（电力电子与电力传动专业论文）基于rsd的超高功率脉冲发生电路的设计与研究.pdf

华中科技大学硕士学位论文 ；= = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = 5 。5 2 。2 2 2 2 0 a b s t r a c t as e m i c o n d u c t o rs w i t c hr s d ( r e v e r s e l ys w i t c h e dd y n i s t o r ) i sap u l s e dp o w e r s w i t c h ，w h i c hh a s c h a r a c t e r i s t i c so f h i g h b r e a k o u tv o l t a g e 、h o m o g e n i z i n g v o l t a g e 、g r e a t c u r r e n t 、h i g hd i d t 、l o n gl i f e t i m ea n dh i g h e rr e p e t i t i o ne t c i ti si m p o r t a n tm e a n i n g f u l n e s s t oi n v e s t i g a t ei t ss t r u c t u r ea n dp e r f o l t n a n c eo fr s d f o ra p p l y i n gr s dt op u l s e dp o w e r s y s t e m r s da n di t sp u l s e dp o w e rs y s t e mh a v ev e r ye x t e n s i v ea p p l i c a t i o nf i e l da n d m a r k e t p r o s p e c t t h i sp a p e rr e s e a r c h e sa n dd e r i v e st h ec o n d i t i o no fo p e n i n gr s dt h r o u g ha n a l y z i n g e x p e r i m e n t a lr e s u l t s o ft e s t i n gi t ss w i t c hp e r f o r m a n c e p h y s i c a lm o d e la b o u tr s d s q u a s i d i o d eo p e r a t i o nm o d ei su s e dt oe x p l a i nt h e o r e t i c a l l yt h er u l et h a tt h ec o n d i t i o n r e l a t e sw i t hi t si n t e m a ls t r u c t u r ea n de x t e r n a la p p l i c a t i o nc i r c u i t s t h ec r i t i c a lc h a r g eo f t r i g g e r i n gr s d i sg o v e r n e db yp a r a m e t r i cf e a t u r eo fi t si n t e m a is t r u c t u r e i t se x t e r n a i a p p l i c a t i o nc i r c u i t sa n d i t so p e r a t i o ns t a t ed e c i d ea m o u n ta n dv e l o c i t yo f i n j e c t i n gt r i g g e r c h a r g e m i n i m u m t i m eo f t r i g g e r i n gi t i sh i n g e du p o nt h e mt o o i nr s d sc i r c u i t so fg e n e r a t i n g p u l s e ，b o t ho p e n i n gd e l a yt i m e o fd i o d ea n d s a t u r a t i o nt i m eo fm a g n e t i cs w i t c ha r eu s e dt o s e p a r a t e r e v e r s e t r i g g e rp u l s e f r o m d i s c h a r g ep u l s ei nt h em a i nc i r c u i t s s od i o d ea n dm a g n e t i cs w i t c ha r ec h o s e nt os e p a r a t e p o w e r a n d t r i g g e r i n gc i r