（电力电子与电力传动专业论文）大功率半导体器件在电容储能脉冲功率源中的特性研究.pdf

硕士论文 a b s t r a c t t h i sd i s s e r t a t i o ni sb a s e do np u l s ep o w e rs u p p l y ( p p s ) o f e l e c t r o m a g n e t i cl a u n c h ( e m l ) p p si sa l li m p o r t a n tc o m p o n e n to fe m l s y s t e m i t sr o l ei st op r o v i d eh i g hv o l t a g e ，h i g h c u r r e n t ，h i g hp o w e rt oe m ls y s t e m a s t h e d e v e l o p m e n to fp p si sh i g h p o w e r , m o d u l a r i z a t i o n , m i n i a t u r i z a t i o n , p o w e rs e m i c o n d u c t o rd e v i c e sa r eu s e da ss w i t c hi np p s n o r m a lp a r a m e t e r so fs e m i c o n d u c t o rd e v i c e sa r en o ta d a 批t ow o r k i n gi n p u l s e ds u r g e d i s c h a r g ee n v i r o n m e n t i t ss u r g et e c h n i c a lp a r a m e t e r sa r ev e r yi m p o r t a n tt ou s e di np p s t h e s y s t e m a t i cr e s e a r c hi sa b o u tt h ep u l s e ds u r g ec h a r a c t e r i s t i c so fp o w e rs e m i c o n d u c t o r t h e m a i nw o r k sa r ea sf o l l o w s ： ( 1 ) i n t r o d u c et h eb a s i ct h e o r ya n dc o m p o s i t i o no fc a p a c i t o r - b a s e dp u l s e dp o w e rs u p p l y a n a l y s ed i s c h a r g ep r o c e s so fs i n g l em o d u l ea n dm u l t i - m o d u l ep u l s ef o r m i n gn e t w o r k ( p e n ) g i v et h er o l ea n dt h eb a s i cc h a r a c t e r i s t i c so fp o w e rs e m i c o n d u c t o rd e v i c e si ns u r g r e d i s c h a r g ep r o c e s s ( 2 ) r e s e a r c hd i s c h a r g ec h a r a c t e r i s t i c so fp o w e rd i o d es t a c kf o rc a p a c i t o r - b a s e dp u l s e d p o w e rs u p p l y a n a l y s i sa n dc o m p a r i s o no fp o w e rd i o d es t a c ka r ei n s t a l l e dd i f f e r e n tl a c a t i o n , a n d t h e y h a v ed i f f e r e n t d i s c h a r g ec h a r a c t e r i s t i c s t h e o r e t i c a l l ya n a l y s ed i s c h a r g e c h a r a c t e r i s t i c so ft h ed i o d e ，a n de x p e r i m e n t a l l ys t u d yo ns u r g ed i s c h a r g ec h a r a c t e r i s t i c so ft h e p o w e rd i o d es t a c ka th i g hv o l t a g e ，h i g hc u r r e n t ，s u r g ed i s c h a r g ew o r k i n ge n v i r o n m e n t ( 3 ) r