RSD开关在脉冲电源中的应用研究

RSD开关在脉冲电源中的应用研究

李焕炀, 余岳辉, 胡乾，彭昭廉, 杜如峰, 黄秋芝

（华中科技大学电子科学与技术系，湖北 武汉 430074）

    摘  要：该文提出应用RSD(Reversely  Switched  Dynistor)设计脉冲功率电源的方法，并在应用RSD设计脉冲电源过程中对两种关键元件磁开关和脉冲变压器进行了重点设计，确定回路参数配合原则。在3种典型触发方式的RSD脉冲电源基础上，提出了RSD端电压翻转式触发电路， 以提高RSD的触发效率，采用了阻尼衰减模型的设计方法消除主回路放电过程中出现的振荡。对该电源放电脉冲压缩形成回路模型进行了设计分析， 并对其和共触发电路进行了设计仿真。对所提出的触发RSD方式的脉冲电源设计方法进行了试验验证分析和仿真验证分析， 证明了设计方法的正确性。
       关键词：反向开关晶体管；脉冲；电源；磁压缩

1  引言
         近年来，随着脉冲功率技术越来越广泛地应用在核物理技术、电子束、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、电子对抗、电磁炮、电磁炸弹、生物与生物医学工程等领域，对于脉冲功率系统中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优势。
        反向开关晶体管RSD(Reversely  Switched  Dynistor)是一种半导体脉冲功率开关，上世纪80年代初前苏联科学家I.V.Grekhov对其工作机理进行了研究，到80年代中期试制成功，直至上世纪80年代末90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。因此，其产生、研究及其运用都始于前苏联和现在的俄罗斯。而我国对RSD与RSD应用方面的研究才刚刚开始。
     由于RSD具有耐压高、无需均压、大电流、高di/dt(国外已达60kA/μs)、长寿命以及较高重复率(国外报道已达2000pps^[1,2])等优点，故而研究基于RSD的脉冲电源的设计方法，对于应用RSD的脉冲功率电源系统应用研究有重大的意义。
2   RSD的基本结构和触发开通条件
        RSD有较高的脉冲电流通过能力，其开通性能大大优于晶闸管。RSD的基本结构如图 1 所示，是由几千至数万个非对称晶闸管和晶体管交替并联组成。在RSD中使用的开关方法与晶闸管不同，最典型的不同的是，反向注入控制技术是通过加在器件两端电压极性的瞬间变化来完成等离子层控制。当RSD上电压极性翻转时，晶体管n⁺p结被击穿，触发电流通过二极管pnn^＋，形成等离子体击穿，由于触发的一致性，使得器件的开关是在器件的整个区域上均匀实现的。

    RSD触发开通条件是通过控制RSD等离子体层出现的过量电荷耗尽所要求的时间t_exh, 与RSD中再生反馈开始的时间相比较来得到。该条件为

式中  t_R为控制等离子层的触发时间；I_R为触发电流，不论I_R波形怎样，只要I_R<0就有效；dI_F/dt为开通的脉冲电流上升率；v_G为与RSD中再生反馈开始的时间所对应的参数。因此，RSD的正常开通与触发电流的大小和触发电流持续的时间有关。
3  脉冲电源中关键元件的设计
3.1  RSD触发开通的3个条件
    根据RSD的触发开通的3个条件：触发电流须反向；反向电流大小必须达到一定量级；反向电流持续的时间长短，电路中必须有一个延迟隔离的元件磁开关。而且要形成反向触发脉冲电流，需要解决脉冲变压器的设计问题，因为它的性能好坏都将影响到触发回路的触发效率。因此，经综合考虑需要对磁开关和脉冲变进行专门重点设计。
3.2  磁开关的设计
        磁开关的磁心选择原则：高频特性好，且高频损耗小；初始磁导率高；磁通密度DB=B_r+B_s大(B_r为剩余磁通密度，B_s为饱和磁通密度)，但B_r又不能太大，否则磁复位困难；电阻率高。即磁滞回线越窄越高越好^[3]。
        对于磁性元件，其非饱和电感

为电感匝数；S为磁心的截面积, m²；l为平均磁路长度, m； F_S为填充因子，可取F_S=0.8´(d_m+d_i)/d_m，其中，d_i为绝缘材料厚度；d_m为磁心厚度。
        饱和电感为