c u i t s c h o i c ep r i n c i p l e o f s e p a r a t ed i o d e i sp r o p o s e d t h e d e s i g n w a yo fm a g n e t i cs w i t c hi si n v e s t i g a t e d o nt h eb a s i so fe l e c t r o m a g n e t i s mt h e o r ya n d m a g n e t i cc i r c u i tt h e o r y i ti sr e a l i z e dt h a tm a i nd i s c h a r g ep u l s es e p a r a t ef r o mt r i g g e r i n g p u l s e a p p l i c a t i o ns i t u a t i o n so f t h ed o u b l ei s o l a t o r sa r et a k e ni n t oc o n s i d e r a t i o ni nt e r m s o ft l l e i rs e p a r a t i n ge f f e c t r s d sc i r c u i t so f g e n e r a t i n gp u l s ec h o o s e sm o d e o f c a p a c i t o r s s a v i n ge n e r g ya c c o r d i n g t or s df e a t u r eb a s e do nc o m p r e h e n d i n g p r i n c i p l eo f g e n e r a t i n g p o w e rp u l s e t os a t i s f yt oo u t p u tp u l s ed e m a n do f r s d sc i r c u i t so f g e n e r a t i n gp u l s e ， r e v e r s eo s c i l l a t i o np u l s ea n di t ss n u bc i r c u i t sa r ed e s i g n e db ym e a n so f d a m p i n g t h e i r c o r r e c t n e s si sv e r i f i e db ye x p e r i m e n ta n ds i m u l a t i o n t h e no u t p u tp u l s eo ft h e s ec i r c u i t s d e s i g n e di sc o m p r e s s e db ym a g n e t i cf l u xp u l s en e t w o r ka n di sa n a l y z e di nm o d e l i n g t h e o r y t h i s p a p e rb r i n g s f o r w a r dt w om e a n so ft r i g g e r i n g r s d ：t r i g g e r m o d eo f o v e r t u r n i n gv o l t a g eo nr s da n dt r i g g e rm o d eo fr e s o n a n c e ，w h i c hr e a l i z er e p e t i t i v e c o n t r o lo f o p e n i n g r s ds ot h a tr s d sc i r c u i t so fg e n e r a t i n g p u l s e c a n o u t p u t c o n t i n u o u s l yr e p e a tp u l s e d r i v ec i r c u i t sa n d c o n t r o lc i r c u i t so f t w ot r i g g e r i n gm o d ea r e d e s i g n e d t r i g g e rm o d eo fo v e r t u r n i n gv o l t a g eo nr s d i sf i tf o rr e p e t i t i v e l yo p e n i n g c o n t r o lo fr s dm a d eo fs m a l ld i e t r i g g e rm o d eo fr e s o n a n c eh a sb e t t e ra d a p t a b i l i t yf o r t r i g g e r i n gr s d m a d eo fa l m o s ta l ls i z ed i e k e y w o r d s ：r s dp u l s e dp o w e rp u l s e ds w i t c hm a g n e t i cs w i t c h r e s o n a n c e p u l s et r a n s f o r m e rm a g n e t i cc o m p r e s s i i 1 1 引言 1 绪言 脉冲技术就其输出电压和功率而言，可分为两类：低压小功率脉冲技术和高压 大功率脉冲技术。