高功率重复脉冲开关的关键技术

为使脉冲功率技术在工业、国防和科技等方面全面走向实际应用，重复频率脉冲功率的产生方法和与之相关的开关技术是急待解决的课题。本项目将针对几种典型的重复频率开关（即重复频率气体开关、磁开关、半导体开关和光导开关），分别就其关键技术问题进行细致的研究和分析，并掌握使用这些开关的重复脉冲产生技术。在此基础上充分认识各种开关的特长和局限性，特别是在开关速度、重复频率、输出功率、开关损失和使用寿命等方面评价各种开关的能力和极限，对主要开关器件在重复频率脉冲功率的参数空间里进行定位。另外，利用各种开关的组合，发挥不同开关在不同上升时间和不同功率水平上的工作特长，在不同方向发展个具特色（如高峰值功率(GW)、高重复频率(MHz)、或短脉冲(ns)）的重复脉冲功率发生技术，促进脉冲功率应用技术的发展。

高重频、高稳定的脉冲功率发生器在未来的工业应用中具有很广泛的应用潜力。这些应用包括环境保护、新材料制作、生物电工学和医疗等方面。脉冲功率发生器的关键部件是开关，因为它基本决定整个系统的工作参数。本项目着眼于高功率的重频脉冲开关和与之相关的电路问题。主要目的是为了深入认识和充分发挥各种脉冲功率开关的性能，并通过电路技术的创新，探索利用现有开关的新型脉冲功率产生方式。项目期间主要研究了四种开关，包括气体开关、光导开关、磁开关和功率半导体开关。深入探索的电路模式包括Marx电路、SOS驱动电路和LTD电路。项目研究的主要成果包括以下几个方面：. 1）针对气体绝缘恢复特性的研究结果为我们提供了有关气体火花隙开关工作的重要信息。特别是在击穿电压恢复曲线上观察到的两个平台，以及采用激光干涉法得到的气体密度变化与绝缘电压之间的关系为掌握气体火花隙的重频工作特性提供了重要的依据。. 2）有关GaAs和SiC光导开关的实验结果使我们进入了新的开关工作参数领域，同时对这些半导体开关器件的物理特性取得了新的认识。在光导开关器件的工作电压和寿命等方面均达到了国际先进水平。同时本项目也探索了采用激光二极管触发光导开关的技术途径。. 3）基于Marx电路模式，采用IGBT、MOSFET、以及不同开关器件的组合，研制了多台各具不同特色和应用对象的高性能脉冲功率发生器。这些脉冲电源的输出参数均达到了国际先进水平，并为进一步推广高重频脉冲功率的工业应用提供了实验平台。通过这些实验研究，摸索并建立了基于固态开关器件的重频Marx发生器电路设计方法和控制技术，扩展了高功率重复脉冲开关在脉冲功率中的适用空间。. 4）首先提出并验证了全固态LTD概念。设计并制作了两代采用功率MOSFET的LTD实验模块，并使用它们进行了较彻底的实验研究。在这个过程中，摸索并建立了固态LTD的设计、控制和抗干扰的方法和技术。实验结果证实了固态LTD的可行性和它在高重频脉冲功率中的重要地位。进一步通过实验结果受到启发，首次提出了采用全固态LTD的智能化脉冲功率发生器，并完成了初步的实验验证。. 本项目通过以上所述的研究过程和研究成果，针对高功率重复脉冲开关的关键技术问题提供了切实可行的解决方案，为提高我国的高功率脉冲功率技术的水平作出了一定的贡献。