马 勋 ， 李洪涛

（1.中国工程物理研究院 流体物理研究所，四川 绵阳 621900；2.中国工程物理研究院 脉冲功率科学与技术重点实验室，四川 绵阳 621900）

作为一种高速辐射摄影系统，闪光X光机被应用于研究各种冲击加载下物质内部结构的瞬态现象，如弹丸在膛内的运动，破甲射流的形成及对目标的侵彻过程 ，带壳战斗部破片的形成 ，炸药及火工品的爆炸过程及结构设计等方面的研究等[1]。

近年来，随着流体动力学研究的深入，迫切需要发展最高重频达到10 MHz以上的闪光照相X光机，以使X光机的应用从定性向定量或半定量转变[2-5]。其中，实现高重频的脉冲功率驱动源是关键技术之一。

硅堆是由若干个二极管集成制成的单向导通器件，常作为初级电源的整流器件，在直流下其最大导通电流往往不超过数十安培。本文利用硅堆在脉冲条件下有较大的电流过载和快速的反向电流关断能力，探索了一种基于硅堆隔离的高重频高压多脉冲产生方法，通过实验验证了该方法的可行性。

图1 半导体开关性能Fig.1 Characteristics of semi-conductor switches

1 基本原理

实现高重频脉冲功率源的关键是高重频大功率开关器件。传统的气体开关虽然功率容量大，但绝缘恢复时间长；MOSFET重复频率可以达到数MHz，但耐压低，往往需要大量串并联使用，使系统可靠性降低；IGBT功率容量比MOSFET高，但重频最高不超过100 kHz；基于半导体断路器件SOS的脉冲功率源最大功率已经达到了数GW，但其重频在KHz量级。基于这些开关器件都难以实现MHz以上高压高重频脉冲输出。常用的开关器件特点如图1所示。

在脉冲功率技术中，常用脉冲形成线来产生矩形高压短脉冲，最常见的是同轴结构，以变压器油、纯净水或者聚四氟乙烯等材料作为绝缘和储能介质[6]。其基本原理如图2所示。

图2 脉冲形成线电路原理Fig.2 Basal circuit of PFL

高压电源预先通过电阻R对阻抗为Z的脉冲形成线（PFL）充电至V0，当开关闭合时，在负载上产生高压脉冲的幅值为：

其中，Δt为 PFL 在负载上产生的脉宽，C：PFL电容，Z：PFL阻抗。

目前开关技术成为制约脉冲功率源高重频运行的瓶颈。在进行半导体断路开关SOS研究时，Dunaevsky[7]进行了一系列高压硅堆特性实验，获得结论：1）硅堆反向关断时间与泵浦电流和泵浦周期无关，由高压二极管自身特性决定；2）脉冲条件下，硅堆正向导通电流至少过载100倍，若脉冲足够短，甚至达到104倍；3）脉冲条件下硅堆反向耐压可过载10倍；4）硅堆反向电流关断时间远小于绝缘恢复时间；5）寿命至少达到105次。根据硅堆的这些特点，本文采用一个大功率气体开关，结合脉冲形成线原理设计了一个基于硅堆隔离的高重频多脉冲高压产生电路。电路原理如图3所示。

当负载与PFL阻抗匹配时，即RL=Z，负载电压为V0/2。同时幅值为-V0/2de电压入射波从PFL的负载端向始端传播，当该电压波到达始端时，由于充电电阻R》Z，使得电压波发生全反射（反射系数为+1），最终该电压波到达负载，在负载上产生脉宽为PFL电长度2倍的高压脉冲。脉宽表达式为：

图3 基于硅堆隔离的高重频多脉冲高压源Fig.3 Circuit of high repetitive multi-pulse generator based on diode

高压电源HV通过限流电阻R1对阻抗为Z，电长度为τ的脉冲形成线T1，T2充电至V，R1的阻值一般为数百kΩ至MΩ，远大PFL阻抗，其作用是：限流，防止高压充电电源损坏；当PFL的反射电压波到达R1时，使其全反射。当开关闭合时，T1，T2向阻抗为 Z的脉冲传输线 （pulse transfer line，PTL）T3，T4产生幅值为V/2的电压入射波，其中T3的电长度为 τ1，T4的电长度为 τ2。 在 τ1时延后，由于硅堆 D2的高压隔离，入射电压波经过T3和硅堆D1在负载R2上产生幅值为V/2，脉宽为 2τ的高压矩形脉冲。 再经过（τ2-τ1）时延后，另一个入射电压波通过T4到达负载，由于硅堆D1的高压隔离，在负载上同样产生幅值为V/2，脉宽为2τ的高压矩形脉冲。据此原理，改变PTL的电长度，可以调整脉冲间隔的时间，也即脉冲的重复频率。改变PFL的电长度，可以调整输出脉冲的宽度。以此类推，通过增加硅堆和PFL，PTL数量，可以实现更多的脉冲输出。

实现基于硅堆隔离的高压产生电路必须满足以下条件：1）（τ2-τ1）＞2τ，即两个脉冲的间隔必须大于负载脉宽；2）所有线的阻抗必须相等，以避免波的反复折反射过程；3）硅堆D1的脉冲耐压绝缘恢复时间必须小于（τ2-τ1-2τ），也即系统最高频率由硅堆绝缘恢复时间决定；4）硅堆的脉冲反向耐压必须高于负载电压；5）硅堆必须具备快速的反向关断能力，否则会使负载波形产生振荡；6）硅堆可以通过脉冲大电流，由于厂家给出的是硅堆直流电流，脉冲数据必须通过实验确定。