前者成为脉冲技术，而后者称之为脉冲功率技术。脉冲技术随着 无线电、通讯、计算机技术等的发展，已有了相当长的发展和应用历史，现已成为 一门十分完整的先进科学技术。脉冲功率技术则是一门较为新兴的技术，也是一门 综合性很强的基础性学科，它涉及到电工材料、等离子体科学、激光技术、微波磁 学和光学、电子电路、工程电磁场、高电压技术、电气测量、半导体技术等等。在 上个世纪7 0 年代后期，随着核物理技术、粒子束、加速器、激光、放电理论、电 除尘、石油勘探、船舶冲击波试验模拟、金属电磁脉冲成形加工、等离子体技术、 微电子加工技术、雷达、微波与射频技术、无线移动通信、数字脉冲调制与发射系 统、电子对抗、电磁炮、电磁炸弹、生物与生物医学工程等的研究和日益广泛的应 用，脉冲功率技术才得到重视和迅速发展。在上述各个领域中的技术和工程问题， 都在不同程度上与脉冲功率技术有着密切的关系，其作用是不容忽视的，利用脉冲 发生技术能在很短的时间内( 如若干微秒或纳秒) ，使脉冲功率发生装置释放出数 百至数兆以致数千兆焦耳的脉冲能量。综上所述，功率脉冲系统具有如下特点： 1 ) 在许多情况下，脉冲的幅值高； 2 ) 输出脉冲功率大： 3 ) 脉冲上升时间很短，脉宽也很小； 4 ) 回路元件多，加工工艺要求高，总体结构复杂。 现在，各个先进工业国家的许多军用和民用研究部门、高等学校都在积极开展 脉冲功率技术及其应用的研究。在国外有美国的圣地亚( s a n d i a ) 国家实验室、麦 克斯维尔( m a x w e l l ) 实验室、罗斯阿拉莫斯( l o sa l a m o s ) 科学实验室、海面武 器研究中心、德克萨斯( t e x a s ) 技术大学、哥伦比亚南卡罗林纳大学、加利福尼 亚的罗伦斯尼夫莫( l a w r e n c el i v e m o r e ) 国家实验室、斯坦福大学脉冲功率中心、 匹兹堡( p i t t s b u r g ) 西屋电气公司研发中心、通用电气公司、纽约州立大学巴伐诺 ( b u f f a l o ) 空间电力绝缘研究院等，r 本的东京大学、熊本大学、东芝公司、三菱 公司、日立公司研究实验室等，前苏联( 俄罗斯) 的列宁格勒( 圣彼德堡s t p e t e r s b u r g ) 埃尔菲研究院、俄罗斯赛勒夫( s a r o v ) 的俄罗斯联邦核研究中心、西伯利亚科学 研究中心，罗马尼亚的布卡列斯特( b u c h a r e s t ) 国家激光、等离子体与辐射研究院， 英国的洛克博诺科( l o u g h b o l o u g h ) 大学、布里斯托尔( b r i s t 0 1 ) 大学、伦敦的皇 家医学院、牛津大学，德国的西门子公司等等，都在从事脉冲功率技术的研究。在 国内有中科院等离子体物理研究所、中科院高能物理研究所、中科院电工技术研究 所、华中科技大学脉冲功率研究中心、清华大学、西安交通大学、信息产业部五十 三所、三十八所以及原子能研究院等单位在脉冲功率研究中居于领先地位。 脉冲功率技术通常包括能量发生与存储技术、脉冲发生技术、脉冲调制技术， 其中前两项技术中一个非常重要的技术就是开关技术，该技术是脉冲功率系统的关 键技术之一，而这当中又数开关器件及其应用控制技术为主。 1 2 功率半导体开关器件的发展 1 2 1 通用功率半导体器件的发展历史 1 9 4 8 年结型晶体管的发明为今天的半导体功率电子学的发展奠定了基础。1 9 5 6 年霍尔( r n h a l l ) 等提出了p n p n 开关晶体管的概念，并于1 9 5 7 年由美国g e 公司 制造成功，商售连续工作电流为2 5 a 、阻断电压为3 0 0 v 的硅可控整流器( s c r ) 。1 9 6 1 年后，相继研制出了门极可关断晶闸管( g t o ) 、双向交流开关( t r i a c ) 和光触发晶闸 管。上个世纪7 0 年代初，又出现了3 0 0 a 、4 0 0 v 的双极型功率晶体管和达林顿晶 体管( g t r ) 。从此，传统的功率半导体器件便由功率整流管、双极型功率晶体管和 晶闸管三大类组成。传统功率器件在某些方面已经不能满足当代的需求，必须有新 突破。由于技术进步和应用面不断拓宽的需要，功率半导体开关器件正向大容量、 高频化、模块化和智能化的方向发展孔。上世纪7 0 年代后期开发的垂直功率 m o s f e t ，是半导体的一项重大突破。这种新兴功率器件，不仅全部保留了m o s f e t 的优点，而且还具有商耐压、大电流处理能力和快速开关能力，使m o s 器件跨入 到大功率领域。