CN109981082B

CN109981082B - 一种基于光导开关的核电磁脉冲模拟器脉冲源

Info

Publication number: CN109981082B
Application number: CN201910359608.6A
Authority: CN
Inventors: 栾崇彪; 赵娟; 李洪涛; 马勋; 肖金水; 康传会; 黄宇鹏
Original assignee: Institute of Fluid Physics of CAEP
Current assignee: Institute of Fluid Physics of CAEP
Priority date: 2019-04-30
Filing date: 2019-04-30
Publication date: 2023-09-12
Anticipated expiration: 2039-04-30
Also published as: CN109981082A

Abstract

本发明公开了一种基于光导开关的核电磁脉冲模拟器脉冲源，采用脉冲变压器升压电路拓扑结构，包括初级储能电路和次级脉冲形成电路，脉冲变压器的初级储能电路中采用IGBT释放初级储能电容上的能量，脉冲变压器升压对次级脉冲形成电容充电，次级脉冲形成电容通过光导开关对负载天线放电；本发明的具有宽范围电压幅值调节能力和良好波形一致性的高功率电磁脉冲模拟器脉冲源可以满足不断完善的强电磁脉冲效应现场试验考核和易损性评估的现实需求，特别是针对在役和固定设备、高集群度设备、交通便捷度差以及检验时间窗口短的应用需求。

Description

一种基于光导开关的核电磁脉冲模拟器脉冲源

技术领域

本发明属于工业应用领域，具体涉及到高空核电磁脉冲产生技术。

背景技术

高空核电磁脉冲(HEMP)上升沿快、频带幅度大，非常容易与电子学设备等发生耦合，导致电子学设备内部电路、电子元器件、射频传感器等受到损伤、扰乱、干扰等复杂效应现象。此外，现代电子设备的生产和使用越来越多，设备间的电磁干扰也越来越强，使用环境也越来越恶劣，对电子设备的抗干扰要求也越来越高。电磁脉冲模拟器是研究电磁脉冲对电子学设备损伤机制的关键设备。

传统的电磁脉冲模拟器脉冲源一般采用Marx发生器技术路线，采用Marx发生器对脉冲形成电容充电，达到峰值后脉冲形成电容对负载放电。为避免Marx发生器能量耦合至负载，通常在Marx输出端串联数十μH电感。Marx发生器中开关一般选用气体开关，为了减小开关间距获得快前沿，脉冲形成开关一般采用绝缘强度高的SF₆气体，通过调整开关气压可在一定程度上调整输出幅值，但是输出电压调节范围较小；而且会影响脉冲源输出特性稳定性。不适合应用于电子设备的抗电磁脉冲损伤阈值检测研究。

发明内容

本发明的目的是设计一种基于光导开关的采用脉冲变压器升压电路拓扑结构的电磁脉冲模拟器脉冲源，以实现输出电压幅值连续可调。

一种基于光导开关的核电磁脉冲模拟器脉冲源，采用脉冲变压器升压电路拓扑结构，包括初级储能电路和次级脉冲形成电路，脉冲变压器的初级储能电路中采用IGBT释放初级电容上的能量，脉冲变压器升压对次级脉冲形成电容充电，次级脉冲形成电容通过光导开关对负载天线放电，次级脉冲形成电容和回路电感值需满足下述公式：

其中：R_L为负载电阻，L为脉冲形成单元的回路电感，C_f为脉冲形成电容。

在上述技术方案中，所述电路拓扑结构由初级充电电源、初级储能电容、初级回路电阻、初级回路分布电感、初级放电开关、脉冲变压器、次级脉冲形成电容、次级放电开关以及负载天线组成，所述初级放电开关为IGBT，所述次级放电开关为光导开关。

在上述技术方案中，初级充电电源的两端连接到IGBT的两端，IGBT、初级储能电容、初级回路电阻、初级回路分布电感相互串联到脉冲脉冲变压器的初级线圈两端；次级线圈两端通过电感连接到光导开关两端，光导开关、次级脉冲形成电容相互串联后将能量释放到负载天线。