e s e a r c hs u r g ed i s c h a r g ec h a r a c t e r i s t i c so fp o w e rs c rf o rc a p a c i t o r - b a s e dp u l s e d p o w e rs u p p l y t h e o r e t i c a l l ya n a l y s ed i s c h a r g ec h a r a c t e r i s t i c so fp o w e rs c ri nm o d u l a r p u l s e dp o w e rs u p p l y , a n de x p e r i m e n t a l l ys t u d yo ns u r g ed i s c h a r g ec h a r a c t e r i s t i c so ft h e p o w e rs c r s t a c ka th i g hv o l t a g e ，h i 曲c u r r e n t , s u r g ed i s c h a r g e w o r k i n ge n v i r o n m e n t ( 4 ) r e s e a r c ht e m p e r a t u r ec h a r a c t e r i s t i c so fp o w e rs c rf o rc a p a c i t o r - b a s e dp u l s e dp o w e r s u p p l y d e s i g ne x p e r i m e n tt om e a s u r et h ej u n c t i o nt e m p e r a t u r eo fp o w e rs c ri nt h ep u l s e d s u r g ed i s c h a r g ee n v i r o n m e n t u s es p e c i f i ch e a tc a p a c i t y t h e o r e t yt oc a l c u l a t et h ej u n c t i o n t e m p e r a t u r eo fp o w e rs c l la n dc o m p a r ew i t he x p e r i m e n t a ld a t a s t u d yo nt h es e c u r i t y , t h e r e l i a b i l i t ya n dt h es e r v i c el i f eo ft h ep o w e rs c rs t a c ki nt h ec o n d i t i o n so fs u r g ed i s c h a r g e t h r o u g ht h i sd i s s e r t a t i o n ，as t u d yh a sb e e nm a d eo ns u r g ed i s c h a r g ec h a r a c t e r i s t i c sa n d t e m p e r a t u r ec h a r a c t e r i s t i c so fp o w e rs e m i c o n d u c t o rd e v i c e si nc a p a c i t o r - b a s e dp u l s e dp o w e r s u p p l y ，w h i c hh a sag o o dg u i d a n c eo nt h er e a s o n a b l ea p p l i c a t i o n , t h ep a r a m e t e r sd e s i g na n d t h ep e r f o r r m a n c ei m p r o v eo f p o w e rs e m i c o n d u c t o rd e v i c e s k e yw o r d s ：p u l s e dp o w e r , e l e c t r o m a g n e t i cl a u n c h , t h y r i s t o r , d i o d es t a c k , p o w e r s e m i c o n d u c t o r ，t e m p e r a t u r e h 声明 本学位论文是我在导师的指导下取得的研究成果，尽我所知，在本学 位论文中，除了加以标注和致谢的部分外，不包含其他人已经发表或公布 过的研究成果，也不包含我为获得任何教育机构的学位或学历而使用过的 材料。与我一同工作的同事对本学位论文做出的贡献均已在论文中作了明 确的说明。 研究生签名：逶燃 功f 。年么月7 日 学位论文使用授权声明 南京理工大学有权保存本学位论文的电子和纸质文档，可以借阅或上 网公布本学位论文的全部或部分内容，可以向有关部门或机构送交并授权 其保存、借阅或上网公布本学位论文的全部或部分内容。