由于分立的功率v d m o s f e t 以进入实用阶段，这样，在上世纪8 0 年代初，分立的功率半导体器件便由双极型( 整流管、功率晶体管和晶闸管) 和单极 型晶体管组成，并实现了较大规模的应用。从那时起，各种新型半导体开关器件日 新月异，面从上世纪9 0 年代初期开始兴起了用s i c 器件作为功率器件材料的热门 研究i 习直至现在，当然s i c 器件有许多优势，如结温高，s i c 器件的开关频率容易 2 做高，较普通硅材料器件的通态阻抗小。但它的材料制备和器件加工工艺成本高， 这是走向应用的瓶颈。尽管如此，传统功率半导体开关器件使用的量仍然很大，面 也较广。今后需要做的仍然是在提高开关器件的电流、电压、功率容量、工作频率 与质量，使得半导体开关器件进入新的应用领域。 1 2 2 特种半导体功率脉冲开关r s d 的发展及其应用 近年来，随着脉冲功率技术越来越广泛地应用在1 1 所述的领域，对于脉冲功 率系统中的脉冲开关的要求越来越高，而半导体脉冲开关在某些方面的性能有着较 大的优势。 反向开关晶体管r s d ( r e v e r s e l ys w i t c h i n gd y n i s t o r ) 是一种反向开关双晶复合 半导体脉冲功率开关，它的可行机理研究始于上世纪8 0 年代初前苏联，到8 0 年代 中期试制成功，直至上世纪8 0 年代末9 0 年代初完成了机理、微电子与电力半导体 工艺技术、基本调制电路等的研究，一直到现在都在进行应用的研究，其核心理论 为波击穿理论。可以讲其产生、研究及其运用都始于过去的前苏联和现在的俄罗斯。 而我国在r s d 方面的研究才刚刚开始。由于r s d 具有耐压高、无需均压、大电流、 高d i d t ( 国外已达7 5 k a us ) 【4 1 、长寿命( 1 0 次) 【5 1 和较高重复率( 国外报道已达 1 1 k p p s 6 】 7 】) 等特点，故而研究基于r s d 的脉冲发生器的设计方法【引，对于应用r s d 的脉冲功率电源系统应用研究【9 】有重要的意义。 r s d 是在传统半导体器件的基础上进行创新的脉冲功率半导体器件，其快速 性和功率换流能力都是独一无二的。它是依靠可控等离子层的换流原理建立起来的 与晶闸管和晶体管类似的等离子体可控器件，借助r s d 可形成亚微秒功率脉冲锐 化器。俄罗斯联邦原子核研究中心的俄罗斯试验物理研究所( 砌n c v n i i e f ) ，就研 究使用了r s d 制成k r d 2 5 1 0 0 型r s d 开关组件，并成功的应用于其超高功率d 激光器的研究中，此系列r s d 开关组件还有k r d 2 5 1 8 0 型、k r d 2 5 5 0 0 型，这 些系列开关组件已经由俄罗斯n i z h n in o v g o r o d 公司生产，上述组件多应用于单次 脉冲激光控制开关。r s d 发明者，俄罗斯院士i v g r e k h o v 先生所在地i o f f e 研究所 成功地研制了r s d - 3 2 0 高重复率开关组件，并已经将其成功地应用于激光泵浦和电 除尘中的脱硫脱硝。由于r s d 的某些优越性，使得美国军方也非常重视其应用， 美国人s s c h n e i d e r 先生正在致力于将r s d 应用于电子枪、高功率微波和破坏性武 器等技术的研究。 另外，还有此类两端开关如s o s ( s e m i c o n d u c t o ro p e n i n gs w i t c h ) 、d s r d ( d r i f t s t e pr e c o v e r ys w i t c h ) 、s a s ( s i l i c o n a v a l a n c h e s h a p e r s ) 、c s d ( c h a r g es t o r a g ed i o d e ) ， 其中s a s 为关断脉冲开关，s o s 和d s r d 为开通开关。由s o s 、s a s 和c s d 的控 制的脉冲宽度为纳秒级，两d s r d 控制的脉冲宽度可达皮秒级，r s d 控制的脉宽 可达微秒级，但这几种开关中r s d 控制的脉冲毹量较前面凡种要高的多。本文将 围绕r s d 开关的特点，研究r s d 脉冲发生电路的设计方法。 1 2 3 功率半导体开关器件的发展趋势 从以上所述的发展情况来看，功率半导体开关器件的主要发展趋势l l 】1 2 】仍然 是：1o 高电压、大电流化；2 0 快速化、高频化；3 0 光输入化、驱动简易化；4 0 模块 化、功能综合化和智能化。如表1 - 2 1 所示，是各种功率开关的开关特性比较。 