD的基本結(jié)構(gòu),描述了RSD脈沖功率電路的工作過程?，F(xiàn)有的RSD極限電流計算公式只適用于波形為方波和標(biāo)準(zhǔn)正弦波的脈沖電流。基于I2t概念,推導(dǎo)了適用于各類脈沖放電電流波形的RSD極限電流計算公式。
　　完成了RC線性充電、LRC諧振充電、IGBT串聯(lián)諧振充電等高

3、壓電容充電電路的分析、設(shè)計及試驗,并應(yīng)用于RSD重復(fù)頻率脈沖功率電路。LRC諧振充電電路可以獲得較高的頻率,但是大電流充電脈沖可能影響元件的壽命。提出了應(yīng)用于RSD脈沖功率電路的LRC諧振升壓充電電路,放電電壓小于5kV時,可以替代升壓變壓器。推導(dǎo)了放電電容C的穩(wěn)態(tài)電壓U的計算公式。理論計算結(jié)果表明,U隨C的電容值的增加而減小,當(dāng)充電回路電感L從5μH增加至100μH時,U增加約12％;當(dāng)充電回路電阻R從0.01Ω增加至0.1Ω時,U下

4、降約10％;放電回路電感L0從0.06μH增加至2.4μH時,U增加約40％;當(dāng)放電回路電阻R0從0.01Ω增加至0.1Ω時,U從4kV下降至1.1kV。U下降約73％。C=9.4μF時,理論計算得到U為1.3kV,實驗得到U為900V,為直流電源E0的3倍。實驗波形分析結(jié)果表明,晶閘管和整流二極管的關(guān)斷時間太長是造成實驗電壓低于仿真值的關(guān)鍵因素。IGBT高頻恒流逆變充電方式的充電速度快,電流穩(wěn)定,但是系統(tǒng)復(fù)雜,成本較高。
　　分

5、析了RSD的直接預(yù)充、諧振預(yù)充和變壓器升壓預(yù)充等三種預(yù)充電路。直接式預(yù)充電路結(jié)構(gòu)簡單,預(yù)充電壓、電流調(diào)節(jié)非常方便,但一般只適合應(yīng)用在RSD的單次開通;諧振觸發(fā)方式適用于RSD重復(fù)頻率脈沖功率電路;變壓器觸發(fā)方式更適用于電壓高于10KV的RSD開關(guān)的觸發(fā)。
　　介紹了磁開關(guān)的基本原理。計算了磁開關(guān)的動態(tài)電感與電流的量化曲線,建立了磁開關(guān)動態(tài)電感模型。設(shè)計了磁開關(guān)的消磁電路。
　　在SABER-MATLAB協(xié)同仿真平臺建立了RS

6、D脈沖功率電路模型。計算結(jié)果表明,主回路電阻負(fù)載在0.01-1Ω變化時,RSD預(yù)充時間tR變化很小,主回路電感和1Ω以上的主回路電阻對RSD預(yù)充時間影響較明顯,計算結(jié)果與實驗結(jié)果最大誤差為5％,表明低壓實驗結(jié)果通過仿真計算,可預(yù)測較準(zhǔn)確的高壓實驗的tR。
　　RSD的單次10KV脈沖放電測試的電流峰值為114.5kA,RSD最大功率為52MW,總損耗為4.5kJ,占釋放能量80kJ的5.6％。3.1kV單次試驗的電流峰值為6.5k

7、A,di/dt約為1.3kA/μs。
　　設(shè)計了RSD高重復(fù)頻率脈沖功率電路。連續(xù)重復(fù)頻率模式的工作電壓為2.4KV,當(dāng)重復(fù)頻率為10Hz時,連續(xù)放電5000次;當(dāng)重復(fù)頻率為20-60Hz時,分別連續(xù)放電1000次。RSD輸出電流峰值為2.44kA,脈寬為9μs,工作頻率從10Hz增加至60Hz時,輸出電流從2.44kA下降至2.21kA,變化率為4.5％。測試了RSD的長期工作特性,分別進(jìn)行了放電頻率為10-50Hz的長時間放電