2 实验与讨论

为了实现基于硅堆隔离的高压多脉冲源，对硅堆脉冲条件下的通流能力，反向耐压，硅堆隔离的多脉冲源进行了实验研究。

2.1 脉冲大电流实验

对标称值为25 kV/10 A的某厂家整流硅堆进行了脉冲条件下的通流测试，采用的实验电路如图4所示。

图4 脉冲电流测试电路Fig.4 Testing circuit of pulse discharge

100 nF的脉冲电容器通过硅堆放电，负载为硫酸铜水电阻，开关采用自击穿火花隙，由于硅堆为单向导通器件，为防止反向电流损坏，增加了一个反向硅堆作为保护器件。获得的实验波形如图5所示。V（C1）指脉冲电容器电压，I（R）指通过硅堆的电流。脉冲电容器充电至25 kV，通过硅堆的峰值电流为7.36 kA，第一峰的脉宽约500 ns。硅堆损坏的原因之一是正向电流超出容许值，通态损耗过大，导致正向过流烧毁[8]。测试的硅堆在500 ns脉冲宽度下电流过载倍数至少为736倍，当驱动X光管时，脉宽往往小于100 ns，因此在更短脉宽下，允许通过的电流会更大。

2.2 反向耐压实验

硅堆损坏的另一个原因是反向电压超出容许值，反向耗散功率过大，导致反向过压热击穿[8]。实验研究了硅堆，硅堆与氧化锌电阻串联两种电路形式的硅堆反向耐压能力。实验电路如图5所示。

图5 硅堆脉冲放电的电流波形Fig.5 Waveform of pulse discharge current

ZnO压敏电阻是一种多组分金属氧化物多晶半导体陶瓷，以ZnO为主要原料，添加多种金属氧化物成分，采用典型的陶瓷材料工艺制成。当ZnO两端电压较低时流过的电流很小，呈“绝缘状态”，而当电压超过某临界值后其电流随电压的增加而急速增大[9]。利用这一特性，气体开关中可利用ZnO熄弧以加快绝缘恢复过程，也可应用于硅堆的保护。获得实验波形如图6所示。

图6 硅堆耐压实验电路Fig.6 Testing circuit of hold-off voltage

图7 耐压实验结果Fig.7 Waveform of hold-off voltage’s test

当回路电流发生反转时，两种实验电路的硅堆反向关断时间都约为200 ns，关断后，没有ZnO的硅堆在反向电压的持续作用下，产生反向电流，使得硅堆最终反向击穿而损坏。由于ZnO的电阻随电压减小而增大，使得电压反转时ZnO承担了大部分电压，从而硅堆得以关断。但由于ZnO存在正向导通电阻，因此其正向导通电流相比没有ZnO的硅堆要小。

2.3 多脉冲电路实验

实验电路如图3所示。充电电阻为500 kΩ，形成线T1，T2由电长度10 ns，阻抗75 Ω的聚四氟乙烯高压电缆制成，传输线T3，T4由阻抗75 Ω的聚四氟乙烯高压电缆制成，电长度分别为10 ns，190 ns。两个硅堆分别串联了ZnO电阻，负载为75 Ω低感陶瓷电阻，转换开关采用的是自击穿火花隙。获得电压波形如图8所示。

图8 基于硅堆隔离的多脉冲实验波形Fig.8 Waveform of multi-pulse based on rectifier diodes

V（D1）指 T3输出端，D1 输入端的电压；V（R）指负载电压，脉宽约 20 ns，第一个 V（R）幅值为 7.5 kV，第二个 V（R）为5 kV，脉冲间隔时间约160 ns。火花隙自击穿电压约17 kV，由于ZnO电阻的分压，负载电压幅值略低于自击穿电压的一半。由于ZnO电阻的动态变化，使得负载与PTL的阻抗失配，因而电压波发生了多次反射。第二个V（R）脉冲的幅值明显低于第一脉冲，结合分析V（D1）的第二个脉冲波形，原因是在160 ns的时间间隔内硅堆D1的绝缘能力没有恢复，使得电压波同时向负载和T3传递，从而降低了负载电压幅值。可见，普通整流硅堆不能实现5 MHz以上的多脉冲输出。该实验结果验证了基于硅堆隔离的多脉冲高压源电路的可行性，输出波形与理论分析一致，快恢复硅堆是实现该电路的关键器件。

3 结 论

MHz以上重复频率脉冲功率源在多幅闪光照相领域有重要应用前景。在现有的大功率开关器件难以达到MHz以上重复频率情况下，发展新颖电路拓扑结构，如基于硅堆隔离的多脉冲产生电路是一种有前景的技术途径。普通整流硅堆在500 ns脉宽下电流过载倍数至少为736倍，反向关断时间约200 ns，但反向绝缘恢复时间较长，成为了制约基于硅堆隔离的多脉冲源的最高重频的瓶颈。发展基于快恢复高压二极管阵列的硅堆是实现该多脉冲源的关键，也是正在进行的的重要研究工作。

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