百兆瓦級反向開關(guān)晶體管脈沖功率組件及其水下脈沖放電研究

尚 超 劉云龍 董義華 張雪原 張玉芝

百兆瓦級反向開關(guān)晶體管脈沖功率組件及其水下脈沖放電研究

尚 超 劉云龍 董義華 張雪原 張玉芝

（濰坊學(xué)院信息與控制工程學(xué)院，山東 濰坊 261061）

基于反向開關(guān)晶體管的工作原理，設(shè)計了水下脈沖放電系統(tǒng)。根據(jù)負載擊穿特性，首次提出不使用磁開關(guān)阻斷主電壓的設(shè)計思路，這提高了主電流上升率。確定了實驗參數(shù)，并進行了放電實驗。實驗過程可見，在擊穿過程中，負載相當于一阻值很小的電阻，且擊穿過程有一個時間延遲。在12kV主電壓和4kV預(yù)充電壓下，負載擊穿時間約為25ms；反向開關(guān)晶體管預(yù)充電流峰值為397A，脈寬為3ms；主電流峰值為6.5kA，脈寬為5ms，d/d為3.2kA/ms。

脈沖功率；負載；水下放電；反向預(yù)充

0 引言

近些年，隨著發(fā)展全球化，恐怖主義也由原來的陸地和近太空向陸海空全面縱深。相對于陸地和近太空，水下防護一直是安全防護的薄弱環(huán)節(jié)。2000年10月，美國海軍“科爾號”驅(qū)逐艦在也門亞丁灣遭到自殺式爆炸襲擊，造成20名水兵死亡和近20億美元的修復(fù)費用，此事件引起了西方各國對水下防護的足夠重視。除此之外，一些重要的活動、集會場所也需要水下防護，在此大背景下開展該技術(shù)的研究有重大意義。另外，20世紀50年代，蘇聯(lián)科學(xué)家Yutkin發(fā)現(xiàn)了水的“液電效應(yīng)”，即在水中進行高壓脈沖放電可以產(chǎn)生高強度的壓力波。利用這一原理，德國科學(xué)家在20世紀80年代研制出了沖擊波碎石機并成功用于人體內(nèi)碎石。21世紀初，國內(nèi)學(xué)者盧新培等提出了等離子體聲源的思想，水下脈沖放電是目前研究較為廣泛的水下應(yīng)用技術(shù)之 一[1-4]。本文首次提出將新穎的脈沖功率器件反向開關(guān)晶體管（reversely switched dynistor, RSD）應(yīng)用于水下脈沖放電系統(tǒng)，設(shè)計放電電路，并研究系統(tǒng)的放電規(guī)律，得到電路結(jié)構(gòu)及電路參數(shù)。

1 RSD基本結(jié)構(gòu)及工作原理

如圖1所示，RSD包含數(shù)萬相間排列的晶閘管單元和晶體管單元，其特微尺寸均小于器件的n基區(qū)厚度。所有單元的集電結(jié)為共有，用來阻斷外加在器件上的正向電壓，它們共有的還有n+-p發(fā)射結(jié)，是由靠邊的盡可能高摻雜的n+層與次高摻雜的p層構(gòu)成。當外加電壓極性作短時逆轉(zhuǎn)，各晶體管單元的低壓n+-p發(fā)射結(jié)被反向偏置并被擊穿，內(nèi)涵二極管的中間集電結(jié)變?yōu)檎蚱?，此時每個元件流過脈沖電流，此電流為RSD提供反向預(yù)充，同時向各單元共有的n基區(qū)從不同方向注入電子和空穴，從而在n基區(qū)靠近p區(qū)附近形成一均勻分布的等離子體層，該等離子體層為器件流過正向脈沖電流提供通道[5-10]。

