S-5N全固态重复频率脉冲发生器.

1、第16卷第10期2004年10月文章编号：100124322(2004)1021337204强激光与粒子束HIG HPO WERLASERAND PARTICLEBEAMSVol.16,No.10Oct.,2004S25N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

2、冲发生器的输出电压为400600kV,输出电流23kA,输出脉冲半高宽4050ns单脉冲输出能量4065J。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18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400600kV

3、,输出电流23kA,输出脉冲 半高宽4050ns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。1 S25N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

4、可直接对空气电晕放电，图2是300Hz电晕放电时的照片Fig.1 AppearanceoftheS25NgeneratorFig.2 Pictureofcoronadischarge 图 1 S25N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 Table1 Voltageandpulsedurationateachcheckpoin能量，经逐级压缩，产生高 电压脉冲输出。图3中15测试点电压和脉冲宽度示于表1。L为反向泵浦电

5、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。check poi nt12345X 收稿日期：2003212226;修订日期：2004204215voltage/kVpulseduration/11 134 2524055001000130 18 3 0.470.040.06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 Tsin ghua Ton gfa ng Op tical Disc Co., Ltd. All rights res

6、erved.HJl第16卷1338强激光与粒子束Fig.3 CircuitryschemeofS25Nge nerator图3 S25N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2400AhiphiHsiirnikli； »lh?<4c* m outiidFig.4 SemiconductoropeningswitchFig.5 Pumpingcurrentwaveform 图4半导体断路开关（SOS)图5 SOS泵浦

7、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CO、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,磁卩开关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rohhiig

8、uuliKlur亍口即np UjmJttiTTiierB、Fig.6 P rimarychargi ngun itFig.7 Magn eticco mp ressor un it 图6LS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。2 S25N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

9、器。? 1995-2005 Tsin ghua Ton gfa ng Op tical Disc Co., Ltd. All rights reserved.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 T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

10、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%。卩H表 2 S25N脉冲发生器输出特性(L=2卩H)Table2Outputp arametersofS25Nge nerator(L=2R/ Q l/kAV/kVP/W75.04.543401.5551.856.721.397.83.983901.5549.454.523.3147.03.364931.6645.054.128.0194.72.825561.5743.051.029.5245.62.536211.5740.848.033

11、.2297.22.196521.4340.443.934.8386.41.957521.4639.444.438.32471.61.567371.1540.636.337.3571.41.377841.0739.634.239.9T FWHM/nsE/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。2.2 S25N输出参数的调整Q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订时，输出电

12、压510kV,脉冲宽度44ns;L=3卩时，输出电压465kV，脉冲宽度频率10Hz。当输出电感L=247nso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.8 Outpu tvoltagewaveformatdiffere ntin ducta nee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

13、度从TC 上升到46C,高压调制器油箱油温从7C上升到56C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Q降到100Qo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Q到开路的负载，负载恒定时，

14、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? 1995-2005 Tsin ghua Ton gfa ng Op tical Disc Co., Ltd. All rights reserved.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。参考文献：1KotovYA,MesyatsGA,Ruk

15、in SN,etal.A no vel nano seco ndsemico nductoro penin gswitchfo rmegavoltre petitive pu Ised po wertech no logy:ex perime ntan da pp licatio nsA. Proceedi ng9thlEEEI ntP ulsed Po werCo nfC.NewMexico:Albuquerq ue,1993.134-139.2Ruki nSN,MesyatsGA,Darz nekSA,etal.SOS2based pulsed po wer:develo pmen ta

16、ndapp lica tion sA. Proceedi ngof12thlEEEI ntP ulsed Po werCo nfC.California,USA:Mo nterey,1999.153 156.3Lyubuti nSK,MesyatsGA,Ruki nSN,etal.Namoseco ndnano sec on dmicrowavege neratorba sed on therelativistic38GHzbackward2waveoscillatora ndall2solid2state pulsed po wermodulatorA. Proceedi ngof12thl

17、EEEI ntP ulsed Po werCo nfC.C alifornia,USA:Mo nterey,1999,202205.4P okryvailoA,Ya nkelevichYBornshtei nA,etal.l nv estigatio no felectrical parametersa ndch emicalactivityofhigh2 po wershort pu Isedcor on adischargeA. Proceedi ngof12thlEEEI ntP ulsed Po werC on fC.California,USA:Mo nterey,1999,1349

18、1352.Yala ndin MI,Lyubuti nSK,OulmascoulovMR,etal.Sub nano sec on dmodulator possess in ga7 OOMWp eak po wera ndaverage po werof115kWatre petiti onfreque ncyof3.5kHzA. Proceedi ngof13thlEEEI nt.P ulsed Po werCo nfC.Nevada,USA:L asVegas,2001.Ruki nSN,Alichki nEA,Lyubuti nSK,etal.Ultra2high2 po werre

19、petitivesolidstateDBD2base dswitchi ngA. Proceedi ngof13thlEEEI ntP ulsed Po werCon fC.Nevada,USA:LasVegas,2001.329- 332.7Rukin SN.High2 powernano sec ondpu Isege neratorsbased2 on semic on ductor openin gswitc hJ.I nstrume ntsa ndEx perime ntalTech niques,1999,42(4):439467.8 苏建仓,丁永忠，丁臻捷，等.半导体断路开关实验

20、研究J.强激光与粒子束,2002,14(6):949- 952.(SuJC,Di ngYZQi ngZJ,etal.Ex per2imen tstudyofsemic on ductoro penin gswitch.High Po werLasera ndP articleBeams,2002,14(6):694952)S25Nall2solid2statere petitivefreque ncyp ulsedge neratorSUJian2cang1,2, DINGZhen2jie1, DINGYong2zhong1, SONGXiao2xin1,SONGZhi2mi n1, QIUShi1, HUANGWe n2hua1(1.NorthwestInstituteofNuclearTechnology,P.O.Box69226,Xi an710024,China;2.SchoolofElectronicsandlnformationEngineering,Xi anJiaotongUniversity,Xi an710049,Ch ina)Abstract:Northwestl nstituteofNuclearTech no logyhasi mp orteda nSOS2based pulsedge nerato