S-5N全固态重复频率脉冲发生器.

第16卷第10期
2004年10月
文章编号:100124322(2004)1021337204强激光与粒子束HIGHPOWERLASERANDPARTICLEBEAMSVol.16,No.10Oct.,2004
S25N全固态重复频率脉冲发生器X
苏建仓1,2,丁臻捷1,丁永忠1,宋晓欣1,宋志敏1,秋实1,黄文华1 (1.西北核技术研究所,陕西西安710024; 2.西安交通大学电子与信息工程学院,陕西西安710049)
摘要:主要介绍S25N的结构及测试实验结果。

S25N型全固态重复频率脉冲发生器是目前国际上同类
源中峰值功率和平均功率均为最大的一台。

随负载大小的变化,S25N脉冲发生器的输出电压为400～600kV,
输出电流2～3kA,输出脉冲半高宽40～50ns,单脉冲输出能量40～65J。

S25N脉冲发生器在300Hz重复频率条
件下可连续工作,500Hz重复频率条件下可连续工作3min,平均输出功率高达
30kW。

关键词:半导体断路开关;脉冲发生器;磁开关
中图分类号:TN506文献标识码: A
西北核技术研究所从俄罗斯引进了一台基于半导体断路开关(SOS)技术[1～8]的S25N型全固态重复频率脉冲发生器。

S25N脉冲发生器是目前国际上同类源中峰值功率、平均功率均为最大的一台。

S25N的最大输出功率1.66GW,空载输出电压850kV,正常运行指标如下:输出电压400～600kV,输出电流2～3kA,输出脉冲半高宽40～50ns,输出电压抖动小于3%,连续运行重复频率300Hz,重复频率达500Hz条件下可运行3min,平均输出功率高达30kW,能量效率30%～35%,整机重量(含变压器油)约2.5t。

通过对S25N脉冲发生器进行测试,得到了不同负载下的输出参数、波形特征以及SOS的能量损耗,这些结果可以作为设计S25N二极管负载及机器安全运行的依据。

1S25N脉冲发生器的结构
S25N脉冲发生器由控制单元和发生器主体两部分构成,如图1所示。

S25N脉冲发生器主体长3.4m,宽1m,高1.4m,空气绝缘子长0.7m,输出法兰口径0.44m。

利用这个绝缘子,发生器可直接对空气电晕放电,图2是300Hz电晕放电时的照片。

Fig.1AppearanceoftheS25NgeneratorFig.2Pictureofcoronadischarge
图1S25N
脉冲发生器外形图2电晕放电照片
图3是S25N脉冲发生器主体部分电路原理图,由初级充电单元(PCU)、脉冲压缩器单元(MCU)、SOS及负
表1各测试点的电压及脉冲宽度载等组成。

工作过程中,每个脉冲从滤波电容提取一定Table1Voltageandpulsedurationateachcheckpoint能量,经逐级压缩,产生高电压脉冲输出。

图3中1～5
测试点电压和脉冲宽度示于表1。

L为反向泵浦电感,
增大L,输出脉冲幅度减小,脉宽增加;减小L,幅度增
加,脉宽缩短。

checkpoint123
4
5
X收稿日期:2003212226;修订日期:2004204215voltage/kVpulseduration/μs～11～134～252～405500～1000～130～18～3～0.470.04～0.06
基金项目:国家863计划项目资助课题
),男,博士研究生,主要从事脉冲功率技术研究;陕西西安69信箱26分
箱;E2mail:jcsu@。

作者简介:苏建仓(1965—
© 1995-2005 Tsinghua Tongfang Optical Disc Co., Ltd. All rights reserved.
1338强激光与粒子束第16卷
Fig.3CircuitryschemeofS25Ngenerator
图3S25N脉冲发生器电路原理图
S25N脉冲发生器使用了两个SOS模块,它们相互并联,每个模块工作电压1.2MV,截断电流4kA。

图4是其中的一个模块,泵浦电流波形如图5所示,正向泵浦电流约700A,反向泵浦电流约2400A。

Fig.4SemiconductoropeningswitchFig.5Pumpingcurrentwaveform
图4半导体断路开关(SOS
)图5SOS泵浦电流波形
图6是初级充电单元实物图,包括整流桥、滤波电容C0、初级储能电容C1、充放电电感L0,L1,L2以及晶闸管S0和S1,前级磁脉冲压缩器(PT1,C2)及直流励磁电路等部件。

主要作用是形成低压长脉冲。

这一部分置于空气中,其中晶闸管和充放电电感采用水冷却。

磁压缩器单元如图7所示,由两个脉冲变压器(PT2和PT3)、磁开关(MS)、两组储能电容(C3,C4)以及调节电感(L)等组成,其功能是压缩前级馈入的低压长脉冲,为SOS提供正反向驱动电流。

脉冲变压器PT1,PT2,磁
μμ开关MS的磁芯由20m厚的坡莫合金薄带卷绕而成,PT3的磁芯由10m厚的坡莫合金薄带卷绕而成。

Fig.6PrimarychargingunitFig.7Magneticcompressorunit
图6
初级充电单元图7磁压缩器单元
SOS模块和磁压缩器单元置于变压器油箱中,一方面,变压器油作绝缘介质使用,另一方面,通过热交换器循环变压器油带走这两部分产生的热量。

2S25N脉冲发生器输出特性
2.1不同负载下S25N的输出特性
基于SOS的脉冲发生器是一种新型的脉冲发生器,其输出电压、电流、功率等参数与负载的大小密切相关。