即t_ks与磁心材料、N、S和V₀(磁开关输入端电压)等有着密切的关系。设I_m为流过RSD的最大电流，那么磁开关的总压缩比为

    设m_k为初始磁导率；令饱和磁导率m_ks=m_rm₀(相对磁导率m_r为10²~10⁵的数量级)，由于磁开关饱和时m_ks=m₀，则上式即为

    若使用环形磁心，设单个磁心的截面积为A时，则所需磁心个数即为
    m=S/A                  (10) 
3.3  脉冲变压器的设计                                           

   （1）脉冲变压器截面积和体积的确定
        首先应根据伏秒积平衡方程确定脉冲变压器初级绕组匝数和磁心截面积，使变压器在承受一定伏秒积下不致饱和。初级绕组匝数可由下式得到：

式中  N_pri为变压器原边匝数；V₂为原边工作电压；DB为磁心的磁通密度；S为磁心截面积，由此确定次级绕组匝数。
    如图 2 所示脉冲变压器在触发回路中的等效电路图，得到伏秒积平衡方程

主回路放电电容。
    从变压器的输入电压V₂和DB间的关系可知，铁芯截面积为

式中  a为磁心材料的叠层因子。

    应用AP法^[6]确定脉冲变压器的体积，脉冲变压器的AP(以下记为A_P)值（调窗与磁芯截面积之积）为

脉冲变压器的磁心结构优化设计可参考文[5]。
   （2）脉冲变的电气参数计算
     如图 2 脉冲变压器的实际变比^[6]为

其中  N_t为理想升压比，因为变比是随互感电流I_M的减小而增加的，所以变比是随着互感的增加而增加的。脉冲变压器互感可用下式来描述

其中  m、S分别为磁心的磁导率和截面积；N_pri、N_sec分别为原边与副边的导线匝数；l为磁心的平均磁路长。
    由式(13)和(18)得到式(17)的另一种表达式

    在电气与磁心结构固定的条件下，M随着诸如k和N_pri等的线圈结构参数^[7]的增加而增加。根据变压器初级电流有效值的大小确定初级绕组线径，其电流有效值为

式中  t 为C₃的放电时间(由触发控制开关控制)。
    然后根据触发电压的要求确定变压器升压比，进而选择次级绕组匝数与线径。脉冲变压器的自动偏转磁通复位电路设计可参考文[8]。
   （3）脉冲变压器电压的上升时间
        变压器的电压上升时间由等效触发电路图 2所示，它等价于电荷由C₃转移到C₂的时间

    脉冲变压器改变了电流方向，实现触发回路与主放电回路隔离，并提高触发脉冲的上升率，将输出触发脉宽进行磁通压缩。
4   RSD端电压翻转式触发的脉冲电源
4.1  反向电流注入方式
    目前国外有3种典型的反向电流注入方式，一种是直接反向电流注入方式；另一种注入方式是间接反向电流注入方式；还有一种是谐振式反向电流注入方式^[9]。本文提出一种RSD端电压翻转式触发的脉冲电源，它通过高压脉冲变压器提供一个高压脉冲，使RSD阴极电压比阳极电压更高，实现RSD端电压的翻转；同时将负载端通过磁开关进行高压隔离，使得磁开关延迟开通，从而将一定脉宽的反向电流注入RSD，实现RSD的触发开通。由于反向触发电流持续时间t_f≥τ_ks，并且要求t_f = 0.5~2ms，即要求t_f与t_ks应该可比拟；另外，磁开关非饱和电感L远大于其非饱和电感L_sat，L_sat要非常小，以便使得触发效率最高。按上述方法设计好关键元件后，需要对主回路进行阻尼设计。某些负载还需要利用磁开关的磁饱和特性对放电电流的上升前沿和脉宽进行压缩，该压缩性能的好坏关系主放电回路的放电效率。
4.2  脉冲电源主放电回路的放电模型
        脉冲主放电回路等效电路模型如图 3 所示。

    对于主放电LCR₁回路，R₁可实现临界阻尼衰减作用。回路中放电电流可用下式描述：

    该电路的电流上升时间t₀=1/s与非阻尼电路相同。但它们的放电电流的持续时间较非阻尼电路的要短得多，前者使得均方电流值增加，致使消耗的功率较大，可通过不完全临界阻尼获得较小的性能改善，但是将有轻微的振荡。当电容器C上的电压已经变为负时，使得二极管D正偏导通，从而使得电路经二极管D和电阻R₀实现临界阻尼，能量很快被R₀消耗掉。这个过程分为2个阶段：t₀前和t₀后。可用以下函数来表示：