对于保密论文， 按保密的有关规定和程序处理。 研究生签名：困壑) 垫加fo 年占月7 日 硕士论文大功率半导体器件在电容储能脉冲功率源中的特性研究 1 绪论 1 1 论文研究的背景、目的和意义 随着现代战争的需要，电磁发射技术( e l e c t r o m a g n e t i cl a u n c h ，e m l ) 越来越受到 人们的重视，并取得了一定的成果。为电磁发射提供能量的脉冲功率源是电磁发射系统 的重要组成部分，也是电磁发射技术的基础和研究的重点【l 叫。 一般认为，电力电子技术的诞生是以1 9 5 7 年美国通用电气公司研制出第一个可控 硅为标志。电力电子器件是电力电子技术的基础，对电力电子技术的发展起着决定性的 作用【5 】。随着电力电子器件的不断发展，它的种类越来越多，性能越来越好。选择利用 大功率可控硅( 晶闸管) 作为脉冲功率源的放电开关，利用大功率硅堆( - - 极管) 作为 脉冲功率源的短路开关构成放电的续流回路，这些都是大功率半导体器件在脉冲功率源 中的重要应用 6 - 9 1 。在电容储能脉冲功率源放电环境下，大功率半导体器件承受着高电 压、大电流、快的电流上升率等工作特点，工作环境十分恶劣，其工频环境下的工作特 性已经不能准确反应其在该环境下的工作情况，脉冲放电环境下的特性才是需要重点研 究的性能指标。 以大功率半导体器件为基础的脉冲功率技术，满足了脉冲功率源的模块化、小型化、 高功率、重频率、全固态等重要发展趋势，得到广泛的关注和应用【l0 j 。脉冲功率源是以 大电流、高电压、高功率、强脉冲放电为特点，大功率半导体器件在这种特殊的放电环 境下工作，器件工作的安全可靠性以及使用寿命是其应用关键。因此对它的电压、电流、 d v d t 、d i d t 等参数有着更高的要求。通过对大功率半导体器件在脉冲功率源浪涌放电条 件下的特性研究，有助于优化设计脉冲功率源模块，提高整个脉冲功率源模块的性能。 为大功率半导体器件在浪涌放电这种特殊使用条件下的合理应用，参数设计及改进提供 帮助。 1 2 电磁发射脉冲功率源概况 迄今为止，用于军事目的的发射能源大致可以分为三类：机械能、化学能和电能。 图1 2 1 为常见电发射方式分类【l ，其中电磁发射技术就是一种利用电能作为初始能源 的发射技术。电磁发射技术是把电能通过某种方式转换为电磁能，以电磁力( 洛伦兹力 或安培力) 将发射体加速发射出去，使发射体获得超高速。电磁发射技术在武器装备、 科学实验、导弹防御系统、发射火箭和卫星以及航空弹射器等许多领域内有其广泛的应 用前景。电磁炮就是电磁发射技术在军事领域中的重要应用。从武器发展的角度看，弹 丸炮口初速作为火炮的一个重要性能指标，是火炮威力的重要标志。传统的火炮完全利 1 绪论 硕士论文 用发射药化学能来加速弹丸，由于受到化学发射药能量密度、燃气热物理性质等条件的 限制，在实际应用中很难将弹丸加速到2 k m s 以上的炮口初速。从理论上来讲，电磁炮 厂 二二亘三二 c o 运i ll a u n 三c h e r s 二 l 二二三三三三 re 亘三三巫三丕司 l 三亟三三巫三亟互 厂 j 亘面三三三丑 l j 亟三三三三丑 图1 2 1 常见电发射方式分类 不同于传统发射方式，它完全可以加速到每秒几千米甚至更高的速度，实现超高速发射。 目前利用电能进行超高速电磁发射的电磁炮形式主要包括电磁轨道炮( e l e c t r o m a g n e t i c r a i lg u n ) 、电磁重接炮( r e c o n n e c t i o ng u n ) 、电磁线圈炮( c o i lg u n ) 等，其关键部分 就是脉冲功率源系统，电源的特点是工作电压高( 几千至几十千伏) ，输出脉冲电流大 ( 几十至几百干安) ，输出功率高( 达到g 瓦级) ，脉冲时间短( 毫秒级) 。表1 2 1 为三 种类型电磁发射装置的研究概况【1 2 】。为了促进电磁发射技术理论的提高和工程技术的发 表1 2 1 三种电磁发射装置的研究概况 展，由美国陆军军备研究和发展司令部( a r r a d i o m ) 以及国防高级研究规划局主办， 于1 9 8 0 年召开了第一届电磁发射技术讨论会，以后每隔2 到3 年召开1 次，并允许其 它有关国家参加，具有一定的国际性质。效法美国，欧洲各国为推动电磁发射技术的发 展，也建立了“欧洲电磁发射技术讨论会 制度。1 9 8 7 年9 月第一届会议在荷兰的德尔 夫特召开。自1 9 9 7 年开始，这两个会议已合并举行，成为观察当今世界电磁发射技术 发展的窗口。表1 2 2 列出了国外各国已公布的有代表性的电磁发射性能指标【1 3 】。 第1 4 届国际电磁发射技术学术会议( 1 4 t hi n t e r n a t i o n a le m ls y m p o s i u m ) 于2 0 0 8 年5 月1 0 1 3 日在加拿大召开。该会议由美国电磁发射技术协会与欧洲电磁发射技术 协会联合主办，两年一届，旨在交流研究成果，了解研究现状，探讨发展方向，拓展应 用领域，推动研究的深入开展和工程化应用。 2 硕士论文大功率半导体器件在电容储能脉冲功率源中的特性研究 电磁发射技术的主要组成部分就是脉冲功率源，脉冲功率源为电磁发射提供发射用 的能量和功率，是其工作动力。