表1 - 2 1 多种主要功率脉冲开关i 例i ”i 的性能比较 心轻 峰值阻断 旃d td y d t通或断 重复 开务 而 电流电压( k a u ( k v u 时间频率 责老 ( k a )深v ) s 、s 、 ( ps )( k h 小 菪菇 f a s t t h y r i s t o r s 2 5 01 0 2 02 5 1 0 02 0 o 13 0 脉冲型g t o1 2 5 l o 2 52 5 1 8 0 1 0 s m t 02 5 0822 0 0 13 0 i g b t1 0 0 6 52 0 6 5o 11 0 2 闸流管( t h y r a t r o n ) 3 0 03 03 x 1 0 s3 1 0 41 0 - 3 1 0 4 1 0 5 1 0 3 1 0 2 真空开关( t v s ) 1 0 02 5 光导开关 l o o o 5 3 0 s o s 【1 2 】0 8l1 6 5 0 0 0 5 ( 断1 5 0 s a s 21 0 2 1 0 41 0 5 1 0 4 ( 断) 1 0 2 c s d8 1 1 0 3 d s r d1 021 0 5 2 1 0 4 1 0 3 1 3 脉冲功率技术的发展与应用 其实从1 8 世纪末期就有了脉冲功率技术的应用，那时只不过是运用自然雷电， 并用于防止雷击，脉冲功率的真正应用是1 9 世纪后期的事了。在那个年代是因为通 信以及理论物理研究与试验物理研究的需要产生的，1 9 世纪8 0 年代无线发报就是脉 冲功率的第一次大规模应用，后来原子物理和核物理的研究需要些加速粒子，脉 冲功率的发展与应用从很大程度上推动了理论物理与核物理的发展，而脉冲功率技 术的发展与应用是与脉冲功率开关技术的发展 1 3 j 戚戚相关的，每次新型脉冲功率开 关的出现，必将推动脉冲功率技术的发展与应用。 在2 0 世纪8 0 年代以前，脉冲功率技术多限于用气体开关、真空开关和电子管 等来控制脉冲功率系统的脉冲发生。进入8 0 年代后，随着微电子工艺技术在半导体 功率器件中的应用，各种性能优异的新型半导体开关层出不穷，这极大的推进脉冲 功率技术的工程应用研究。使得脉冲功率技术朝着高电压、大电流、长寿命、高频 化、高可靠的方向发展。与此同时，在先进材料技术的的推动下，薄膜技术的应用 使得脉冲功率系统中的储能元件的能量密度大为提高，使得脉冲功率系统的体积大 为缩小了，并且其输出的能量更大、速度更快了。 下面探讨一下在现代技术条件下，脉冲功率技术在工业上的应用。首先是脉冲 电场产生的静电场可用于电除尘，可大大减少火力发电厂的粉尘污染，还可将燃烧 中的硫和硝的化合物排放，较大地改善了火电厂的环境污染程度。通以脉冲电流后， 可实现食物的保鲜，这也是家庭和仓储存储食品的一大福音，这种方法较普通的保 鲜方法提高了三倍以上的时效。运用射频脉冲功率技术装备来分解消除有毒的化合 物，如二恶英等不易降解的有机化合物，也用于饮用水的消毒和分解水中有害物质。 可见，脉冲功率技术对于环保质量意义重大。 另外，在工业应用上，运用宽带雷达等脉冲功率技术可对地下资源等物质的性 质和分布状况进行勘查，提高我们对资源勘探的能力，为合理利用资源提供了技术 条件。利用混合调相( h p m ) 技术实现原油中油泥分离，提高原油质量，为石油提炼提 供较好的原料。用脉冲功率电源进行等离子体电镀，其效果和效率大为提高。运用 脉冲电场也可以用于岩石的粉碎，这对于开凿隧道和建筑垃圾的清理十分有意义。 再有，脉冲功率系统可用作多种脉冲激光器的电源。而c 0 2 激光器可用于钢铁铸造， 氙光激光器可用于激光焊接。电子枪是用脉冲功率系统产生的脉冲电场或脉冲磁场 可用于电子的加速，这种电子枪已经广泛用在显示设备上了，如电视机、c r t 、示 华中科技大学硕士学位论文 波器荧屏等的显像管。用高速电子撞击金属产生x 射线，x 射线可用于工业探伤。 在核工业上，最典型的有核反应堆的控制，以及现在各核大国都在研究的受控热核 反应，它要用到大功率脉冲激光来控制其反应过程。可见，在现代工业时代，脉冲 功率技术有多么重要。 用脉冲电感线圈作为负载的脉冲功率系统可产生脉冲磁场，而脉冲磁场可用于 粒子的加速与约束，得到高能粒子，高能粒子的碰撞又会产生各种辐射和辐射光， 这些辐射和辐射光可用来做理论物理与试验物理的研究，也可用来各种材料的改性。 高能粒子还可用于微电子器件的离子注入，辐射也可用于微电子器件的改性上。可 见，脉冲功率技术对信息产业来说是多么重要。 脉冲功率系统也可用于生物化学等领域。用脉冲功率系统驱动超声波发生器， 它产生的超声波可用于病人的诊断，还可用于常规条件下难以清洗干净的的物件清 洗中。如前所述，由它激发的软x 射线，也可用于病人疾病的诊断。另外，c t 、核 磁共振无一例外不借助脉冲功率系统来产生辐射与脉冲电磁场，为疾病诊断提供多 种手段。还有，一些生化药物的预处理和微化要用到超声波，一些生物霉要用到脉 冲功率发生系统。 在军事上，电子对抗中的电磁干扰需要有大功率的发射装置。众所周知，原子 弹和氢弹都需要用高能粒子控制引爆，这就需要脉冲电磁场进行加速控制。还有， 用电感( 或单极电机) 储能脉冲功率系统可制成电磁炮，也可以运用炸弹爆炸产生的脉 冲能量，借助脉冲功率系统产生非常强的脉冲电磁场，方圆几十公里甚至上百公里 的范围内产生强电磁波，使得该范围内的所有用电设备的元件全部失效，从而摧毁 敌方电子设备。 1 4 本课题的研究内容 本文在了解r s d 开关的基础上，研究它的触发开通特点，探索r s d 脉冲发生 电路中主放电脉冲与触发脉冲隔离的方法。