基于硅堆的猝發(fā)高壓脈沖源初步實(shí)驗(yàn)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(xué)與技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，四川 綿陽 621900）

作為一種高速輻射攝影系統(tǒng)，閃光X光機(jī)被應(yīng)用于研究各種沖擊加載下物質(zhì)內(nèi)部結(jié)構(gòu)的瞬態(tài)現(xiàn)象，如彈丸在膛內(nèi)的運(yùn)動，破甲射流的形成及對目標(biāo)的侵徹過程 ，帶殼戰(zhàn)斗部破片的形成 ，炸藥及火工品的爆炸過程及結(jié)構(gòu)設(shè)計等方面的研究等[1]。

近年來，隨著流體動力學(xué)研究的深入，迫切需要發(fā)展最高重頻達(dá)到10 MHz以上的閃光照相X光機(jī)，以使X光機(jī)的應(yīng)用從定性向定量或半定量轉(zhuǎn)變[2-5]。其中，實(shí)現(xiàn)高重頻的脈沖功率驅(qū)動源是關(guān)鍵技術(shù)之一。

硅堆是由若干個二極管集成制成的單向?qū)ㄆ骷Ｗ鳛槌跫夒娫吹恼髌骷谥绷飨缕渥畲髮?dǎo)通電流往往不超過數(shù)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(guān)斷能力，探索了一種基于硅堆隔離的高重頻高壓多脈沖產(chǎn)生方法，通過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了該方法的可行性。

圖1 半導(dǎo)體開關(guān)性能Fig.1 Characteristics of semi-conductor switches

1 基本原理

實(shí)現(xiàn)高重頻脈沖功率源的關(guān)鍵是高重頻大功率開關(guān)器件。傳統(tǒng)的氣體開關(guān)雖然功率容量大，但絕緣恢復(fù)時間長；MOSFET重復(fù)頻率可以達(dá)到數(shù)MHz，但耐壓低，往往需要大量串并聯(lián)使用，使系統(tǒng)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(dǎo)體斷路器件SOS的脈沖功率源最大功率已經(jīng)達(dá)到了數(shù)GW，但其重頻在KHz量級。基于這些開關(guān)器件都難以實(shí)現(xiàn)MHz以上高壓高重頻脈沖輸出。常用的開關(guān)器件特點(diǎn)如圖1所示。

在脈沖功率技術(shù)中，常用脈沖形成線來產(chǎn)生矩形高壓短脈沖，最常見的是同軸結(jié)構(gòu)，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(zhì)[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(yù)先通過電阻R對阻抗為Z的脈沖形成線（PFL）充電至V0，當(dāng)開關(guān)閉合時，在負(fù)載上產(chǎn)生高壓脈沖的幅值為：

其中，Δt為 PFL 在負(fù)載上產(chǎn)生的脈寬，C：PFL電容，Z：PFL阻抗。

目前開關(guān)技術(shù)成為制約脈沖功率源高重頻運(yùn)行的瓶頸。在進(jìn)行半導(dǎo)體斷路開關(guān)SOS研究時，Dunaevsky[7]進(jìn)行了一系列高壓硅堆特性實(shí)驗(yàn)，獲得結(jié)論：1）硅堆反向關(guān)斷時間與泵浦電流和泵浦周期無關(guān)，由高壓二極管自身特性決定；2）脈沖條件下，硅堆正向?qū)娏髦辽龠^載100倍，若脈沖足夠短，甚至達(dá)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(guān)斷時間遠(yuǎn)小于絕緣恢復(fù)時間；5）壽命至少達(dá)到105次。根據(jù)硅堆的這些特點(diǎn)，本文采用一個大功率氣體開關(guān)，結(jié)合脈沖形成線原理設(shè)計了一個基于硅堆隔離的高重頻多脈沖高壓產(chǎn)生電路。電路原理如圖3所示。

當(dāng)負(fù)載與PFL阻抗匹配時，即RL=Z，負(fù)載電壓為V0/2。同時幅值為-V0/2de電壓入射波從PFL的負(fù)載端向始端傳播，當(dāng)該電壓波到達(dá)始端時，由于充電電阻R》Z，使得電壓波發(fā)生全反射（反射系數(shù)為+1），最終該電壓波到達(dá)負(fù)載，在負(fù)載上產(chǎn)生脈寬為PFL電長度2倍的高壓脈沖。脈寬表達(dá)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(shù)百kΩ至MΩ，遠(yuǎn)大PFL阻抗，其作用是：限流，防止高壓充電電源損壞；當(dāng)PFL的反射電壓波到達(dá)R1時，使其全反射。當(dāng)開關(guān)閉合時，T1，T2向阻抗為 Z的脈沖傳輸線 （pulse transfer line，PTL）T3，T4產(chǎn)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(jīng)過T3和硅堆D1在負(fù)載R2上產(chǎn)生幅值為V/2，脈寬為 2τ的高壓矩形脈沖。 再經(jīng)過（τ2-τ1）時延后，另一個入射電壓波通過T4到達(dá)負(fù)載，由于硅堆D1的高壓隔離，在負(fù)載上同樣產(chǎn)生幅值為V/2，脈寬為2τ的高壓矩形脈沖。據(jù)此原理，改變PTL的電長度，可以調(diào)整脈沖間隔的時間，也即脈沖的重復(fù)頻率。改變PFL的電長度，可以調(diào)整輸出脈沖的寬度。以此類推，通過增加硅堆和PFL，PTL數(shù)量，可以實(shí)現(xiàn)更多的脈沖輸出。