    根据以上推导，可确定负载所需要的主放电回路参数，并能有较好的电源输出特性。
4.3  脉冲压缩与脉冲波形形成回路模型
        对于一般的应用RSD作为放电开关的LC脉冲压缩等效电路模型如图 4 所示。此处的开关S即为RSD堆，其压缩过程如下：第1级放电脉冲经C₁-L₁-C₂进行压缩，第2级放电脉冲经C₂-L₂-C₃进行压缩，第3级放电脉冲经C₃-L₃-R_L进行阻尼压缩，压缩所需级数是根据负载所需脉冲的脉宽来确定的。V₁₀和V₂₀分别为RSD开通后t=0时刻，C₁、C₂上的电压。开关RSD开通后，C₁对C₂的充电电压、电流^[10,11]分别为


所以，流过负载的电流为

4.4  RSD端电压翻转式触发电路设计
        由4.1和4.2的模型，可设计出RSD端压翻转式的脉冲电源原理图，如图 5 所示用续流二极管D₂与C₁、R₀来抑制因为C₁、L₁、R_L、L₂、L₃阻尼不够而出现的振荡，阻尼消除C₁上的反向脉冲电压。同时，利用V₁、R₁、R_L、L₂ 、L₃、V₁、R₁、L₄两条充电回路对C₁的充电延迟，来使D₂软恢复反向关断。运用L₄来实现反向触发脉冲对负载R_L延迟隔离。这里需要D₂的阻断电压V_DIOD>KsV_RSDD (K_s=1.2，V_RSDD为断态重复电压)，即为RSD堆的K_s倍。相对国外典型RSD触发方式的脉冲电源，这种改进将对脉冲电源的输出波形和RSD触发开通效率有较大改善。

    该方式的触发电路的触发脉宽是9由IGBT进行控制的。RSD上端电压的翻转是通过C₄上端电压的翻转来实现的，脉冲变压器的设计前面已论述过了，图 5 中方框内的部分是该脉冲电源的触发部分，图 6 为RSD端电压翻转式触发的等效电路。IGBT驱动脉冲变压器的参数选择可参考文[12]、[13]。

5  实验结果、仿真与分析
        图 7 (a)所示是磁开关开通延迟时间与RSD反向触发电流持续时间配合较好的情况，其上端压较大时(延迟时间短)，RSD完全开通了，流过RSD电流波形清晰；图 7 (b)较图 7 (a)的波形中磁开关的延迟开通时间较长，使得RSD开通滞后了，从而增加了反向触发的能量，降低了RSD触发开通效率与速度。

    图 8 是管芯、直径为f20mmRSD脉冲电源的输出电流波形。图8(a)是图5 中RSD端电压翻转式触发开通的脉冲电源输出电流波形，图8(b)是输出仿真电流波形，从两图可看出，二者基本接近。图8(a)的电流上升沿的后半段出现上升率下降和峰值较仿真的小的情况，这主要是磁开关的磁心体积不够造成脉冲前沿压缩不充分，而仿真时却没有考虑这些。从二图也看出，主回路放电脉冲电流峰值已超过10kA，di/dt已超过2.1kA/ms。从图 8(b)可知，经阻尼衰减设计后，只出现很小的反向振荡波形。
    图 9 是触发电路输出试验电压波形与仿真电流波形。从仿真波形看，其触发电流峰值已达120A以上，脉宽约为1.5 ms；与实测脉宽约2ms比较接近，而其触发效果是看反向脉冲电流及其脉宽，因此该触发电路已达到高效触发RSD的要求。

    图10(a)是直接注入反向电流触发RSD开通时的负载端电压波形，磁开关匝数为10匝，非饱和自感约为10mH，主电容上电压为1.68kV。图10(b)是间接注入反向电流触发的负载端电压波形，脉冲变的原边与副边匝数均为5匝，非饱和自感为2.58mH，副边饱和自感小于1mH。由于负载电阻较小，在RSD开通后，电源输出波形出现反峰振荡。从而使得输出主脉冲效率较低。谐振式反向电流注入式触发RSD的脉冲电源输出波形与图 10(a)、(b) 类似的反向振荡问题。图11是负载不同负载上电压的波形图，显然负载电阻大时，几乎看不到反向振荡脉冲； 相反负载电阻较小时， 却引起振荡。这正符合阻尼的条件： 此处R_L即为阻尼电阻。这说明，不论运用哪种触发方式，只要RSD正常开通，在主回路参数不变的情况下，脉冲电源的输出波形几乎相同。

