基于电磁原理的冲功率源技术课件

1、目录1. 固态开关脉冲功率关键技术及应用 2. PFN + Pulsed Transformer 3. Tesla 变压器和 陡化技术4. IVA（Inductive Voltage Adder） 技术5. LTD (Linear Transformer Driver) 技术1. 固态开关应用于脉冲功率几个关键技术问题固态开关应用于脉冲功率的优势可靠性高，稳定1使用寿命长2附加设备少，基本免维护3较高的重复频率4新型半导体脉冲功率器件的特性比较现有的半导体开关参数器件类型电压电流额定频率额定功率上升沿脉宽SCR6 kV3.5 kA300 Hz100s MW500 A/s10 msGTO4.5

2、kV3 kA500 Hz10s MW1 kA/s1 msIGCT6 kV6 kA1 kHz100s MW2 kA/s1 msBJT1.2 kV800 A10 kHz1 MW1 kA/s1 sMOSFET1.2 kV50 A1 MHz100 kW2 kA/s200 nsIGBT3.3 kV400 A20 kHz100s kW1 kA/s600 nsSIT1.2 kV300 A100 kHz10s kW1 kA/s500 nsSITH1.5 kV300 A10 kHz10s kW500 A/s1 sMCT3 kV2 kA20-100 kHz10s kW1 kA/s500 nsThyristorGT

3、O固态半导体器件作为脉冲功率系统主开关存在的问题上升沿慢通流能力有限单个器件耐压低脉冲电压升压和叠加技术固态开关几个关键技术问题脉冲压缩与陡化技术脉冲大电流技术脉冲升压技术固态开关+脉冲变压器脉冲变压器半导体开关脉冲功率典型应用领域单次(低频）放电开关： 轨道炮、化学炮、线圈炮、强磁场、激光核聚变重复放电开关： 医用加速器、雷达调制器、高功率微波关断开关： 激光器、等离子体放电、脉冲调制器半导体开关脉冲功率典型应用领域1、如何减少变压器泄露电感？2、如何降低变压器分布电容？3、变压器磁芯复位？4、方波波形传输？5、实现快速上升沿？脉冲变压器升压关键技术问题PFN+变压器升压模式固态开关+变压器

4、升压优点：1、高压与低压隔离2、所有开关驱动信号 有共同地电位缺点：1、磁芯需要复位2、漏感影响上升沿3、体积重量较大2-3、感应变压器叠加2-2、变压器升压2-2、传输线变压器升压脉冲升压与陡化技术感应变压器叠加Inductive Voltage Adder（IVA）原理Inductive Voltage Adder（IVA）原理电磁感应结构原理基于IVA原理的线性感应加速器（LIA） 单个IVA 磁芯分布参数模型四级IVA 截面图IVA 系统等效电路集中参数模型集中参数模型及仿真结果IVA 传输线模型感应变压器叠加（LTD）原理基于气体开关LTDLinear Transformer Dri

5、ver基于固态开关LTD（单模块）基于固态开关LTD（多模块）2.3、感应变压器叠加（LTD）问题：1、LTD 如何实现电压叠加？2、优缺点如何？感应变压器（LTD）等效电路及效率脉冲功率的产生方法长脉冲脉冲压缩短脉冲弱脉冲脉冲叠加强脉冲Linear Transformer DriverSolid-State LTD ModuleLarge LTD ModuleSolid-State LTD全固态LTD模块10-Module SSLTDDiameter28 cmHeight 12 cmWeight7 kgModules10MOSFETs350SSLTD PerformanceSSLTD Per

6、formanceFWHM 42 nsTrise 17 nsTfall 22 nsf = 1 kHzRload = 50 SSLTD Pulse LengthSSLTD TimingSSLTD TimingSSLTD TimingSSLTD TimingSSLTD TimingSSLTD Timing民用脉冲功率技术的发展动态小型化专业化固态化多样化模块化通用化智能化LTD智能化脉冲功率的定义1）输出波形的自由变化2）负载对脉冲功率源的反馈最佳波形的自动选择SSLTD PerformanceRload = 50 Output Energ 65 mJ/pulseRepetition Rate 1

7、kHzAv. Output Power 65 WInput Voltage900 VInput Current 122 mAInput Power 110 WEfficiency 59 %Linear Transformer Driver TraditionallyLTDLTDWhat is LTDMake Pulsed Power by BlocksWhat is LTDMake Pulsed Power by BlocksWhat is LTDMake Pulsed Power by BlocksWhat is LTDMake Pulsed Power by BlocksWhat is L

8、TDMake Pulsed Power by BlocksSolid-State LTDLTD的主要优、缺点利用了感应叠加原理，既可实现电压叠加，又可实现电流叠加；电容器组充电、放电都是并联运行，个别电容器失灵，不会影响总的电压脉冲输出，输出电流减少；LTD 外壳处于地地位，安全可靠；电容器和开关全部工作在大气条件下，无需变压器油绝缘，使用方便，便于维修。缺点： 1、对开关的同步性要求较高，要求同步性在5ns 以内； 2、开关个数很多，由于同步问题，降低了可靠性。IVA与LTD的相同点和区别二者都是基于变压器感应叠加原理；结构相近；二者在技术路线上逐渐融合趋势；IVA 有被LTD取代的趋势。 主要区别：IVA 驱动源 基于MARX 发生器，LTD 利用单个电容器 开关放电；后者电压低，但路数多；IVA 输出方波，而 LTD 目前还没有方波，输出的是二阶阻尼放电波形；LTD 体积小，更紧凑。单个模块结构法国研制的 SPHINX machine美国LTD-Z装置我国研制的LTD装置Primary Test Stand(PTS) for Z-PinchZ-Pinch 核聚变装置世界各国LTD 建造情