通过对r s d 的开关特性的测试，研究r s d 触发开通的条件，探索改善r s d 触发开通条件的方法。运用阻尼衰减方法，设计r s d 脉冲发生主放电回路，并对它的主放电回路进行建模和仿真分析，并用试验验证模 型的正确性。完成r s d 脉冲发生主放电回路中磁开关的设计，探讨影响磁开关特性 与磁芯、结构参数忙 的关系，并用试验验证它们的准确性，并对由磁开关于电容组 成的磁脉冲压缩网络迸行理论模型分析。 6 华中科技大学硕士学位论文 本文完成重复开通r s d 的触发电路的设计，重点研究两种触发方式的可行性和 适用性。这两种方式是r s d 端电压翻转式和谐振式，对这两种触发电路进行评价。 对这两种触发方式中的脉冲变压器进行了重点设计，并在试验中检验设计的正确性。 本课题受华中科技大学研究生研究基金、国家自然科学基金和合作企业襄樊仪 华电力电子集团开发项目等的资助，另外还有合作研究单位华中科技大学脉冲功率 中心和华中科技大学激光技术国家重点实验室等提供试验和应用平台的支持，该项 目的完成将对脉冲功率技术的工程应用有很大的推动作用。 2 1引言 2r s d 脉冲发生电路基本工作原理 匿h 羽吨匠眦堰咽 卤； 电容储能的脉冲发生器原理和磁脉冲压缩原理。 2 2r s d 开关基本工作原理 脉冲发生器通常使用电容储能方式的脉冲发生器，其中的开关是脉冲发生控制的 关键所在。近来，有人提出晶闸管类器件开通新方法，它是是通过在靠近器件的集 电区产生薄等离子体层，并均匀分布在其整个区域来实现的。等离子体层充当电流 源给晶闸管结构中的基区提供多子，并均匀触发和同时开通整个工作区。用这种开 通方法设计的r s d 器件中，等离子体层通过应用双极性电压反向脉冲来产生，如图 2 2 “”所示，该电压通过器件形成反向电流短脉冲( 触发电流j r v c 口z 哪 这里氇是控制等离子层的触发时间，靠是触发电流，d d f d t 是开关电流后的电流上升 率，v g 是与r s d 中再生反馈开始的时间相对应强度参数。 为了揭示非固定注入过程的物理规律，目前的研究考虑到在高电场大电流情形， 着眼于反向开通双晶复合晶体管的准二极管开通形成的条件。 考虑近似d f c r h 时通过控制靠近集电结等离子体层p ，的电子q l 的流量平衡方 程为： 孥：一 q l ( 7 2 r ) 2 南q r ( 2 2 _ 2 ) 这里z 是是因电子注入至忉- 基层和到达p l 层边缘形成的电流，乓。是电子穿透其它p i 层边缘进入到漂移输运区所形成的电流，6 为电子迁移率对空穴迁移率的比值。 可以用现行非饱和机制逼近的方法，相当准确地确定阴极晶体管的注入响应以。i 。 为了有助于分析，运用由晶体管理论中的电荷方法得到的简化结果： = e x p ( 一等) j pe x p ( 等卜( 2 - 2 2 - 却 kr 4 月l 这里f = ( v - 。+ 1 1 ) “是集电极电流上升时间常数；h = m 2 ( 2 0 ) 是电子通过重扩散 p + 层的扩散时间；r 1 是p 一层中空穴寿命：a t = 卜t 月是开通后的持续时间。 o 现行机制逼近的选择是由如下事实证实：在靠近p l 层的耗尽区是以结构中的n + p h 晶体管的弱饱和为特征的，因而p 。o = p ( o ) l l 较小。而且与弗莱砌( f l e t c h e r ) - - 次条件 一致，n c o ) i = ”( o ) 7 。1 1 2 a o ，这确实与现行机制相吻合。 电流以m 的数量级，是由正反向等离子体交界波肌，和等离子体层p 1 问边界电流鼻 的构成决定的，这里： l 两b 4 似“ 爿、 以及t t r 时段，y b ( b + 1 ) 时，对于线性电流增量j 产诉( ，一7 r ) ，( 2 5 7 ) 式可直接积分产 生r 。的显式： 。叫一+ 寻睁而1 1 ) ( 2 _ 2 9 ) v liv 1廿+ lj 此时，由准二极管边值p t y 程( 2 2 7 ) 式的二次方根判据导出临界触发电荷的简化分析条 件： j _ 出簖= ( 刳。xb + l ( i r + 丽1 一) 1 茹口z 值得注意，( 2 2 1 0 ) 式中q 置是有限的( q o 。) ，故而满足( 2 2 5 ) 式时，它才是有意义 的。 2 3 基本电磁理论 2 3 1 磁芯特性 截面积为。的面s 图2 - 3 - 1 磁通与磁通密度的关系 1 2 ，j、l 日 口度通高碰通总磁 华中科技大学硕士学位论文 如图2 - 3 1 所示，通过截面积为a 。的面s 的总磁通是： 中= f b d d ( 2 - 3 1 、 s u r f a c e s 其中b 为磁通密度，幽是面s 的矢量面积单元，若磁通密度是均匀的，则上式可 简约为： m = b a ,( 2 - 3 2 ) 由法拉第定律导出导体绕线两端电压与通过导体绕线内部的磁通变化有关： v 和) ：掣 ( 2 - 3 3 ) f f i ( 2 3 2 ) 、( 2 - 3 - 3 ) 式可知： v o ) 吐掣( 2 - 3 - 4 ) 这说明导体绕线两端电压与导体绕线内部的磁通密度对时间的变化量有关。 f 碰通叫。