脉冲功率电子学概述.ppt

脉冲功率电子学,张明，男，1980年出生，博士，华中科技大学副研究员。1998-2008年在华中科技大学电气与电子工程学院学习，获工学和管理学学士学位（2002）、脉冲功率与等离子体方向工学硕士学位（2005）、脉冲功率与等离子体方向工学博士学位(2008) 。 参加在研的或完成的国家973计划项目等重大科研项目6项，主持国家自然科学基金青年基金项目项，教育部博士点基金项，横向开发项目项。 现在电气学院聚变与等离子体物理研究所工作，负责J-TEXT托卡马克装置工程技术部分的工作，主要从事聚变装置大功率电源系统设计及控制技术、脉冲功率与等离子体技术及应用、聚变装置辅助加热技术等聚变相关工程技术的研究。 联系方式：63297459（小灵通），87793005-6017（办） 办公地点：东十五楼317,什么是脉冲？,在短时间内突变，随后又迅速返回其初始值的物理量。,脉冲,脉冲技术,低电压小功率脉冲技术,高电压大功率脉冲技术,脉冲技术,脉冲功率,广义的,电压，功率,狭义的,狭义的脉冲技术，随着无线电、通讯和计算机技术的发展，已经有相当长的发展和应用历史，现在已经成为一门十分完整的先进科学技术。(传统的),脉冲功率,从上世纪70年代后期，随着核物理技术、电子束、加速器、激光、放电理论和等离子体技术等的研究和日益广泛的应用，脉冲功率技术才得到重视和迅速的发展。,脉冲功率技术，则是一门新兴的技术。,脉冲功率,脉冲功率（pulsed power）：意思是以脉冲形式出现的功率（单位时间能量）。 将电能慢慢地高密度储存起来，然后脉冲地短时间快速释放出来，从而获得巨大脉冲功率。,本课程所讲的脉冲功率，是把能量高密度地慢储存起来，然后脉冲地短时间快速释放而产生的高功率电脉冲。,本课程讲授内容,1.脉冲功率技术概要 2.脉冲功率储能技术 3.高功率开关技术 4.脉冲功率绝缘 5.脉冲成形技术 6.脉冲测量技术 7.脉冲功率技术应用,教材及参考书,选用教材 李正赢，脉冲功率技术，水利电力出版社，1992 主要参考书 王莹，高功率脉冲电源，原子能出版社，1991 Pai S.T., Qi Zhang， Introduction to high power pulse technology， Singapore : World Scientific, 1995 刘锡三，高功率脉冲技术，国防工业出版社，2005 H.Bluhm著，江伟华、张弛译，脉冲功率系统的原理与应用，清华大学出版社，2008,第一章 脉冲功率技术概要,什么是脉冲功率技术 脉冲功率技术是研究产生各种强电（准确波形的纳秒高压）脉冲功率输出的发生器系统及其相关技术。,第一节 脉冲功率技术的发展,ms,us,ns,激光、粒子束、等离子体、强磁场、强电场、EM 枪、微波等,0.1MW,10MW,1000MW,什么是脉冲功率技术？,脉冲功率的实质是将脉冲能量在时间尺度上进行压缩，以获得在极短时间内（20-100ns）的高峰值功率输出。 由初始储能技术（电容器储能、电感器储能、超导储能、机械储能、化学储能、核能等）产生所需的初级脉冲波形（毫秒到微秒量级），然后再利用脉冲成形和开关技术，在在时间尺度上通过对能量的脉冲进行压缩、整形，实现输出脉冲峰值功率的放大，并输出到负载，为高科技装置和新概念武器提供强电脉冲功率源。 强电脉冲功率源系统及其相关技术均属脉冲功率技术的研究范畴。,脉冲功率的主要技术指标有： 电子能量、束流大小、脉冲宽度、束流功率、总能量等。 脉冲功率技术创造和挑战物质世界的电磁极限，参数上一直有所突破。所以给出脉冲功率技术参数的严格界定比较困难，但经验上认为脉冲功率技术的参数范围为： 电子能量：0.3-15MeV 束流大小：1kA-25MA 脉冲宽度：20-100ns 束流功率：0.1-100TW 总能量：1kJ-15MJ,脉冲功率技术的参数,除能量和功率外，脉冲波形本身参数还有： 上升时间、下降时间、脉冲宽度和平顶的波纹度等。 上升时间：电压峰值从10%上升到90%所需要的时间。 下降时间：同理。 上升时间和下降时间主要依赖于负载阻抗。 脉冲宽度： 定义不明确，有的定义为脉冲最大值的50%处的时间宽度，也有定义在幅值的90%处的时间宽度。,脉冲波形本身的参数,脉冲压缩是一个瞬态快速过程，而不是稳态过程。脉冲功率电路大都可归结为集中参数或分布参数电路过程来分析。 产生高电压和大电流，装置的设计和布局、绝缘与开关特性，都特殊考虑和设计。 极高的瞬时峰值功率。例如Aurora装置，脉冲功率为当时世界发电总量的10倍，但其总的能量不过相当于几个手榴弹。