为此,测试了S25N不同阻值纯阻性负载下的输出特性,测试所用负载为超高频氧化膜电阻器。

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第10期苏建仓等:S25N全固态重复频率脉冲发生器1339
测试实验中,通过两组SOS和负载的电流分别由三只同轴分流器监测。

由于实验负载为纯阻性氧化膜电阻器,所以,发生器的输出电压为负载大小与通过其电流的乘积。

三路信号均由1GHz带宽数字示波器(TEKTDS684C)记录。

表2给出了S25N脉冲发生器不同负载R下的输出电流I、电压V、峰值功率P、脉冲宽度τ负载获得的能量E以及SOS开关损失的能量Es。

其中,峰值功率是通过输出电流和电压相乘得到的,FWHM、
负载获得的能量以及SOS的损耗能量是通过积分功率波形得到的。

表2中数据是重复频率10Hz条件下获得的,输出脉冲幅值的抖动小于3%。

μH)表2S25N脉冲发生器输出特性(L=2μH)Table2
OutputparametersofS25Ngenerator(L=2
R/ΩI/kAV/kVP/W
75.04.543401.5551.856.721.3
97.83.983901.5549.454.523.3
147.03.364931.6645.054.128.0
194.72.825561.5743.051.029.5
245.62.536211.5740.848.033.2
297.22.196521.4340.443.934.8
386.41.957521.4639.444.438.32
471.61.567371.1540.636.337.3
571.41.377841.0739.634.239.9
τFWHM/ns
E/JEs/J
由表中数据不难看出输出电流随负载的增大而减小,输出电压随负载增加而增加,消耗在SOS中的能量
也随负载的增大而增大。

而消耗在负载和SOS中的总能量近似相同。

也就是说,消耗在其它部件中的能量与负载关系不大。

2.2S25N输出参数的调整
Ω,重复调节反向泵浦电感L的大小,可在一定范围内调节输出电压幅度和宽度。

实验中,负载阻值为152
μH时,输出电压510kV,脉冲宽度44ns;L=3μH时,输出电压465kV,脉冲宽度频率10Hz。

当输出电感L=2
47ns。

图8给出了两种条件下的输出电压波形(用脉冲发生器本身的电容分压器测量)。

可见,增大反向泵浦电感可使输出电压降低,脉冲宽度变宽;反之,电压升高,脉冲宽度变窄。

Fig.8Outputvoltagewaveformatdifferentinductance
图8不同反向泵浦电感下的输出电压波形
2.3连续运行实验
S25N脉冲发生器是一台可连续运行的重复频率脉冲功率源,为测试其连续工作能力,使用大功率水循环
电阻作为发生器的负载。

在300Hz条件下,经60min连续运行,水负载的温度从7℃上升到46℃,高压调制器油箱油温从7℃上升到56℃并保持稳定。

这次实验共产生高达106个脉冲,充分证明了这种发生器的连续运行能
Ω降到100Ω。

在500Hz重复频率条件下,S25N以间歇模力。

实验中,由于温度的变化,水负载的阻值约从167
式(3min连续运行,10min休息)运行了3次。

另外,在300Hz重复频率条件下,对
S25N发生器还分别进行了3min的开路和短路实验,结果表明,在短路和开路状态下,发生器也可安全工作。

3结论
对S25N的测试和实验结果表明,基于SOS的脉冲功率源,可输出高达GW量级的峰值功率,几十kW的平均功率,可适用从几十Ω到开路的负载,负载恒定时,发生器的输出稳定度高;基于SOS的脉冲功率源的所有部件均为固态,工作中不需要作参数调整,操作简单,寿命长,可在较高的重复频率下连续工作。

这些优点为这种源在高功率微波、激光技术领域以及工业上的应用提供了有利条件。

我们利用
S25N脉冲发生器在无箔二极
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1340强激光与粒子束第16卷管上成功地产生了平顶宽度26ns的环形强流电子束,证明了SOS型全固态脉冲功率源可产生高品质的电子束。

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S25Nall2solid2staterepetitivefrequencypulsedgenerator
SUJian2cang1,2,DINGZhen2jie1,DINGYong2zhong1,SONGXiao2xin1, SONGZhi2min1,QIUShi1,HUANGWen2hua1
(1.NorthwestInstituteofNuclearTechnology,P.O.Box69226,Xi′an710024,China;
2.SchoolofElectronicsandInformationEngineerin g,Xi′anJiaotongUniversity,Xi′an71004 9,China)
Abstract: NorthwestInstituteofNuclearTechnologyhasimportedanSOS2basedpulsedgeneratorwithc apacityofrepetitiveoperatingfromRussia.Thegeneratorhasthehighestpeakpowerandthehig hestaveragepoweramongsimilargeneratorsaroundtheworld.Thestructureisintro2ducedan dtestingresultsaredescribedinthispaper.Withvaryingofload,theS25Ngeneratorhasoutputv oltageof400～600kV,outputcurrentof2～3kA,FWHMof40～
60nsandoutputenergyof40～
65Jperpulse.Intheconditionof500Hzrepetitiveoperating,theaverageoutputpow2erisupto3 0kW.Thegeneratorcanoperatecontinuouslyatrepetitionfrequencyof300Hzand3minat500 Hz.
Keywords:Semiconductoropeningswitch(SOS);Pulsepowersource; Magneticswitch
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