6  结论
        本文通过对RSD端电压触发方式在脉冲电源应用电路中的关键元件的设计，提出了反向注入电流脉宽与磁开关延迟时间的配合原则。运用阻尼衰减模型的设计方法有效抑制了主回路放电振荡。提出LC磁脉冲压缩回路在RSD端电压触发方式的脉冲电源中的设计方法。用试验与仿真证明了在脉冲电源的设计中运用RSD端电压触发方式提高触发效率的正确性。另外，对RSD端电压触发电路进行了专门设计，并进行了试验与仿真验证。证明了无论采用哪种触发方式实现RSD的开通，主回路的参数设计都遵循阻尼条件。试验验证了通过f20mm的RSD开关的峰值电流超过10kA，di/dt已达2.1kA/ms，输出单脉冲功率已达3.6TW，但这不是极限值。用RSD端电压触发方式实现的脉冲电源便于实用化、更容易控制，适合于RSD在较高重复率的高压脉冲电源中的应用。

参考文献

[1]   Thomas F, Podlesak F M, Simon,et al. Single shot and burst repetive operation of  thyristors for electic launch applications [J]. IEEE Transactions on Magnetics. 2001,37(1)：385-388.
[2]    Schneider S， Podlesak T F. Rererse switching dynistor pulsers[A]. in Digest of Technical Papers, 12th IEEE International Pulsed Power Conf[C].Monterey, CA, June 1999：214-218.
[3]   Greenwood M , Gowar J, Grant D A. Integrated high repetition rate pulse compressor design[A]. IEEE 8^th International Pulsed Power Conf[C]. 1991：750-753.
[4]   王又青, 郭松华, 李再光, 等(Wang Youqing,Guo Songhua, LI Zaiguang, et al). 准分子激光器脉冲磁压缩开关的设计分析(Design of magnetic switch for excimer laser)[J]. 激光技术(Laser Technology)，1996，20(2)：9-13.
[5]   席自强，周克定, 辜承林 (Xi Zhiqiang, Zhou Keding, Gu Chenglin).基于模拟退火算法的三相五柱变压器铁心优化设计(The optimal design of a 3－phase 5-limb transformer core based on simulated anealing agorithm method)[J].中国电机工程学报(Proceedings of the CSEE)，2001，21(5)：90-94.
[6]   Robert W. Erickson，Dragan Maksimocic. Fundmentals of power electronics(Second Edition)[M].University of Colorado，2001.
[7]   李永中, 张建德, 李传月卢, 等(Li Yongzhong, Zhang Jiangde, Li Chuanlu, et al). 高压强流脉冲变压器(Pulsed transfor－mer with high voltage and intense current)[J]. 国防科技大学学报(Journal of National University of Defense Technology)，2001，23(1)： 110-113.
[8]   潘龄鹤，曹德彰，侯慕华，等(Pan Linghe，Cao Dezhang, Hou Muhua, et al). 脉冲变压器自偏置复位电路(The selfbias reseting circuits of pulsed transfoemer)[J].原子能科学技术(Atomic Energy Science and Technology)，2001，35(4)：373-374.
[9]   Grekhof I V, Mega ，Gigawatts-ranges.Repetition mode semiconductor closing and opening switches[A]. IEEE 11^th International Pulsed Power Conf[C]. 1997：425-429.
[10]  樊宽军, 冯光耀，裴云吉，等(Fan Kuanjun,　Feng Guangyao, Pei Yunji, et al). 快速电流脉冲发生器的设计(Design of celerity current pulsed generator)，原子能科学技术(Atomic Energy Science and Technology)，2001，35(4)：305-309.
[11]  王海强, 庄国臣, 曹延杰, 等(Wang Haiqiang, Zhuang Guochen,Cao Yanjie, et al). 两级锥形磁通压缩脉冲电源的理论研究与试验分析(Theoretical analysis and experimental study on two cascade EMCG generator)[J].中国电机工程学报(Proceedings of the CSEE)，2000，20(1)：77-81.
[12]  山，张立(Li Shan,　Zhang Li). IGBT极限电流与通态极限功耗的研究(Research on IGBT limiting current and on-state limiting power loss)[J].中国电机工程学报(Proceedings of the CSEE)，1999，19(6)：47-51.
[13]  郭胜强, 吴曙明，杨永青，等(Guo Shengqiang，Ｗu Shuming,Yang Yongqing, et al). IGBT驱动脉冲变压器工作过程分析及参数选择(The analysis of the working process of the IGBT’s driving pulse transfomer and the choice of parameters)[J].电焊机(Electric Welding Machine)，2001，31(8)：26-28.