电磁发射技术的发展与脉冲功率技术的进步是息息相关。 脉冲功率技术，就是把“慢 储存起来的具有较高密度的能量，进行快速压缩、转换或 直接释放给负载的电物理技术【l4 1 。实质上是输出功率对输入功率的放大。脉冲功率技术 是2 0 世纪3 0 年代产生，6 0 年代以后迅速发展，并形成一门独立学科的新兴技术领域， 以高功率、高电压、大电流、强脉冲为特点，在现代科学、国防科研和工业民用领域都 有着重要的科学意义与应用价值。电磁发射脉冲功率源就是脉冲功率技术在国防科研中 的一个重要应用。作为一门新发展起来的科学技术，脉冲功率技术的发展十分迅速，它 正在引起很多科学领域，特别是一些高技术领域的重视。 为了适应脉冲功率技术的发展，1 9 7 6 年在美国举行了第一届i e e e 脉冲功率技术国 际会议，在这次会议上“脉冲功率这个术语被认同，并在1 9 7 9 年举行了第二届i e e e 国际会议，之后这个国际会议每两年举行次。第1 7 届国际脉冲功率会议于2 0 0 9 年6 月在美国华盛顿召开。现在，各个先进工业国家的许多军用和民用研究机构、高等学校 都在积极地开展脉冲功率技术及其应用的研究。其中，美国和俄罗斯目前在这方面处于 领先地位。脉冲功率技术在等离子体物理与受控核聚变研究、闪光x 射线照相、核爆炸 模拟、大功率微波、高功率激光、电磁脉冲、电磁发射、粒子束武器、电磁成形等领域 有重要的应用，各个国家几种典型的脉冲功率装置的技术参数如表1 2 3 所示【l 卯。 3 1 绪论 硕士论文 电磁发射脉冲功率源的形式很多，以初级能源来分有以电场形式储能的电容器，具 有磁场能的电感器或脉冲变压器，具有一定转动惯量的各类机械能发电机以及各种化学 能，核能装置。图1 2 2 为三种典型的脉冲功率源系统。 涡轮机 1r 补偿发电机 ( 储能、转换、调节) 1 r 负载 图1 2 2 三种典型的脉冲功率源系统 在电磁发射脉冲功率源中，目前采用化学能( 火药，电池组) 、核能做为初始能源 存在成本高、重量大、体积大、还有安全问题等缺点，其中电池组虽然储能密度高即空 4 颤论文夫功率芈导伴器件在电容储能咏冲功率谭中的特性研究 间上能量压缩高，但功率密度低即时间上能量压缩低。从储能密度上柬比较，儿种不同 的储能装置的储能水平可以见表1 2 4 所示【1 6 1 。电容器、发电机和电感的最大储能密度 分别为7 m j m 3 ，1 3 s m j m 3 和6 4 0 m j m 3 ，从这个数字比较可以看出电感储能是未来最具 表1 24 几种不同的储能装置的储能水平 有发展潜力的脉冲储能方案，但是由于电感储能对所配套的丈容量大功率断路开关的性 能要求特别苛刻，而未来超导技术的应用将使电感储能成为一个理想的脉冲功率源储能 方案。转动惯性储能的机械能发电机主要有单极发电机( h o m o p o l a r g e n e r a t o r ，缩写为 h g ) 和补偿脉冲发电机( c o m p e n s a t e dp u l s e d a i t e r n a t o r ，简称c o m p u l s a t o r ，缩写为c p a ) ， 它们的主要优点是储能密度和功率密度高内部电阻小电流容量大。但是单极发电机 需要配备脉冲成形电抗器和大电流断路开关，使其结构复杂。补偿脉冲发电机可以重复 产生大功率脉冲，具有功率调节功能，不需要脉冲压缩级可省去脉冲成形电抗器和开 关，使电磁发射系统的体重大大减小。电容器储能密度尽管比较低，但易于实现，电容 器组的高压使它能在很短的时间内释放其能量，充放电功率强，技术已经相当成熟，操 作起来比较简单，而且有灵活的能源组成方案，可以以模块化的方式组合起来形成更大 能量的储能设备。 图1 23 一种新型脉冲交流发电机 对于不同类型的电磁发射系统，对电能、电压、电流、功率、脉宽等参数的要求也 各不相同，从满足不同电磁发射系统所需要的参数特点以及脉冲功率源模块化、小型化、 高功率、重频率、全固态等重要发展趋势出发目前最合适的方式是旋转机械能( 发电 机) 和以电容器为储能方式的脉冲成形网络”。2 0 1 。图1 23 为美国研发的一种应用于电 磁发射的新型脉冲交流发电机1 2 1 1 = 从目前研究进展来看，国内外研究的重点也主要集 中在电容器组储能脉冲成形网络电源、补偿脉冲发电机、单极发电机方面。研究的目标 5 j 诒女 嚣etcg(armyr荤es毳e。chlaboratory瓣arl20015mjl82 5 0 k j瀚 学炮() 的发射实验口q 。美国陆军研究实验l 啊曩曩暑薯瞄i 雨 室， ) 年建翘_ i 基 成总储能为4 电容储能脉冲功率源网络系统，叠蕾_ - l 矗蜀 这个系统由个储能为 的独立控制触发脉，。，1 o i 一心r 硕士论文 大功率半导体器件在电容储能脉冲功率源中的特性研究 3 k m s 1 2 】。南京理工大学在电磁发射脉冲功率源方面进行了许多研究，已经研制了用于 电磁弹射的脉冲功率源系统，如图1 2 ，5 所示【2 9 】，用于电热化学炮的脉冲功率源系统 【3 1 1 ，如图1 2 6 所示。目前研制脉冲功率源模块正进一步向高储能密度化、能n 4 , 型 化、武器装备化的目标前进。 