實(shí)現(xiàn)基于硅堆隔離的高壓產(chǎn)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(fù)載脈寬；2）所有線的阻抗必須相等，以避免波的反復(fù)折反射過程；3）硅堆D1的脈沖耐壓絕緣恢復(fù)時間必須小于（τ2-τ1-2τ），也即系統(tǒng)最高頻率由硅堆絕緣恢復(fù)時間決定；4）硅堆的脈沖反向耐壓必須高于負(fù)載電壓；5）硅堆必須具備快速的反向關(guān)斷能力，否則會使負(fù)載波形產(chǎn)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(shù)據(jù)必須通過實(shí)驗(yàn)確定。

2 實(shí)驗(yàn)與討論

為了實(shí)現(xiàn)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(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究。

2.1 脈沖大電流實(shí)驗(yàn)

對標(biāo)稱值為25 kV/10 A的某廠家整流硅堆進(jìn)行了脈沖條件下的通流測試，采用的實(shí)驗(yàn)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(fù)載為硫酸銅水電阻，開關(guān)采用自擊穿火花隙，由于硅堆為單向?qū)ㄆ骷瑸榉乐狗聪螂娏鲹p壞，增加了一個反向硅堆作為保護(hù)器件。獲得的實(shí)驗(yàn)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(tài)損耗過大，導(dǎo)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(shù)至少為736倍，當(dāng)驅(qū)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(shí)驗(yàn)

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(dǎo)致反向過壓熱擊穿[8]。實(shí)驗(yàn)研究了硅堆，硅堆與氧化鋅電阻串聯(lián)兩種電路形式的硅堆反向耐壓能力。實(shí)驗(yàn)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(dǎo)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(dāng)ZnO兩端電壓較低時流過的電流很小，呈“絕緣狀態(tài)”，而當(dāng)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(guān)中可利用ZnO熄弧以加快絕緣恢復(fù)過程，也可應(yīng)用于硅堆的保護(hù)。獲得實(shí)驗(yàn)波形如圖6所示。

圖6 硅堆耐壓實(shí)驗(yàn)電路Fig.6 Testing circuit of hold-off voltage

圖7 耐壓實(shí)驗(yàn)結(jié)果Fig.7 Waveform of hold-off voltage’s test

當(dāng)回路電流發(fā)生反轉(zhuǎn)時，兩種實(shí)驗(yàn)電路的硅堆反向關(guān)斷時間都約為200 ns，關(guān)斷后，沒有ZnO的硅堆在反向電壓的持續(xù)作用下，產(chǎn)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(zhuǎn)時ZnO承擔(dān)了大部分電壓，從而硅堆得以關(guān)斷。但由于ZnO存在正向?qū)娮瑁虼似湔驅(qū)娏飨啾葲]有ZnO的硅堆要小。

2.3 多脈沖電路實(shí)驗(yàn)

實(shí)驗(yàn)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(lián)了ZnO電阻，負(fù)載為75 Ω低感陶瓷電阻，轉(zhuǎn)換開關(guān)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(shí)驗(yàn)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(fù)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(fù)載電壓幅值略低于自擊穿電壓的一半。由于ZnO電阻的動態(tài)變化，使得負(fù)載與PTL的阻抗失配，因而電壓波發(fā)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(jié)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(nèi)硅堆D1的絕緣能力沒有恢復(fù)，使得電壓波同時向負(fù)載和T3傳遞，從而降低了負(fù)載電壓幅值。可見，普通整流硅堆不能實(shí)現(xiàn)5 MHz以上的多脈沖輸出。該實(shí)驗(yàn)結(jié)果驗(yàn)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(fù)硅堆是實(shí)現(xiàn)該電路的關(guān)鍵器件。

3 結(jié) 論

MHz以上重復(fù)頻率脈沖功率源在多幅閃光照相領(lǐng)域有重要應(yīng)用前景。在現(xiàn)有的大功率開關(guān)器件難以達(dá)到MHz以上重復(fù)頻率情況下，發(fā)展新穎電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，如基于硅堆隔離的多脈沖產(chǎn)生電路是一種有前景的技術(shù)途徑。普通整流硅堆在500 ns脈寬下電流過載倍數(shù)至少為736倍，反向關(guān)斷時間約200 ns，但反向絕緣恢復(fù)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(fā)展基于快恢復(fù)高壓二極管陣列的硅堆是實(shí)現(xiàn)該多脈沖源的關(guān)鍵，也是正在進(jìn)行的的重要研究工作。

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