圖1 RSD基本結(jié)構(gòu)及工作原理示意圖

根據(jù)器件結(jié)構(gòu)特點，建立其工作過程的數(shù)學(xué)模型

式中：(,)為剩余等離子體濃度；d為n基區(qū)的摻雜濃度；=n/p為弱電場中電子與空穴遷移率的比值；()為流過等離子層的電流密度。

以上分析可見，RSD的工作過程分反向預(yù)充和正向?qū)▋刹絒11-13]。開關(guān)S閉合，反向電壓加到RSD，主電壓由磁開關(guān)MS隔離[14]，預(yù)充電容2通過RSD放電，預(yù)充電流流過RSD，一段時間后，器件預(yù)充結(jié)束，同時磁開關(guān)飽和，主電容1通過RSD對負載放電，形成電流脈沖[15]。

根據(jù)式（1）及RSD導(dǎo)通后等效一pin二極管，得到用臨界預(yù)充電荷描述的開通條件

2 實驗原理及結(jié)果討論

圖2為實驗用負載結(jié)構(gòu)示意圖。

圖2 水下脈沖放電負載結(jié)構(gòu)示意圖

負載有陰、陽（K、A）兩極，兩極間距約為1.6mm（根據(jù)需要，間距大小可調(diào)），工作原理為擊穿放電[16]。工作時負載完全浸沒在海水中，當在其兩極間施加一高電壓，負載被擊穿，繼之流過大電流，產(chǎn)生強大的海水沖擊波（即水下脈沖放電）。

結(jié)合某工程應(yīng)用，為得到足夠的水下放電脈沖，對負載電流的要求是：峰值不小于6kA，脈寬5～6ms，上升率不小于2kA/ms，且要求用低壓控制高壓。

2.1 負載擊穿特性

圖3 負載擊穿電壓特性波形圖

圖4 負載擊穿電流特性波形圖

圖3和圖4所示的電壓、電流特性曲線顯示，負載的擊穿并不是瞬間完成，而是需要一個時間延遲，且在擊穿過程負載相當于一個阻值很小的電阻，該阻值與負載所處海水鹽度及環(huán)境溫度等有關(guān)。多次實驗以及分析得到，在6kV初始電壓下，負載的擊穿過程可分為4個階段，如圖5所示。

圖5 負載擊穿過程示意圖

圖5中的先導(dǎo)擊穿過程對應(yīng)微氣泡膨脹、延展過程；預(yù)擊穿過程對應(yīng)著對微氣泡注入能量，該能量主要用來對通道周圍的水加熱；劇烈放電過程對應(yīng)著氣泡溫度急劇上升。上述說明負載的延時擊穿特性與磁開關(guān)特性相似。

2.2 實驗方案及電路參數(shù)的確定

綜合考慮實驗要求，選定實驗方案如圖6所示。

圖6 水下脈沖放電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖

圖6所示的脈沖功率電路可以分為3個部分：

1）觸發(fā)回路。由電容0、晶閘管VT以及變壓器一次側(cè)構(gòu)成。

2）預(yù)充回路。由變壓器二次側(cè)、RSD以及電容2構(gòu)成。

3）主放電回路。由電容1、RSD以及負載構(gòu)成。

負載擊穿過程類似磁開關(guān)，故可以考慮用負載代替部分或全部磁開關(guān)來隔離主電壓，這使磁開關(guān)的使用量大大減少，減小了主電路的寄生電感，從而增大了主電流上升率，而此時磁開關(guān)的作用不再是延時，而是阻止RSD的預(yù)充電流從負載回路流走。

此方案中，主電壓通過RSD放電的同時，電容2也在通過RSD放電，變壓器一次側(cè)的感應(yīng)電流通過二極管VD給電容0充電，電容0又通過還未來得及關(guān)斷的晶閘管VT和變壓器的一次側(cè)放電，該電流又在變壓器的二次側(cè)感應(yīng)一電壓，該電壓通過RSD又給電容2充電，然后再次重復(fù)上述的過程，這樣RSD一直處在開通→預(yù)充→開通不斷重復(fù)的狀態(tài)，在此過程的任何時刻，主電壓可以通過RSD對負載放電，繼而形成負載脈沖電流。