1 3 脉冲功率源中大功率半导体器件概况 在电力电子技术中，大功率半导体器件( 电力电子半导体器件) 一般工作在开关状态， 直接用于处理电能的主电路，实现电能的变换或控制的电子器件，它处理的电功率高， 承受高电压和大电流的作用。随着电力电子器件的不断发展，它的种类越来越多，性能 越来越好，大功率半导体器件在脉冲功率源中也得到重要应用。 大功率半导体器件主要应用于脉冲功率源的开关器件。开关技术是脉冲功率源的关 键技术之一【3 2 】。开关转换性能的好坏，直接影响输出脉冲的质量，这是因为，开关元件 的参数和特性对脉冲的上升时间、幅值等产生最直接、最敏感的影响。一个脉冲功率源 系统即使各个组成部分都具有良好的性能，而唯独开关元件的性能欠佳，最终还是不能 获得符合要求的输出脉冲。另外，开关在高电压、强电流下工作，工作条件十分恶劣， 开关中的击穿现象和开关电极上的放电物理过程均十分复杂，开关电极材料在击穿时的 烧损将直接影响开关的性能和寿命。因此，具有耐受高电压、强电流、击穿时延短而分 散性小、电感和电阻小、电极烧损少以及能在重复的脉冲下稳定工作的各种类型开关元 件的研制，是当前脉冲功率技术中一个十分重要的研究课题。 根据脉冲功率的储能方式，应用于脉冲功率技术的开关基本可划分为两类： ( 1 ) 闭合开关( c l o s e ds w i t c h ) ，它主要是在闭合时，接通负载，实现储存能量交 给负载。在电容储能脉冲功率源中，闭合开关开始断开，电容器通过直流电源充电，当 闭合开关闭合时，接通负载，实现把电容器中的能量交给负载。 ( 2 ) 开路开关( o p e ns w i t c h ) ，它主要是在断开时，接通负载，实现储存能量交给 负载。在电感储能脉冲功率源中，开始时刻，开路开关导通，储能电感用恒流源充电， 当开关断开时，同时接通负载，实现把电感储存的能量交给负载。 按照脉冲功率源开关的材料结构可以分为固态开关和非固态开关。非固态开关主要 有三电极开关、真空触发开关等。固态开关就是以大功率半导体器件为基础，主要有大 功率可控硅( s c r ) 、门极可关断可控硅( g t o ) 、绝缘栅双极晶体管( i g b t ) 、反向开 关晶体管( r s d ) 、半导体断路开关( s o s ) 等【3 3 】。表1 3 1 为几种常见脉冲功率开关性 能比较。常见的气体开关、液体开关等填充介质的开关有一些明显的缺点，例如功耗大、 稳定性差、寿命短、重频难以提高等，这些缺点严重影响脉冲功率源系统的寿命、稳定 性、可靠性，重频运行受到制约。近年来，半导体开关技术在开关速度、功率容量等方 面的改善，使得它逐渐应用到了脉冲功率中，出现了全固态脉冲功率技术，为脉冲功率 7 目论女 技术的发展开辟了一条崭新的道路【卅。本论文主要研究和讨论大功率可控硅作为电容储 能脉冲功率源的主放电开关和大功率硅堆作为续流短路开关的工作特性。 表1 , 31 常用脉冲开关性能比较 控制电路，具有开关转换速度块，抗电磁干扰能力强，没有噪声和空气污染，使用重复 率高，体积小等特点，是脉冲功率源中较理想的整流器件。图i3 2 为耐压2 2 k v 的串并 联运行的续流硅堆，串联增加它的运行电压，并联可以增加其运行电流【”】。大功率硅堆 主要用于对电容器的保护，并且可以提高系统的电效率。在脉冲放电环境下，对硅堆的 使用和保护还需要进行深入的分析。大功率硅堆主要是由若干大功率二极管器件串并联 。囵一勇 拜范流件单件若可硅畦亢”时中立匾危莘耕作电器简器由够控躯蚍m趣舯戢燃鼢卅俐工的体用硅须不可种酗眦孵郴排掷勋器，快导使控必量个跣蚋蛔弘，懿则剐彰稠强和半，可，容六鹕妫卧神玑”矾“：弼力感率小只求硅为把鲫皿形雕酌。耘陬 上能自功积单要控j扑擒m射-=鞠扎氍韵一流的大体。电可龇“如刻氚薛卧争姑辫通小。于用放果虱都蚣k彬毙州。鼽豳有，展由应源如邝辩瑙m，能蝌觚制削具动发，要率。瓤醛弦洲也越砸寿虬般联麒槲椭联眶椭钢焖懒刚!；蓥踯删篡篡黧黧黧黧蒜翟黧应开小半体率能并e电威独到输懂，率睡 琳电极率导功不串圳电率晡块麒击功二 戮训j|胖脚躯舯捌硫彻愀糍僦腓就砸耕功命着固在电硅训用脉h引网油压置率 蠹麟瓣一 硕士论文大功率半导体器件在电容储能脉冲功率源中的特性研究 组成，大功率硅堆在整个电容储能脉冲功率源p f n 电路中被安装在储能电容器的两端， 被称为c r o w b a r 。当电容器两端的电压开始反向的时候，自动导通，使存储在脉冲成形 电感中的能量沿着二极管支路流动，从而避免了对电容器的反向充电。硅堆续流回路有 三个好处：提高电容器的寿命；提高能量的传输效率：在一定程度上改善了脉冲波形。 随着电力电子技术的不断发展，在新型半导体材料中，碳化硅( s i c ) 与其它半导 体材料相比，具有下列优异的物理特点：高的禁带宽度，高的饱和电子漂移速度，高的 击穿强度，低的介电常数，以及高的热导率【3 6 - 3 7 1 。上述这些优异的物理特性，决定了碳 化硅在高温、高频率、高功率的应用场合是极为理想的半导体材料。随着各种碳化硅材 料功率器件的不断研究和开发，碳化硅器件将在脉冲功率技术以及其它领域中得到广泛 应用。 