基于硅堆的猝發高壓脈沖源初步實驗研究

馬 勛 ， 李洪濤

（1.中國工程物理研究院 流體物理研究所，四川 綿陽 621900；2.中國工程物理研究院 脈沖功率科學與技術重點實驗室，四川 綿陽 621900）

作為一種高速輻射攝影系統，閃光X光機被應用于研究各種沖擊加載下物質內部結構的瞬態現象，如彈丸在膛內的運動，破甲射流的形成及對目標的侵徹過程 ，帶殼戰斗部破片的形成 ，炸藥及火工品的爆炸過程及結構設計等方面的研究等[1]。

近年來，隨著流體動力學研究的深入，迫切需要發展最高重頻達到10 MHz以上的閃光照相X光機，以使X光機的應用從定性向定量或半定量轉變[2-5]。其中，實現高重頻的脈沖功率驅動源是關鍵技術之一。

硅堆是由若干個二極管集成制成的單向導通器件，常作為初級電源的整流器件，在直流下其最大導通電流往往不超過數十安培。本文利用硅堆在脈沖條件下有較大的電流過載和快速的反向電流關斷能力，探索了一種基于硅堆隔離的高重頻高壓多脈沖產生方法，通過實驗驗證了該方法的可行性。

圖1 半導體開關性能Fig.1 Characteristics of semi-conductor switches

1 基本原理

實現高重頻脈沖功率源的關鍵是高重頻大功率開關器件。傳統的氣體開關雖然功率容量大，但絕緣恢復時間長；MOSFET重復頻率可以達到數MHz，但耐壓低，往往需要大量串并聯使用，使系統可靠性降低；IGBT功率容量比MOSFET高，但重頻最高不超過100 kHz；基于半導體斷路器件SOS的脈沖功率源最大功率已經達到了數GW，但其重頻在KHz量級。基于這些開關器件都難以實現MHz以上高壓高重頻脈沖輸出。常用的開關器件特點如圖1所示。

在脈沖功率技術中，常用脈沖形成線來產生矩形高壓短脈沖，最常見的是同軸結構，以變壓器油、純凈水或者聚四氟乙烯等材料作為絕緣和儲能介質[6]。其基本原理如圖2所示。

圖2 脈沖形成線電路原理Fig.2 Basal circuit of PFL

高壓電源預先通過電阻R對阻抗為Z的脈沖形成線（PFL）充電至V0，當開關閉合時，在負載上產生高壓脈沖的幅值為：

其中，Δt為 PFL 在負載上產生的脈寬，C：PFL電容，Z：PFL阻抗。

目前開關技術成為制約脈沖功率源高重頻運行的瓶頸。在進行半導體斷路開關SOS研究時，Dunaevsky[7]進行了一系列高壓硅堆特性實驗，獲得結論：1）硅堆反向關斷時間與泵浦電流和泵浦周期無關，由高壓二極管自身特性決定；2）脈沖條件下，硅堆正向導通電流至少過載100倍，若脈沖足夠短，甚至達到104倍；3）脈沖條件下硅堆反向耐壓可過載10倍；4）硅堆反向電流關斷時間遠小于絕緣恢復時間；5）壽命至少達到105次。根據硅堆的這些特點，本文采用一個大功率氣體開關，結合脈沖形成線原理設計了一個基于硅堆隔離的高重頻多脈沖高壓產生電路。電路原理如圖3所示。

當負載與PFL阻抗匹配時，即RL=Z，負載電壓為V0/2。同時幅值為-V0/2de電壓入射波從PFL的負載端向始端傳播，當該電壓波到達始端時，由于充電電阻R》Z，使得電壓波發生全反射（反射系數為+1），最終該電壓波到達負載，在負載上產生脈寬為PFL電長度2倍的高壓脈沖。脈寬表達式為：

圖3 基于硅堆隔離的高重頻多脈沖高壓源Fig.3 Circuit of high repetitive multi-pulse generator based on diode

高壓電源HV通過限流電阻R1對阻抗為Z，電長度為τ的脈沖形成線T1，T2充電至V，R1的阻值一般為數百kΩ至MΩ，遠大PFL阻抗，其作用是：限流，防止高壓充電電源損壞；當PFL的反射電壓波到達R1時，使其全反射。當開關閉合時，T1，T2向阻抗為 Z的脈沖傳輸線 （pulse transfer line，PTL）T3，T4產生幅值為V/2的電壓入射波，其中T3的電長度為 τ1，T4的電長度為 τ2。 在 τ1時延后，由于硅堆 D2的高壓隔離，入射電壓波經過T3和硅堆D1在負載R2上產生幅值為V/2，脈寬為 2τ的高壓矩形脈沖。 再經過（τ2-τ1）時延后，另一個入射電壓波通過T4到達負載，由于硅堆D1的高壓隔離，在負載上同樣產生幅值為V/2，脈寬為2τ的高壓矩形脈沖。據此原理，改變PTL的電長度，可以調整脈沖間隔的時間，也即脈沖的重復頻率。改變PFL的電長度，可以調整輸出脈沖的寬度。以此類推，通過增加硅堆和PFL，PTL數量，可以實現更多的脈沖輸出。

實現基于硅堆隔離的高壓產生電路必須滿足以下條件：1）（τ2-τ1）＞2τ，即兩個脈沖的間隔必須大于負載脈寬；2）所有線的阻抗必須相等，以避免波的反復折反射過程；3）硅堆D1的脈沖耐壓絕緣恢復時間必須小于（τ2-τ1-2τ），也即系統最高頻率由硅堆絕緣恢復時間決定；4）硅堆的脈沖反向耐壓必須高于負載電壓；5）硅堆必須具備快速的反向關斷能力，否則會使負載波形產生振蕩；6）硅堆可以通過脈沖大電流，由于廠家給出的是硅堆直流電流，脈沖數據必須通過實驗確定。