2.3 實驗結(jié)果及分析

按照圖6電路進行實驗，得到負載電壓曲線如圖7所示。

圖7 12kV主電壓下負載擊穿特性

從圖7電壓曲線可見，在12kV主電壓和4kV預(yù)充電壓下負載擊穿時間約25ms，負載電壓上升和下降曲線平滑。實驗還得到了RSD的預(yù)充電流及負載電流波形，分別如圖8和圖9所示。

圖8 RSD預(yù)充電流波形

圖9所示為流過負載的電流波形，可見在既定參數(shù)下，負載電流峰值為6.5kA，脈寬約為5ms，上升時間約為2ms，最大電流上升率為3.2kA/ms。將結(jié)果對比工程指標，達到要求。

圖9 負載電流波形

圖8所示波形中，由于電流有了通路，待預(yù)充完畢，RSD馬上進入開通狀態(tài)，此后的RSD處在預(yù)充→開通→預(yù)充不斷重復(fù)狀態(tài)，開通電流即為電容2的放電電流。第一個波形對應(yīng)的預(yù)充電流幅值為397A，脈寬為3ms；2第一個放電波形對應(yīng)電流幅值為248A，脈寬為3ms。

為便于比較，現(xiàn)列寫出采用傳統(tǒng)方式（晶閘管作放電主開關(guān)）得到的相關(guān)數(shù)據(jù)，具體見表1。

表1 傳統(tǒng)方式得到的負載電流參數(shù)

由表1中數(shù)據(jù)可以看出，采用傳統(tǒng)方式放電，電路等效電阻普遍較大，約為2.7W左右，而采用RSD作主開關(guān)時，電路等效電阻約為1.8W左右，在主電壓同樣為12kV時，采用傳統(tǒng)放電方式，得到的主電流峰值僅為5kA，僅為本文得到的峰值電流的76.9%，且電流上升率也比本文得到的小很多，相較傳統(tǒng)放電方式，本文的放電方式的電流峰值更大，效率更高。

3 結(jié)論

基于RSD的優(yōu)越性能，本文設(shè)計了水下脈沖功率放電系統(tǒng)，提出了一種減少磁開關(guān)數(shù)量的電路方案，該方案不同于傳統(tǒng)RSD放電電路。針對放電過程出現(xiàn)的問題，優(yōu)化了電路結(jié)構(gòu)，利用二極管單向?qū)щ娦?，讓RSD一直處于“導(dǎo)通→預(yù)充→導(dǎo)通”狀態(tài)，弱化了主電壓放電的時間要求，且通過串入電容，提高了主電流利用率。

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Study on megawatt class pulse power module of reversely switched dynistor and its application in pulsed discharge under water

SHANG Chao LIU Yunlong DONG Yihua ZHANG Xueyuan ZHANG Yuzhi

(Department of Information and Control Engineering, Weifang University, Weifang, Shandong 261061)

An underwater pulse discharge system was designed based on the principle of reversely switched dynistor. It was put forward that the main voltage was not blocked without using magnetic switch, which increased the rise rate of main current. The experimental parameters were determined and discharge experiments were carried out in paper. We can see in experiment that the load is equivalent to a small resistance, and there is a time delay in breakdown process. Breakdown time of the load is about 25ms; the peak precharge current is 397A and the pulse width was 3ms; the peak current of load was 6.5kA, pulse width was 5ms, d/dwas 3.2kA/ms under the main voltage of 12kV and the precharge voltage of 4kV.

pulse power; load; discharge under water; reverse charge

山東省自然科學(xué)基金資助項目（ZR2017QF011）

濰坊市科技發(fā)展計劃資助項目（2018GX017）

2020-06-04

2020-07-08

尚 超（1979—），男，博士，主要研究方向為電力電子及脈沖功率技術(shù)。