1 4 论文主要研究内容 本文以电磁发射电容储能脉冲功率源为研究对象，主要对大功率可控硅( 晶闸管) 和大功率硅堆( - - 极管) 在电容储能脉冲功率源高电压、大电流、浪涌放电条件下的工 作特性，以及大功率可控硅的温度特性进行研究分析。本学位论文主要包括以下几个方 面的研究内容： ( 1 ) 介绍电容储能脉冲功率源系统的原理和组成，并计算分析单模块和多模块脉 冲成形网络放电过程，引出本文所要研究的大功率半导体器件在高电压、大电流、浪涌 放电过程中的作用和基本特性。 ( 2 ) 分析比较大功率硅堆在模块电源中的安装位置不同，有着不同的放电特性。 以组成硅堆的大功率二极管的理论特性为基础，通过实验研究大功率硅堆在电容储能脉 冲功率源高电压、大电流、浪涌放电环境下的工作特性。 ( 3 ) 以大功率可控硅的理论特性为基础，通过实验研究大功率可控硅在电容储能 脉冲功率源高电压、大电流、浪涌放电环境下的工作特性。 ( 4 ) 设计实验测量可控硅在电容储能脉冲功率源放电过程中的结温。利用比热容 计算可控硅在电容储能脉冲功率源放电过程中的结温，并与实验测量结温进行比较。通 过分析可控硅在模块电源高电压、大电流、浪涌放电过程中的温度特性，研究器件在模 块电源中的安全可靠性以及使用寿命。 9 2 电容储能脉冲功率源硕士论文 2 电容储能脉冲功率源 2 1 引言 一般来说，脉冲功率装置( 如图2 1 1 所示) 包括初级能源、中间储能和脉冲成形 系统、转换系统以及负载【1 4 1 。脉冲功率电源是为脉冲功率装置的负载提供脉冲电能的装 置，构成脉冲功率装置的主体。脉冲功率电源是实现脉冲功率的能量压缩装置。 图2 i 1 脉冲功率源装置 初级能源一般有以电场形式储能的电容器，以磁场形式储能的电感，具有一定转动 惯性的各类机械能发电机，化学能装置，核能装置。采用何种装置，应视用途、中间储 能、脉冲形成的性质以及自身成本而定。电容储能脉冲功率源中，初级能源是以电场形 式储能的电容器。 中间储能和脉冲成形系统，除具有储能和成形脉冲的功能外，有时还起转化能量的 作用。使用何种中间储能和脉冲成形系统，应视初级能源的类型和负载性质以及自身成 本而定。有时不需要中间储能和脉冲成形系统，仅用转换开关系统即可。在电容储能脉 冲功率源中，高压电容器向负载释放能量的速度太快，故要用电感作为中间储能器，调 节输出脉冲波形。 转换系统是指电源内各种转换开关。它包括闭合开关和断路开关两类。它们可分布 在脉冲电源的不同位置。根据应用不同，有时只用闭合开关，有时仅用断路开关，有时 联合使用。在电容储能脉冲功率源中，只使用闭合开关控制电容的放电。 以大功率半导体器件在电容储能脉冲功率源中的应用为背景条件，使用大功率可控 硅作为模块电源的放电转换开关以及使用大功率硅堆作为续流短路开关。可控硅和硅堆 的工作特性直接影响着整个脉冲功率源的性能，而脉冲功率源的高电压、大电流、浪涌 放电过程同时又影响着可控硅和硅堆的工作特性。对电容储能脉冲功率源的组成结构和 放电过程进行分析，为大功率半导体器件在电容储能脉冲功率源高电压、大电流、浪涌 放电条件下的特性研究奠定基础。 2 2 电容储能脉冲功率源组成 本文主要以电容储能脉冲功率源为研究对象，主要实验装置为模块化电容储能脉冲 1 0 硕士论文大功率半导体器件在电容储能脉冲功率源中的特性研究 功率源，分析大功率半导体器件在电容储能脉冲功率源高电压、大电流、浪涌放电环境 中的工作特性。在脉冲功率浪涌放电环境下，大功率半导体器件要承受高电压、大电流 等工作特点，工作环境十分恶劣，其工频环境下的工作特性已经不能准确反应其在该环 境下的工作情况，脉冲放电环境下的浪涌特性才是需要重点研究的性能指标。本文正是 基于此应用背景下，研究大功率半导体器件在电容储能脉冲功率源中的工作特性。模块 化电容储能脉冲功率源系统主要由三个部分组成【3 8 】： 电容充电装置； 脉冲成形网络模块； 测控系统。 一电容充电装置 高压大功率充电装置用于对电容储能脉冲功率源模块的高压电容器充电。需要电容 充电装置满足以下要求： ( 1 ) 在能源组件储能电容器的充电初期，电容器两端电压近似于零，此时充电装 置是在负载短路状态下运行的，它要求充电装置应具有限流功能，抵抗负载短路的能力。 ( 2 ) 脉冲功率源的d v d t 、d i d t 干扰比较大，充电装置必须具有较强抗干扰措施。 最好在脉冲输出期间，能让充电装置关闭，使其免受其它干扰。 ( 3 ) 在充电过程中，系统要求储能电容器两端电压随充电时间而线性增长，即电 源应该是一个恒流源，应具有稳流功能。 ( 4 ) 电源还应具有完善的安全保护功能，具有完善快速的过电压、过电流保护功 能。 一般电容充电装置有传统工频充电方式，高频开关电源充电方式和串联谐振充电方 式。 传统工频充电方式是采用变压器升压 整流后，以脉动直流对电容器充电，见图 2 2 1 为传统工频充电方式原理图，使用工频 直流电源作为电容器的充电电源，这种方式 电路简单、技术成熟，但越到电容器充电后 期，电容器的电压增长越缓慢，不能满足快 速充电的需要，而且充电装置体积大、效率 _ 一 升压变 图2 2 1 传统工频充电原理图 储 能 电 容 低、充电稳定性易受电网电压波动的影响。随着脉冲功率技术的发展，这种低效率体积 庞大的充电方式已很难满足实际应用。