,脉冲功率系统的运行特点,脉冲功率特点,慢充电储能，快放电； 在许多情况下，脉冲的幅值更高； 输出脉冲功率大； 脉冲上升时间更短，脉宽更小； 在许多情况下，需要输出重复脉冲； 回路元件多，加工工艺要求高，总体结构复杂 负载多样性，复杂性,本质还是C、R、L之间的配合得到符合要求的波形 还要加上S（switch）的配合 由于追求极限，因此对C、R、L、S提出了苛刻的要求，比如极大的C、极小的L、性能苛刻的S。 如同跑步，普通人运动员世界记录100米5秒？,脉冲功率技术优势,非线性 开关的非线性、负载的非线性、利用非线性效应应用于脉冲功率技术 时间隔离 脉冲作用时间小于物体固有的时间常数（冷处理、 快电场作用、快电磁效应） 高效 开关具有负电阻特性，功率越高，损耗越小 绝热 同样峰值功率输出，脉冲功率体积小（绝缘耐压高、热效应小）,脉冲功率发展的动力,脉冲功率技术是由于国防科研需要而开始发展起来的一门新兴科学技术，近40年来，高功率脉冲技术的迅速发展非常引人注目。目前，已经能够获得在很短时间（20-200ns），产生数兆电子伏，高达数十兆安培量级的强流电子束或离子束。在国防科研、高新技术研究和民用工业等领域中有着越来越广泛的重要应用。,Paul Robinson，圣地亚国家实验室的主任在美参议院武装力量委员会听证会上的发言： 圣地亚实验室是NNSA所属的三大国家实验室之一，负责进行核武器的研究和开发。圣地亚的工作是对核弹头上几乎所有的非核子系统进行设计、开发、鉴定和确认。我们的工作范围包括保险系统、引信系统和点火系统；安全、保安和使用控制系统；对核武器制造和拆卸工程的支持； 为军方提供现场支持，以及对库存核武器进行监测和提供支持。我们为有关核武器的计划进行实际工作，包括情报、不扩散和条约核查技术。作为一个有着多计划的国家实验室，圣地亚不仅为DOE的能源和科学办公室进行研究和开发工作，而且在我们的特殊能力能够作出重大贡献时，我们还为美国其它国家安全机构工作。,脉冲功率技术项目维护我们设计各种脉冲功率驱动器的能力，其范围从用于伽玛射线与X射线照相术的高抗阻加速器到用于Z箍缩的高功率驱动器。 NNSA(国家核安全局)的Z加速器建在圣地亚国家实验室，已证明它对核武器库存管理项目而言是一台重要而独特的设备。Z加速器目前仍然是世界上功率最强大、能量最高的X射线源，在核武器的初级和次级、动力学材料、核生存能力和惯性约束聚变方面，Z加速器支持着NNSA的活动。 Z加速器在未来很多年都将是美国最具能力的设施，它为研究核爆炸现象产生所需的高能量密度环境。,杜祥琬中国工程院副院长 核武器物理和工程发展的过程中，形成了一个新兴的交叉学科高能量密度物理学。 广义地，“高能量密度”是指能量超过1011J/m3，或压力超过1兆巴，温度超过400ev，电磁波强度超过31015w/cm2的物质状态； 在核武器物理领域，“高能量密度”特指温度超过103ev，压力超过107atm，高密度的物质状态。,进行高能量密度物理研究的装置包括： 激光惯性约束聚变装置 基于脉冲功率技术的Z箍缩装置 长脉冲（s）功率装置,中国环流器2号,真空室放电照片,J-TEXT主要设计参数 等离子体大半径 R=1.05 m 等离子体小半径 a=0.30 m 等离子体电流 IP=350 kA 纵场场强 BT=3 T 电子密度 ne=3x1013 cm-3 中心电子温度Te0=1keV,HCN 远红外干涉仪,软X射线阵列,PCB 罗科线圈,建成了多套等离子体诊断系统。,多道软X射线探测器阵列 软X射线能谱 热辐射阵列 电磁测量系统 朗谬探针与马赫探针阵列 多道Ha测量 CCD相机 光栅光谱仪 2mm微波干涉仪7道HCN远红外激光干涉仪,J-TEXT托卡马克装置已成功放电实验运行，可以为项目的开展提供很好的支撑。,等离子电流超过200kA，脉冲时间400ms。,脉冲功率的发展历史,1938 年，美国人Kingdon 和Tanis第一次提出用高压脉冲电源放电产生微秒级脉宽的闪光X 射线； 1939 年，苏联人制成真空脉冲X 射线管，并把闪光X 射线照相技术用于弹道学和爆轰物理学实验。他们用高压脉冲电容器并联充电串联放电方式来获得较高电压脉冲。 第二次世界大战期间，企图用于军事的电磁炮和其他研究再度兴起，它们也促进了脉冲功率科学技术的形成和发展。 20 世纪60 年代是脉冲功率科学技术迅猛发展并形成单独学科的黄金时代。