1 图2 - 3 2 由法拉第定律导出的绕线端电压啪与 通过绕线内部的磁通对时间的导数关系 伦次定律告诉我们，如图2 - 3 2 所示变化的磁通中( t ) 产生感应电势v r f ) ，而导 体绕线环路闭合时，就会有电流产生，闭环电流又会产生磁通口( t ) ，但方向与中( t ) 相反，从而叉阻止西( t ) 发生变化。 由安培定则可知， q 日- d l = i ( t )( 2 - 3 5 ) 闭酥 h 为导体绕线内部的磁场强度，f 为通过环路内部的总电流。如果磁场强度是均匀 的，那么有： f ( ，) = 日( 2 3 6 ) 其中，为平均磁路长。 对于自由空间，磁通密度与磁场强度有如下关系 b = o h ( 2 - 3 - 7 ) r 3 d 是自由空问的磁导率，爿o = - 4 nx 1 0 。7 h m ，图2 3 3 ( b ) 所示是在高水平正弦 稳态激励下典型铁合金的占h 特性。该特性高度非线性，呈现出磁滞和饱和现象。 该特性的准确形状取决于激励，对于任意激励波形是难以预测的。 为了便于分析，我们将磁芯特性图2 3 3 ( b ) 运用图2 3 4 的线性化或者分段线性 化的方式进行建模。图2 3 4 ( a ) 中磁滞与饱和都被忽略了，则b 日特性可由下式定 义： b = u h ：0 ，。( 2 - 3 - 8 ) 产品磁芯材料的磁导率一可由相对磁导率掣，和f 口描述。p ，典型值为1 0 3 1 0 5 。 jl 。 石 0 ( a ) 自由空间或空气中的磁导率 圈2 - 3 3 jl ， ? 扫u 2 ur pc | 丽 炉。 么 ( b ) 典型磁芯材料的导磁率 b - h 特性 d j 最 7 i 一 兰3f l ， r - b i 【a ) 忽略磁滞与饱和时的b - h 特性( b ) 忽略磁滞的b - h 特性 图2 3 4 磁芯材料的丑坍特性近似图 图2 - 3 4 ( b ) 的分段线性化模型可自考虑了饱和但没考虑磁滞后，当磁通密度1 8 1 大于饱和磁通密度b 。时，磁芯材料就会出现磁芯饱和。吲 b , 。，时，该模型可预测磁芯特性回复到自由空间状态，该特性斜面并不陡， 几乎接近于p0 ，四方环磁芯材料呈现陡饱和特性，另外其芦，很大。软磁材料较少 呈现出陡饱和特性，随着的增加而逐渐减小，对于硅钢片晟。，在1 2 特斯拉， 对于粉芯、铂膜合金磁芯和非晶合金金属材料b 。为0 5 1 5 特斯拉对于铁磁材 4 华中科技大学硕士学位论文 料晟。，为o 。2 5 o 5 特斯拉。各磁性材料的典型参数单位量如衷3 2 1 所示。 表2 - 3 - 1 碰芯材料参数单位量 i量纲m k s ( 米千克秒单位制) 非标准c g s ( 厘米一克秒制)变换 磁芯材料平衡方程 b ；，o hb = ，h b 特斯拉( t ) 高斯( g ) 】t = j 0 4 g h 安培，米( a m 1 )奥斯特( o e )1a m = 4 1 0 o e 中 韦伯( w b ) 麦克斯韦( m x l 1w b = 1 0 s m x 1 t = iw b m 2 我们现在知道，如图2 - 3 - 5 所示该电感的最终电气特性取决于b 和且”匝线 圈绕在磁导率为_ 的磁芯上，根据法拉第定律可有： v ( f ) = ”v 。( ，) = ”譬 ( 2 - 3 1 9 ) 将( 2 ) 式代入可得到： v ( ，) = 州。型d t ( 2 - 3 - 1 0 】 ( a ) 电感几何形状 图2 - 3 5 典型电感 ( b ) 安培定律的应用 由安培定律可用下式来表述： o ) = n i ( t )( 2 3 11 ) 其中 ( ，) 是通过窗口的网络电流，当忽略磁滞而只考虑磁饱和时，磁芯特性模型可 描述为： r b s a t 日b s a t t 口2 j fh l j b s a t 口( 2 - 3 一1 2 ) l g s a t h 一b s a t 口 b - 特性饱和斜率_ 。较掣小得多，此处可忽略。其特性类似图2 - 3 4 ( b ) 。磁芯饱和 is 时的饱丰口电流厶，n - j - 通过将胙b t 代入至( 2 3 1 1 ) 式得到： 。删= 型( 2 - 3 1 3 ) 由式( 2 3 一l o ) 和( 2 3 - 1 2 ) 得到最终电气特性解，对于l ，j k ，庐凰方程( 2 3 1 0 ) 变为： v ( f ) = 础丁a l l ( 0 ( 2 - 3 - 1 4 ) 将( 2 3 - 1 1 ) 式代x ( 2 3 1 4 ) 式并消去h c t f i f l ： v ( f ) = 华掣( 2 - 3 - 1 5 ) 即得到。o ) ：三堕磐的形式，从而求得： 三：竺丝 ， 当磁芯饱和时，类似地有： 上。= t d o r t 2 d c 此时有： 这正是我应用磁开关的原理。 2 3 2 磁路分析 v o ) = 吐鲁* o 从下图2 3 6 中可看出，该磁性元件两端的磁动势m m f 为： f = h l 由于h = b ，庐肌。，所以 f ：l m 卅。 这样方程就可表示为：f _ 驴品从而可以得到磁阻函的表达式： 翻净l 肛4 。 