因此，这种充电方式一般在脉冲功率源模块调试 或实验时采用。 随着电力电子技术的发展，各种形式的高频电源变换技术应运而生，由于其工作频 率达几十千赫，甚至几百千赫，远远大于市电的5 0 h z ，因此，同等功率的电源体积和 2 电容储能脉冲功率源 硕士论文 重量随电源工作频率增加而减小。开关频率一般都已超出人耳的听觉上限，因此，它的 运行是安静的。当开关电源检测到故障后，保护速度快，可以实施及时保护，不至于使 故障扩大。电源还能够方便地实施稳压，在很宽的输入电压范围内正常工作。因此，高 频开关电源充电方式是一种理想的充电方式。 d l 串联谐振充电电源，与传统直流电源相比较， 具有恒流充电、体积小、效率高、功率密度大、 适合宽范围变化的负载等优点，是较为理想的电一 容充电电源。见图2 2 2 为串联谐振充电电源电路 电容储能脉冲功率源是一种具有模块化结构， 分布式测控的系统，为了满足不同负载的需要，可 以使用不同数量的模块组成不同的脉冲成形网络。 其原理如图2 2 3 所示。每一路的脉冲成形网络模 块主要由电容器组c ，大功率可控硅开关s c r ，脉 冲成形电抗器l ，续流硅堆d 组成，并通过同轴电 缆输出，与负载构成放电电路。 ( 1 ) 电容器组 s 口us a f 2s a r 3l i z i 孓d 1 l l scz sd 2 rf l、 l z sd 3 i i 图2 2 3p f n 模块原理图 脉冲电容器是以电场的形式储存系统所需的电能。电容器储能的脉冲功率源在电磁 发射领域中的发展在一定程度上取决于能否研制出高储能密度、长寿命、低电感、高重 复率的新型电容器。在电磁发射系统中，电源装置在体重上占整个系统的最大份额，而 在电源装置中，储能元件的体重约占电源装置的8 0 【3 9 】。为了减小电容储能脉冲功率源 体重，脉冲电容器应该具有高的储能密度，以减轻重量和缩小体积。但是，高储能密度 和长寿命是相互对立的。因此，在满足寿命要求的前提下，最大限度的提高储能密度， 是脉冲电容器研究的目标。 目前脉冲电容器的结构有箔式电极结构和金属化电极结构两大类。金属化膜电容器 由于具有自愈能力，消除了介质中极少数电弱点击穿造成整个电容器损坏的问题，使电 容器中介质的工作场强明显提高，从而提高了电容器的储能密度。由于金属化膜电容器 引出电极采用喷金的形式，故这种电容器的输出电流能力小于箔式结构电容器。在电磁 1 2 硬士论文 大功率半导体器件在电容储能脉冲功率谭中韵特性研究 发射系统中，由于脉冲电源放电达到l m s 咀上，电流远较电容器短路放电时小- 故这种 电容器能满足要求1 4 0 。 因此，采用金属化膜结构的电容器作为电容储能脉冲功率源的储能元件。 大功率脉冲电容器的使用过程中，电容器的反向充电会降低电容器的使用寿命，因 此要防止电容器的反向充电。 ( 2 ) 大功率可控硅开关 大功率可控硅开关是固体半导体开关，具有体积小、使 用简单、可控性好、开通时间短等优点。在电容储能脉冲功 率源中，大功率可控硅作为放电回路的主放电开关。见图 2 24 为大功率可控开关。由于单片可控硅目前还不能承受设 计的工作电压，可以使用可控硅的串联形式增加它的耐压能 力。在可控硅串联工作时，要注意它的动、静态均压，同步 触发，温度特性以及高电压大电流浪涌特性等问题。大功率 可控硅在电容储能脉冲功率源浪涌放电条件下的特性研究 作为本文一个重点，将在第四章和第五章论述。 ( 3 ) 大功率续流硅堆 瀚1 室剥1 图22 a 大功率可控硅开关 大功率硅堆主要用于对电容器的保护，并且可以提高脉冲功率源的能量效率，是保 证输出功率波形的关键。由于单只二极管技术参数还达不到高电压、大电流的电磁发射 要求，故实际的大功率硅堆主要是由若干功率二极管器件串联组成，如图225 所示为 大功率续流硅堆。 大功率硅堆在整个p i n 电路中被安装在储能元件电容器的两 端，被称为短路开关或c r o w b a r 。当脉冲功率源放电使电容器两 端的电压为零并开始反向的时候，续流硅堆自动导通，使存储在 脉冲成形电感中的能量沿着二极管支路流动，从而避免了对电容 器的反向充电。这样可咀提高电容器的寿命和能量的传输效率， 并在一定程度上改善脉冲波形。在高电压、大电流的恶劣环境下， 硅堆承受浪涌电流电压，极其容易损坏。因此，c r o w b a r 开关技 术及器件的选择直接影响到脉冲功率源的安全可靠性。 本文将在第三章中对大功率硅堆在电容储能脉冲功率源高电压 条件下的工作特性进行分析。 ( 4 ) 脉冲成形电抗器 翰 图2 25 大功率硅堆 大电流、浪涌放电 在以电容器为储能器件的脉冲功率源系统中，脉冲成形电抗器是用于脉冲电流波形 调节的重要器件。在放电过程中，调节脉冲电流的幅度、d i d t 以及放电电流的脉宽。电 抗器的设计要求其具有高能量密度、低损耗、体积小、低漏磁、对外界干扰的电磁强度 2 电容储能脉冲功率源日论文 要低，并且具有准确的电感值。由于电抗器通过的脉冲电 流和放电功率非常大，电抗器线圈内部磁场强度极高，造 成铁磁材料磁饱和，所以脉冲电抗器使用空芯结构。见图 226 为平板螺旋结构的脉冲电抗器，内部导体使用铜带环 形螺旋结构，保证通流能力，并在两端垂直引出，为了保 证通流导体各匝之间以及导体和外壳之间的绝缘，使用高 绝缘度的环氧树脂作为填充材料，两端用环氧板固定增加 了电抗器抗电动力的破坏能力。