S-5N全固态重复频率脉冲发生器.

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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

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—

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。

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