这期间，由于对核爆炸有关效应的模拟和粒子束惯性约束核聚变的研究，需要大功率的强流粒子束加速器，1962年J.C.Martin把40年代发明的Blumlein线和更早的冲击电压（Marx）发生器结合起来，从而把脉冲宽度从微秒级压缩到几十纳秒，为脉冲功率学科的形成奠定了基础。,脉冲功率的发展历史,1986年建成的PBFA-II 装置，其峰值电压为12MV、电流8.4MA、脉宽40ns，其二极管束能为4.3MJ，脉冲功率1014W，它是世界上第一个功率闯过100TW 大关的脉冲功率装置。 1976 年起由美国电气与电子工程师学会（IEEE）每两年组织召开一次国际脉冲功率会议（IEEE Pulsed Power Conference）。脉冲功率在现代科学和技术中的十几个领域有着应用潜力，并成为新概念（电磁）武器基础。 中国从20 世纪60年代也建成了各种大型脉冲功率装置，并形成了一支强大的脉冲功率科学队伍，还设立了脉冲功率技术学科。,脉冲功率发展历史,Cold War time 1950年， fusion 1960年代，核爆炸实验,脉冲功率发展里程碑,1962年， 英国AWRC, J.C. Martin， 发展了 Marx+Blumlein， ns量级 1967年， USA, Sandia， 高功率粒子束，10MV,100KA,80ns 1972年，USA, Hary Diamond 实验室，AURORA,14MV, 1.6MA,120ns 1978 年，USA, Sandia， PBFA-I , Fusion, 30TV, 1MJ 1986年, USA, PBFA-II, 12MV, 8.4MA, 40ns, 1014 W 1985年，俄罗斯， Kalchatov，Fusion， 2MV,40MA,90ns 中国， 1979, 西南物理研究院，6MV,100KA,80ns， 闪光 I 号 1995，合肥，30GW,500KA, FUSION 1980，中国工程物理研究院，星光1，星光2，神光3 西北核技术所，闪光2，1MA, 1MV, 相对论电子束加速器 国防科大，微波 华中科技大学,五大发展历程,布鲁姆莱因传输线的应用，开创了脉冲功率的新纪元。 以“水”代“油”，即和高纯度去离子水取代变压器油作为传输线的绝缘介质，发展了低阻抗型强流电子束加速器。 多台装置并联运行。由于激光触发开关和磁绝缘传输线的应用使得多台装置并联运行成为可能。 感应加速腔技术。结合了脉冲功率和加速器技术。 重复频率运行装置的发展。,发展态势,IEEE International Pulsed Power Conference, USA IEEE Pulse Modulation Conference , USA IEE Pulsed Power Symposium，欧洲 High current electronic conference ，俄罗斯,http:/www.pulsed-power.de ,脉冲功率被美国国防部、能源部列为21项关键技术 主攻领域： 1、 高功率重复脉冲微波武器 2、电磁发射 3、高功率激光武器 4、电子束、粒子束武器 5、核爆模拟（Zpinch，激光核聚变） 6、各方面工业应用 我国十分重视脉冲功率发展 国家自然科学基金 国防预研基金,第二节 脉冲功率系统,能量压缩的概念 空间压缩（磁通压缩，提高比储能） 时间压缩（提高比功率）,脉冲功率系统结构,脉冲功率系统结构,储能及脉冲发生技术 储能技术（储能的方法，充能的方法），脉冲发生技术 脉冲压缩及成形系统 脉冲成形技术，开关技术 负载及应用系统 脉冲功率的负载，脉冲功率的应用技术 脉冲功率测量技术 脉冲高电压，大电流的测量技术,初始能源,电能（电容器，电感，超导） 机械能 （电机） 化学能 （火药，蓄电池） 核能,初始能源和中间储能,火药：220 kJ/g 核能：104 MJ/g,脉冲成形,电容器（脉冲陡化） 电感（磁压缩开关） 变压器（升压，脉冲变换） 传输线 PFN（Pulse Forming Network） 开关 闭合开关，断路开关 气体开关，固体开关，等离子体开关，机械开关 单次放电，重复脉冲 自击穿，外击穿,研究方向,高重复频率 高可靠性、 长寿命 高稳定性 电源系统小型化 高效率 多种应用,第三节 脉冲功率应用,高功率脉冲功率技术是当前国际上很活跃的前沿高科技之一。它的关键是高压纳秒脉冲技术、高功率离子束的产生和应用技术。,产生强流粒子束，包括电子束、离子束和中子源。 产生强脉冲电磁幅射，包括射线（或伽马射线）、高功率微波（）、超宽带辐射（）、电磁脉冲（）、相干光源（从红外到紫外）等。 直接产生强电脉效应，包括强磁场、强电场、电磁炮、内爆等离子体