在上述技术方案中，忽略初级电阻和次级回路电阻脉冲变压器初级电流i1(t)、次级电流i2(t)、初级储能电容电压V1(t)、脉冲形成电容电压V2(t)记为：

耦合系数为k：

其中：V0、L1、L2、S、S1、S2、ω1、ω2；V₀为对初级储能电容充电电压值，L₁和L₂分别为脉冲变压器初级和次级电感值，C₁是初级储能电容的容值，C₂是次级脉冲形成电容的容值。

在上述技术方案中，变压器工作在谐振状态，ω1＝ω2；初级开关IGBT采用冷阴极触发管。

在上述技术方案中，所述光导开关为绝缘4H-SiC半导体材料，光导开关的暗态电阻率大于1012Ω·cm，光导开关封装后其脉冲工作电压大于80kV，导通电阻小于2Ω。

在上述技术方案中，所述光导开关是利用MOCVD设备生长高掺杂n型GaN外延层，通过湿法刻蚀的方法将电极区域外的高掺杂GaN层去除，然后通过电子束蒸发的方式将Ti/Al/Ni/Au金属依次淀积到GaN层表面，通过快速热退火的方式形成欧姆接触。

综上所述，由于采用了上述技术方案，本发明的有益效果是：

本发明研制的具有宽范围幅值调节能力和良好波形一致性的高功率电磁脉冲模拟器可以满足不断完善的强电磁脉冲效应现场试验考核和易损性评估的现实需求，特别是针对在役和固定设备、高集群度设备、交通便捷度差以及检验时间窗口短的应用需求。

附图说明

本发明将通过例子并参照附图的方式说明，其中：

图1核电磁脉冲模拟器脉冲源电路图及结构图；

图2核电磁脉冲模拟器脉冲源电压输出波形；

图3有界波模拟器工作空间电场波形；

图4是图3中波形前沿部分的放大图。

具体实施方式

本说明书中公开的所有特征，或公开的所有方法或过程中的步骤，除了互相排斥的特征和/或步骤以外，均可以以任何方式组合。

本说明书(包括任何附加权利要求、摘要和附图)中公开的任一特征，除非特别叙述，均可被其他等效或具有类似目的的替代特征加以替换。即，除非特别叙述，每个特征只是一系列等效或类似特征中的一个例子而已。

本实施例的核电磁脉冲模拟器脉冲源采用脉冲变压器升压电路拓扑结构，脉冲源由初级储能系统和脉冲形成系统两部分组成。具体为：脉冲变压器初级开关采用IGBT，初级电容上能量通过IGBT释放，结合脉冲变压器升压对次级脉冲形成电容充电，脉冲形成电容通过光导开关对负载天线放电。脉冲形成部分参数按照核电磁脉冲模拟信号要求，按照下述公式计算可得到Cf＝0.3nF，L＝35nH。

次级脉冲形成电路产生双指数脉冲波形应满足下述条件：

脉冲上升沿为：

上式中，L为脉冲形成单元的回路电感，包括次级开关电感、脉冲形成电容电感、负载结构电感及相应的引线连接电感；R_L为负载电阻。

如图1所示，系统具体工作过程为：首先，高压直流电源模块对初级储能电容C_p充电至预设电压，控制系统触发开关S₁(IGBT)闭合，初级储能电容C_p通过脉冲变压器对脉冲形成电容C_f充电。当C_f充电电压达到峰值时，控制系统控制激光器触发光导开关S_f产生快前沿脉冲并输出至负载天线。通过调整初级储能电容充电电压可以实现脉冲源输出峰值电压连续可调。

本发明的关键技术有两点：一是脉冲变压器设计；二是光导开关设计。详细设计如下：

(1)脉冲变压器设计

初级储能单元由初级储能电容C_p、初级回路电阻、初级回路分布电感、初级放电开关S₁、脉冲升压变压器、次级回路电阻组成。忽略初、次级回路电阻，则脉冲变压器初级电流i₁(t)、次级电流i₂(t)、初级储能电容电压V₁(t)、脉冲形成电容电压V₂(t)可由下式：