f 2 - 3 - 1 6 ) ( 2 3 17 ) ( 2 - 3 18 、 ( 2 3 - 1 9 ) ( 2 - 3 - 2 0 ) ( 2 3 2 1 ) 1 6 磁通出 图2 - 3 6 ( a ) 磁元件中的磁通 截仰饪一。 娃铮车 ：品爻= 一 曲 r ( b ) 等效磁路 ( a ) 实际元件三条磁芯支路在某节点处会合( b ) 磁路模型 图2 - 3 7基尔霍夫电流定律应用于磁路 复杂的磁结构源于多组线圈和多异质( 如磁芯和气隙) ，它可用平衡磁路来描述。 为了确定各种磁通、m m f 、端电压和电流，这些磁路可以应用常规电路分析方法 求解。还可应用基尔霍定律夫于磁路，直接沿用麦克斯韦方程。基尔霍夫电流定律 的模拟仍然有效，因为b 的发散度为0 ，因此磁通线是连续的、没有终点的，所以 进入节点的任意磁通线必须离开节点。如图2 3 7 所示，进入节点的总网络流量一 定为零。根据右手定则，玎匝绕线中电流，( f ) 可作为m m f 源来建模，类似于电压源 h i ( t ) 。当包括这些m m f 源时，闭合回路中的总m m f 为0 。 + 尺，只 ( a ) 实际几何形状 ( b ) 磁路模型 图2 - 3 8 带气隙的电感 考虑如图2 3 8 带气隙的电感所示，回路沿着磁场线封闭，该回路穿过磁导率 为口、磁路长为疋的磁芯和磁导率为o 、磁路长为毛的气隙。磁芯截面积与气隙 相当，应用安培定律可导出： 毛ri f c + 以= n f ( 2 - 3 - 2 2 ) 这里f c 和凡分别是经过磁芯和气隙的m m f 。磁芯和气隙的特性可由图3 - 2 - 6 和式 ( 2 3 2 0 ) 来表征其模型；磁芯和气隙的磁阻鼹、魄分别如下： 鼯去；键一去( 2 - 3 - 2 3 ， 对应于方程( 2 3 2 1 ) 、( 2 - 3 2 2 ) 的磁路用图2 3 8 ( b ) 来表示。 n f - m ( 魂+ 键) 磁通驴( ，) 通过绕线由此我们可以运用法拉第定律写出： 以1 ：。型 廊 将f 2 3 + 2 3 ) 式代入上式得到： 磁路方程的解为： r 2 3 - 2 4 ) ( 2 - 3 2 5 ) v ( f ) 2 d i ( t y ( 壤+ 魄) 州( 2 - 3 - 2 6 ) 所以电感工为： 。n 。“t 缓+ 。j 囝( 2 - 3 2 7 ) 因此，气隙增加了磁路中的磁阻而减小了非饱和电感，提高了磁通不饱和时的线圈 电流i i7 】。当磁芯饱和时，饱和电感并未增加，饱和磁通中：扩丑。4 。，丽此时的绕线 中的电流为： l ：必( 臻+ 镪) ( 2 - 3 2 8 ) 、叫p ￥，o - ”， 2 4 脉冲波形发生与磁脉冲压缩原理 2 4 1 脉冲波形发生器原理 现在我们常用的发生器有马克斯吉尔曼( m a r k k i r m a n ) 脉冲发生器【1 8 1 【1 9 1 、电容 器储能脉冲发生器、传输线脉冲发生器【2 0 1 、电感储能脉冲发生器。下面我们先介绍 一下电容器储能脉冲发生器、马克斯吉尔曼( m a r k k i r m a n ) 脉冲发生器的原理1 2 ”，因 为它们适合于用r s d 开关形成脉冲的发生器。 1 ) 电容器储能的脉冲发生器原理 电容储能的脉冲发生器是脉冲功率发生系统中常用的脉冲发生器之一。在一般 情况下，直接由电容储能的脉冲发生器不容易产生前沿很陡的脉冲，但可将它作为 储能单元，而在它后面接脉冲形成回路来使得脉冲前沿变陡。 电容储能的脉冲发生器如图2 - 4 1 所示，图中c 为储能电容，充电电压，s 为开关。z 为输出电缆( 其波阻抗值也用z 表示，月= z ) ，上为电感器与开关及它们连 接线的电感。其中( a ) 为电路图，( b ) 为等效电路图。 s z l s ( a )( b ) 图2 - 4 1电器能的脉冲发生嚣的基本电路 当开关s 合上后，电路中的电流“，) 有三种情况： 1 。办4 鹏时f o ) 2 e 那t 2 。r 2 的表达式为： 删= 瓴崦s i n 壶， ( 2 - 。- 6 ) 显然，甄= 一7 ) 苦，竽了去。故而由此可求得吉尔曼电路每一节的电容和 电感为：g = 错；肌= 蒜。由于傅立叶系数以可正可负，但鲫 l k 只能为正值，因而，应该适当选择吉尔曼电路的，n 信。 图2 - 4 5 脉冲形成回路与马克斯发生器连接的等效电路 1 量： f ： 1 2 1 o e o 6 o t 0 。2 图2 - 4 - 6 图2 - 4 5 中电路的p 和口与幻，c l 间的关系 马克斯发生器实际上是一种电容储能的脉冲发生器，在脉冲发生回路里经常用 它作为储能单元，脉冲形成回路就成了它的负载了。脉冲形成回路可看成是一个电 容，如图2 - 4 5 所示，c l 表示马克斯发生器的等效电容，c 2 表示脉冲形成回路的等 效电容，s 表示马克斯发生器与脉冲形成回路之间的开关，r 和上是电路中连接线 的电阻与电感。其中c 2 c i 对电路的电压传输系数p = “2 儿l ( “l 、“2 分别为电容c l c 2 上的电压) 和能量传输系数r l = ，矾( 、矽1 分别为c 1 、c 2 中储存的能量) 具