脉冲电抗器在高电压，大 电流的条件下工作，技术关键和难点就是分析碰场产生的电动力 以承受该电动力，以及绝缘和屏蔽问题。 四测控系统 国2 , 26 脉冲电抗器 设计台理的结构形式 测控系统主要检坝濮块电源的工作状态和输出控制模块电源功能装置的动作。在高 电压大电流条件下，电磁干扰严重，测控系统采用光纤进行电气隔离，以光纤传输方式 进行通信，可避免强电磁干扰数据传输。因为高电压、强电流是脉冲电源的主要特点 电容储能脉冲功率源模块工作在高电压大电流条件下，使得测量系统的设计具有相当的 难度，所以高电压大电流脉冲测量技术是脉冲功率技术关键技术之一。 在电源模块充放电过程中，模块工作电压高，放电电流大，输出功率强，一般使用 电阻分压器和罗氏线圈( r o g o w s k i 电流互感器) 来检测电源模块的电压和电流。 2 3 电容储能脉冲功率源放电分析 电容器组储能脉冲成形的方法和原理很多，电 源以模块化结构设计，最简单最基本的结构形式如 图231 所示。本文研究的电容储能脉冲功率源的主 放电开关s 使用大功率可控硅，控制主回路放电； 并联大功率硅堆d 作为放电回路的短路开关，短路 开关主要是将振荡的放电电流整形为单次脉冲以 满足输出的要求：在放电过程中，使用脉冲电抗器l 调节脉冲电流的幅度、d i & 及放电电流的脉宽。 圈2 3l 电容储能脉冲功率源结构 为了满足不同形式的负载电压，电流、脉宽等要求，输出波形可以灵活调节，模块 化电容储能脉冲功率源可咀单模块放电，也可以多模块并联组成脉冲成形网络放电。 大功率半导体器件主要作为模块脉冲功率源的开关器件，它们在模块化电容储能脉 冲功率源中的工作特性与电源模块高电压、大电流、浪涌放电的过程有着密切的关系。 根据脉冲功率放电的特点，要求开关具有通流能力强，工作范围广，使用寿命长，极小 的时延和抖动，小的电感和电阻，快的电流上升前沿。为了研究大功率半导体器件的工 1 4 硕士论文大功率半导体器件在电容储能脉冲功率源中的特性研究 作特性，对单模块和多模块的脉冲功率放电过程进行分析。 2 3 1 单模块p f n 放电 图2 3 2 为单模块p f n 原理图。c 为储能脉冲电容器；s c r 为大功率可控硅开关； l 为调波电抗器；d 为续流开关大功率硅堆；r 为模拟纯电阻负载。对于理想的单模块 电路，将电源系统内的各种器件处理为理想元件，不考虑电路杂散参数。在这种情况下， 根据模块电源的放电过程，一般可以将模块电源放电过程分为两个阶段。 + l l r 图2 3 2 p f n 模块原理图图2 3 3r l c 放电原理图图2 3 4 r l 放电原理图 第一个阶段为r l c 二阶放电过程，如图2 3 3 所示。当主放电开关可控硅( s c r ) 触发导通后，形成r l c 二阶放电回路。由于实际应用中，负载r 阻值非常小，这个放 电过程一般为欠阻尼放电过程，放电电路经常工作在振荡放电情况。 第二个阶段为r l 一阶放电过程，如图2 3 4 所示。当放电电流达到最大值，电容放 电电压为零，开始反向时，大功率硅堆( c r o w b a r ) 导通，为负载和电感惯性电流提供 了一个通道，阻止了振荡放电和反向电流对电容器充电，大大提高了储能电容器的寿命， 而且形成单次脉冲以满足输出要求，提高能量自电容向负载的传输效率。 第一阶段r l c 放电原理图为图2 3 3 所示，根据基尔霍夫定律和电路元件特性，可 以用二阶常微分方程描述： c 粤+ r c d u c + 啡：0 ( 2 3 1 ) d t d t 。 电路的初始条件： j 蚀) = 0 ( 2 3 2 ) 【u c ( o ) = u o 解此方程可得三种不同条件的放电过程。 ( 1 ) 欠阻尼情况，r 2 历否，为非振荡衰减放电过程。 回路电流： 讹) 2 珊e x p ( _ 峨r 再) ( 2 3 1 1 ) 电容器上的电压： 呲m ( c o 岫丹+ 面r 再s i 螂再蚓一参 ( 2 3 1 2 ) 此种情况下振荡电流的第一峰值k 及其到达的时间t m 分别为： _ 。- _ i 一，。o 一，。一 = c 上e x p ( 一a 4 1 一日2 ) t h - 1 ) ( 1 一口2 口) 】 ( 2 3 1 3 ) o = 4 z t 1 一口2 ) 卅2 t h 一1 ( 1 一口2l a ) ( 2 3 1 4 ) 分析第一阶段放电过程，不难发现，根据上面不同条件的解，无论脉冲电源工作在 何种情况，在回路电容c 和电感l 基本不变的前提下，放电电流的幅值与负载电阻r 硕士论文大功率半导体器件在电容储能脉冲功率源中的特性研究 和充电电压u o 密切相关，要想增大放电电流的幅值i m ，就必须提高充电电压u o 或减小 负载电阻r 。电路放电脉冲电流最大陡度发生在t = 0 时刻，此时有： c 扣鼽= 导 眩3 朋， 因此，在回路电感l 变化很小的前提下，欲增大脉冲电流的陡度，只能增大电容的 充电电压u o 。所以使用大功率可控硅和硅堆作为模块电源的主放电开关和短路开关， 器件不同状态的杂散电阻、电感、电容以及器件开通、关断时间等性能