2 實驗與討論

為了實現基于硅堆隔離的高壓多脈沖源，對硅堆脈沖條件下的通流能力，反向耐壓，硅堆隔離的多脈沖源進行了實驗研究。

2.1 脈沖大電流實驗

對標稱值為25 kV/10 A的某廠家整流硅堆進行了脈沖條件下的通流測試，采用的實驗電路如圖4所示。

圖4 脈沖電流測試電路Fig.4 Testing circuit of pulse discharge

100 nF的脈沖電容器通過硅堆放電，負載為硫酸銅水電阻，開關采用自擊穿火花隙，由于硅堆為單向導通器件，為防止反向電流損壞，增加了一個反向硅堆作為保護器件。獲得的實驗波形如圖5所示。V（C1）指脈沖電容器電壓，I（R）指通過硅堆的電流。脈沖電容器充電至25 kV，通過硅堆的峰值電流為7.36 kA，第一峰的脈寬約500 ns。硅堆損壞的原因之一是正向電流超出容許值，通態損耗過大，導致正向過流燒毀[8]。測試的硅堆在500 ns脈沖寬度下電流過載倍數至少為736倍，當驅動X光管時，脈寬往往小于100 ns，因此在更短脈寬下，允許通過的電流會更大。

2.2 反向耐壓實驗

硅堆損壞的另一個原因是反向電壓超出容許值，反向耗散功率過大，導致反向過壓熱擊穿[8]。實驗研究了硅堆，硅堆與氧化鋅電阻串聯兩種電路形式的硅堆反向耐壓能力。實驗電路如圖5所示。

圖5 硅堆脈沖放電的電流波形Fig.5 Waveform of pulse discharge current

ZnO壓敏電阻是一種多組分金屬氧化物多晶半導體陶瓷，以ZnO為主要原料，添加多種金屬氧化物成分，采用典型的陶瓷材料工藝制成。當ZnO兩端電壓較低時流過的電流很小，呈“絕緣狀態”，而當電壓超過某臨界值后其電流隨電壓的增加而急速增大[9]。利用這一特性，氣體開關中可利用ZnO熄弧以加快絕緣恢復過程，也可應用于硅堆的保護。獲得實驗波形如圖6所示。

圖6 硅堆耐壓實驗電路Fig.6 Testing circuit of hold-off voltage

圖7 耐壓實驗結果Fig.7 Waveform of hold-off voltage’s test

當回路電流發生反轉時，兩種實驗電路的硅堆反向關斷時間都約為200 ns，關斷后，沒有ZnO的硅堆在反向電壓的持續作用下，產生反向電流，使得硅堆最終反向擊穿而損壞。由于ZnO的電阻隨電壓減小而增大，使得電壓反轉時ZnO承擔了大部分電壓，從而硅堆得以關斷。但由于ZnO存在正向導通電阻，因此其正向導通電流相比沒有ZnO的硅堆要小。

2.3 多脈沖電路實驗

實驗電路如圖3所示。充電電阻為500 kΩ，形成線T1，T2由電長度10 ns，阻抗75 Ω的聚四氟乙烯高壓電纜制成，傳輸線T3，T4由阻抗75 Ω的聚四氟乙烯高壓電纜制成，電長度分別為10 ns，190 ns。兩個硅堆分別串聯了ZnO電阻，負載為75 Ω低感陶瓷電阻，轉換開關采用的是自擊穿火花隙。獲得電壓波形如圖8所示。

圖8 基于硅堆隔離的多脈沖實驗波形Fig.8 Waveform of multi-pulse based on rectifier diodes

V（D1）指 T3輸出端，D1 輸入端的電壓；V（R）指負載電壓，脈寬約 20 ns，第一個 V（R）幅值為 7.5 kV，第二個 V（R）為5 kV，脈沖間隔時間約160 ns。火花隙自擊穿電壓約17 kV，由于ZnO電阻的分壓，負載電壓幅值略低于自擊穿電壓的一半。由于ZnO電阻的動態變化，使得負載與PTL的阻抗失配，因而電壓波發生了多次反射。第二個V（R）脈沖的幅值明顯低于第一脈沖，結合分析V（D1）的第二個脈沖波形，原因是在160 ns的時間間隔內硅堆D1的絕緣能力沒有恢復，使得電壓波同時向負載和T3傳遞，從而降低了負載電壓幅值。可見，普通整流硅堆不能實現5 MHz以上的多脈沖輸出。該實驗結果驗證了基于硅堆隔離的多脈沖高壓源電路的可行性，輸出波形與理論分析一致，快恢復硅堆是實現該電路的關鍵器件。

3 結 論

MHz以上重復頻率脈沖功率源在多幅閃光照相領域有重要應用前景。在現有的大功率開關器件難以達到MHz以上重復頻率情況下，發展新穎電路拓撲結構，如基于硅堆隔離的多脈沖產生電路是一種有前景的技術途徑。普通整流硅堆在500 ns脈寬下電流過載倍數至少為736倍，反向關斷時間約200 ns，但反向絕緣恢復時間較長，成為了制約基于硅堆隔離的多脈沖源的最高重頻的瓶頸。發展基于快恢復高壓二極管陣列的硅堆是實現該多脈沖源的關鍵，也是正在進行的的重要研究工作。

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