其中，耦合系数为k，有：

设计要点如下：

a、变压器工作在谐振状态，ω₁＝ω₂；

b、初级开关S₁采用IGBT；

c、开放磁芯变压器耦合系数k取0.8。

求解上式，获得C₁＝0.15μF，变压器参数为初级电感10μH，次级电感6.25mH，变比取25。

(2)光导开关设计

光导开关材料为高纯半绝缘4H-SiC半导体材料，材料厚度为390μm，材料暗态电阻率大于10¹²Ω·cm。光导开关制作过程中，首先利用MOCVD设备生长高质量高掺杂n型氮化镓外延层(GaN)，掺杂浓度大于10¹⁹cm^-3，通过干法刻蚀的方法将电极区域外的高掺杂GaN层去除，然后通过电子束蒸发的方式将Ti/Al/Ni/Au金属依次淀积到GaN层表面，光导开关两电极间隙为5mm，电极尺寸为10mm×5mm。通过快速热退火的方式形成欧姆接触，欧姆接触电阻率小于10^-6Ω·cm²。光导开关封装后测试得到其脉冲工作电压大于80kV，导通电阻小于2Ω。

如图2所示，是核电磁脉冲模拟器脉冲源电压输出波形。输出电压脉冲上升沿t_r≈2.05ns，脉宽△τ≈22ns，输出峰值电压74.5kV。

如图3所示，是有界波模拟器工作空间电场波形。采用场探头测试得到的有界波模拟器工作空间电场幅值大于50kV/m，前沿约2.2ns，脉宽约23.5ns。图3是完整的电场波形图，为了更好的对波形进行展示，如图4所示，是图3波形前沿部分的局部放大图。

本发明并不局限于前述的具体实施方式。本发明扩展到任何在本说明书中披露的新特征或任何新的组合，以及披露的任一新的方法或过程的步骤或任何新的组合。

Claims

1.一种基于光导开关的核电磁脉冲模拟器脉冲源，采用脉冲变压器升压电路拓扑结构，包括初级储能电路和次级脉冲形成电路，其特征在于：脉冲变压器的初级储能电路中采用IGBT释放初级储能电容上的能量，脉冲变压器升压对次级脉冲形成电容充电，次级脉冲形成电容通过光导开关对负载天线放电，所述光导开关采用半绝缘4H-SiC半导体材料制作，4H-SiC材料的暗态电阻率大于10¹²Ω·cm；所述光导开关是利用MOCVD设备在4H-SiC衬底材料上生长高掺杂n型GaN外延层，通过湿法刻蚀的方法将电极区域外的高掺杂GaN层去除，然后通过电子束蒸发的方式将Ti/Al/Ni/Au金属依次淀积到GaN层表面，通过快速热退火的方式形成欧姆接触，封装后的光导开关脉冲工作电压大于80kV，导通电阻小于2Ω，所述次级脉冲形成电容和回路电感应该满足下式：

，

其中：R_L为负载天线电阻，L为次级脉冲形成电路的回路电感，C_f为脉冲形成电容。

2.根据权利要求1所述的一种基于光导开关的核电磁脉冲模拟器脉冲源，其特征在于所述电路拓扑结构由初级充电电源、初级储能电容、初级回路电阻、初级回路分布电感、初级放电开关、脉冲变压器、次级脉冲形成电容、次级放电开关以及负载天线组成，所述初级放电开关为IGBT，所述次级放电开关为光导开关。

3.根据权利要求2所述的一种基于光导开关的核电磁脉冲模拟器脉冲源，其特征在于初级充电电源的两端连接到IGBT的两端，IGBT、初级储能电容、初级回路电阻、初级回路分布电感相互串联到脉冲脉冲变压器的初级线圈两端，脉冲变压器次级线圈两端通过电感连接到次级光导开关两端，光导开关、次级脉冲形成电容、相互串联后将能量释放到负载天线。

4.根据权利要求3所述的一种基于光导开关的核电磁脉冲模拟器脉冲源，其特征在于脉冲变压器，脉冲变压器具体参数设计包括：脉冲变压器初级电流i ₁(t)、次级电流i ₂(t)、脉冲变压器初级线圈上电压值V₁(t)、对脉冲形成电容充电电压V₂(t)，具体计算公式如下：

，

耦合系数为k：

，

其中：V₀为对初级储能电容充电电压值，L₁和L₂分别为脉冲变压器初级和次级电感值，C₁是初级储能电容的容值，C₂是次级脉冲形成电容的容值。

5.根据权利要求4所述的一种基于光导开关的核电磁脉冲模拟器脉冲源，其特征在于脉冲变压器工作在谐振状态，ω₁ =ω₂。