高压RSD开关谐振触发

为预充电流，为预充时间，为RSD器件结构因子。取，根据式（1），该主电路RSD堆体正常开通所需要的临界预充电荷量为1.48mC。      

从RSD的结构可以看出，预充时RSD相当于一个正向连接的二极管，这样谐振触发电路可以简化成如图3所示的电路结构。在PSipce电路仿真软件中，触发开关是2N6170晶闸管模型，其导通时间设为3μs，四个UT268二极管串联，电容C2的初始值设定为20kV，C2、L2和R2三个参数中，通过固定两个、调节另一个参数的大小，研究该参数对RSD预充电荷量的影响。            图3  RSD谐振触发仿真电路

  图3  RSD谐振触发仿真电路      

     

大电流脉冲装置一般要求磁开关的匝数N＝1，以避免相邻导线间电动力的相互作用。所使用的磁芯经复位后的ΔB＝2.2T，磁芯填充系数为α＝0.65，磁开关的饱和时间为ts=t+tR μs，其中t为谐振回路放电时间常数，tR为RSD的预充时间，一般为2μs。根据磁开关伏秒积公式，可计算出一定条件下的磁芯截面积。 3.1  触发电容的影响 触发电容C2提供触发回路的能量，形成预充电流。电容C2的选择应该首先满足一定的能量要求，过小的C2提供的能量少，回路电阻的消耗会导致预充电流过小；C2增加，谐振回路电流增大，触发开关S的通流面积也应该随之增加，图4是R2＝1Ω、L2＝5μH时，谐振回路电流峰值与C2的关系，由图可见，当C2为1μF时，Imax          已经达到5kA。图5示出了谐振回路提供给RSD的预充电荷量Q与C2的关系，在C2小于0.3μF时，预充电荷量随C2的增加而增加，在C2＝0.3μF时达到最大值，当C2大于0.3μF以后，虽然预充电流的峰值增加，但是回路的放电时间常数增大，电流上升率减小，预充电荷量反而减少。图5同时示出了不同的C2时磁开关所需的磁芯截面积Ac，Ac与C2基本上是线型增加的关系。

当谐振电感L2过小不满足此条件时，谐振触发回路不能形成RSD的预充电流。L2增加，RSD的预充电流也增加，提供给RSD的预充电荷量也增加，图6是C2＝0.2μF，R2＝2Ω时预充电荷量随L2的变化关系。在L2为8μH左右时，RSD的预充电荷量达到最大，当L2大于8μH后，由于预充电流的幅值开始减小、谐振回路的放电时间常数增加，给RSD预充电荷量也减少。磁芯截面积Ac随着L2的增加也呈线型增长关系。     

3.3  回路电阻     

815A/V     图7是C2＝0.2μF，L2＝5μH时RSD的预充电荷量和磁芯截面积与R2的对应关系。可见R2越小，预充电荷量越多，并且磁芯截面积越小。但是R2不能太小，以免谐振回路的高频振荡产生的反向电压破坏RSD和触发开关。     

    

4．实验结果     

限于条件限制，20kV的高压实验比较困难。在实验室环境下，4kV谐振触发实验得到验证。触发开关由两只直径为16mm、阻断电压为3kV的普通晶闸管串联而成，RSD是两只直径为16mm、阻断电压为2.5kV的器件串联，谐振回路的L2、R2按照前面的仿真结果分别取为8μH、0.22Ω，磁开关磁芯材料为铁基纳米晶，磁芯截面积为9×10-4m2。RSD的预充电流、开通电流及电压波形如图8所示，可以看到RSD的预充时间约为2μs左右，开通压降也很小，表明RSD的预充效果很好。     

    

5．结束语     RSD是一种基于等离子体层导通原理的大功率半导体开关，具有开通速度快、通流能力强、易于串并联等优点。谐振触发方式电路结构简单，易于实现，为高压RSD开关在大电流脉冲功率装置中的触发问题提供了新的思路。参考文献[1] T. F. Podlesak, Schneider S., Simon F. M., “Single shot and burst repetitive operation of involute gate 125 mm symmetric thyristors up to 221 kA with a di/dt of 2.0 kA/us”, IEEE Transactions on Plasma Science, vol. 28, no.5, pp. 1528-1532, 2000.[2] H. Singh, C. R. Hummer, “Advanced semiconductor switches for EM launchers”, IEEE Transactions on Magnetics, vol. 37, no. 1, pp. 394-397, 2001.[3]  A. V. Gorbatyuk, I. V. Grekhov, A. V. Nalivkin, “Theory of quasi-diode operation of reversely switched dinistors”, Solide-state Electronics, vol. 31, no. 10, pp. 1483-1491, 1988.[4]  周郁明, 余岳辉, 梁 琳 等, 超高速大电流半导体开关实验研究, 强激光与粒子束, vol. 18, no. 3, pp. 447-450, 2006.[5]  I. V. Grekhov, et al., “A High-Voltage Reverse Switch-on Dynistor Switch with a Control Circuit Based on Magnetic-Compression Sections”, Instruments and Experimental Techniques, vol. 45, no. 5, pp. 668-670, 2002.

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