基于RSD的重频脉冲功率系统的设计与实现

论文摘要

大功率超高速半导体开关RSD(Reversely Switched Dynistor)在微秒和亚微秒量级的高压大电流领域具有明显的优势,开通时的速度很快并且能承受很高的电流和di/dt。本文首先介绍了RSD的结构及其换流原理,讨论了采用反向注入控制的预充方式的RSD开通机理和正常开通所需预充电荷量的推算过程。接着对RSD脉冲放电电路设计进行了研究:直接式预充和谐振式预充。直接式预充相对简单,预充电压、电流调节非常方便,但一般只适合应用在RSD的单次开通;谐振触发方式适合于大功率的应用,可靠性高,适合应用在RSD的重复开通。随后在介绍磁开关的机理的基础上,研究了它与RSD的配合应用。采用简单的RLC振荡电路通过实验拟合得到了磁开关的磁滞回线并提取相关参数,并计算出磁开关的阻断时间,同时研究了磁开关所引入的饱和电感对电路的影响,以及磁开关的损耗并给出了减少损耗的设计方法,还对磁开关的消磁电路进行了设计。最后研究了基于RSD的重频脉冲功率系统,首先介绍了该重频系统的组成:充电模块、驱动模块、电路保护模块、散热模块、RSD重频电路模块和负载。随后对每一个模块进行了设计和分析。最后针对不同的充电模块分别建立了模型进行实验。研究结果表明,基于RSD的重频脉冲功率系统工作正常。工频变压器充电的方式简单,维护方便,但频率很低,实验中获得了频率为0.056Hz,导通电流峰值约为548A,脉宽为3.2μs,di/dt达3.42×10~2 A/μs的重频波形;倍压大电容充电方式可以获得很高的频率,但是存在大电流充电脉冲,影响元件的寿命,实验中获得了频率分别为10Hz、20Hz、30Hz、40Hz、50Hz、60Hz,其工作电压为2200～2400V,电流峰值为2300～2500A,di/dt约为500A/μs的波形;开关电源逆变充电方式具有充电电流平稳,速度快的优点,但是系统复杂,成本较高,实验中获得了频率为10Hz、电压约为3100V,电流高达6500A,di/dt约为1300A/μs的波形。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 1 绪言
• 1.1 脉冲功率技术概述
• 1.2 功率半导体开关器件发展
• 1.3 本论文研究内容
• 2 RSD 的基本工作原理
• 2.1 可控等离子层换流原理
• 2.2 RSD 的基本工作原理
• 2.3 本章小结
• 3 RSD 电路设计
• 3.1 脉冲产生原理
• 3.2 RSD 电路设计
• 3.3 本章小结
• 4 磁开关
• 4.1 磁开关介绍
• 4.2 磁开关的设计
• 4.3 本章小结
• 5 基于RSD 的重频脉冲功率系统的实验与分析
• 5.1 基于RSD 的重频系统组成
• 5.2 充电模块的设计
• 5.3 驱动控制和保护模块的设计
• 5.4 RSD 重频电路模块的设计
• 5.5 散热模块
• 5.6 实验
• 5.7 本章小结
• 6 结论和展望
• 致谢
• 参考文献
• 附录Ⅰ 攻读硕士期间发表的论文
• 附录Ⅱ