特种电源是为满足科研、工程等领域特殊负载或特殊应用需求设计研发的电源。特种电源技术研究是电源技术研究领域中与应用目标耦合度较高的一个研究方向, 由于应用目标的多样性, 使得其技术研究工作富有创新活力, 也使其对相关学科的新技术较为敏感。上个世纪中叶, 随着雷达、加速器等**、科研装备、设施的发展, 特种电源逐步受到各**、科技强国的重视。近30年来, 在众多从事特种电源技术研究和产品开发的同仁共同努力下, 我国特种电源技术研究取得长足进步, 产品研制能力也得到了大幅度提升。

特种电源技术是电源技术研究领域中极为活跃的研究方向, 与存在广泛市场需求的通用电源技术相比, 其与物理、化学、材料科学与工程、环保、生物医学、高新装备、航空航天等科研、**、工程领域的发展关系更为紧密。近年来, 在大科学工程、高新装备等的需求推动下, 特种电源技术研究综合应用电工、电子、材料和计算机技术等多个学科的科技成果取得显著技术进步, 研发投入和产业规模迅速增长。本文结合流体物理研究所特种电源研究成果, 对特种电源近年来的研究进展作简要分析。

介绍了第四代衍射极限同步辐射光源(DLSR)的发展, DLSR目前处于起步阶段, 涉及到很多关键技术。主要讨论了DLSR涉及到的特种电源技术, 主要包括注入引出用高压纳秒快脉冲电源、高精度磁铁电源、双极性动态校正电源、大功率速调管调制器等, 分别介绍了这些电源的参数要求、关键技术及解决方案。

碳化硅作为第三代宽禁带半导体的核心材料之一, 相对于传统的硅和砷化镓等半导体材料, 具有禁带宽度大、载流子饱和迁移速度高, 热导率高、临界击穿、场强高等诸多优异的性质。基于这些优良的特性, 碳化硅材料是制备高温电子器件、高频大功率器件的理想材料。近年来在碳化硅材料生长和器件制备方面取得重大进展, 对碳化硅材料特性和生长方法进行回顾, 并研究了碳化硅光导开关偏压、触发能量、导通电流之间的关系, 以及开关失效情况下电极表面的损伤情况。

为了建立起Buck变换器内部本质安全性能评价的相关判别式, 首先以简单电感电路的电弧放电为研究对象, 基于热引燃理论, 采用持续发热点热源温度场模型, 将初始燃烧容积的温度由最高值下降至气体混合物燃烧温度的时间是否大于化学反应的时间作为判断火花能否成功引燃气体混合物的临界条件, 得到了相应的火花放电时间临界值的表达式。然后, 基于爆炸性试验数据对采用等效电阻法和放电电流线性模型算得的Buck变换器电感开路电弧放电能量表达式进行了修正, 进而建立了Buck变换器内部本质安全性能评价的能量判别式和放电时间判别式。验证结果表明了所求放电时间临界值的合理性和所建立判别式的正确性。

谐波在电网侧的污染量不仅取决于非线性负荷发射,更与谐波在整个系统中的传导息息相关, 而目前关于谐波传导评估多采用直接的平均电流放大公式, 并没有深入的研究不同谐波频次的综合影响, 也鲜有明确的谐波系数算法。本文基于Parseval等式--Rayleigh能量定理, 考虑谐波旁瓣频次, 提出了一种针对非线性负荷谐波传导的谐波系数算法, 弥补了根据单谱线平均电流放大倍数衡量谐波传导的不足。给出了基于非线性负荷的MATLAB仿真计算实例, 并在EAST实验中通过与实测数据对比验证了其正确性。

针对小型化紧凑型脉冲源的应用需求, 开展了基于互耦电感的两节准方波脉冲形成网络设计技术研究。首先介绍了两节脉冲形成网络互耦电感解耦的条件, 并根据常用的三种脉冲形成网络模型运用拉普拉斯变换推导出了相应的输出脉冲电流表达式, 并利用准方波的Prony级数表达式, 通过求解非线性方程组获得了准方波脉冲的解析表达式, 进一步求解出各网络元件的参数。然后研究了电感耦合系数在电路中的影响, 提出了利用互耦电感设计准方波脉冲形成网络的方法。模拟仿真结果表明: 基于互耦电感的两节脉冲形成网络可获得输出波形质量较好的准方波脉冲输出。利用互耦电感这一巧妙设计, 可以较方便地实现准方波脉冲形成网络的设计。

为实现对介质阻挡放电负载模型等效参数的有效预测, 引入放电区域面积作为中间变量。以平行陶瓷棒为负载, 通过Maxwell有限元仿真得到恒压静电场下的负载等效电容与放电区域的对应关系。结合恒压静电场下的电场分布, 提出了放电区域逐步扩张下的气隙首次击穿电压、负载外加电压峰值及气隙放电维持电压的预估方法。进而, 根据李萨如图形法求得各个工作点的功率。至此, 建立起了放电区域同各个等效参数间的量化关系, 并实现了对参数的预测。最后, 对气隙间距为1, 3, 4 mm的工况进行了实验验证。实验结果表明: 气隙放电维持电压预测值在局部变化趋势上与实测值存在一定差异；放电功率、负载外加电压峰值预测结果与实测值较为吻合。

根据感应电压叠加器感应腔的工作需求, 针对感应腔磁芯的高效可靠应用, 一般在感应腔工作前都要对磁芯进行去磁, 以实现磁芯的利用最大化, 减少磁性材料用量, 降低设备体积和造价。通过对磁性材料性能的研究分析, 得出了相对于传统的脉冲去磁方式, 直流去磁具有电压低、电流小、易绝缘、电极烧蚀小、对变压器油无污染、成本低等优点的结论。根据去磁电流引入位置的不同, 研究了两种使用直流对感应腔磁芯进行去磁的方法, 并对这两种直流去磁的方法进行了深入地分析和模拟计算, 验证了直流去磁的可行性和优越性。

对用于高压场合的LCC谐振变换器进行了分析和研究, 采用基波近似法推导等效模型, 建立了谐振电路的大信号模型和等效模型, 对LCC谐振变换器的稳态特性进行分析, 采用了一种以输入阻抗角为限定条件的参数设计方法, 该方法可以实现谐振变换器零电压开关的同时兼顾谐振电流对效率的影响。在大信号模型的基础上, 建立了小信号模型, 得到输出电压与输入占空比之间的传递函数, 从而建立闭环系统, 实现电压的宽范围输出。通过Simulink仿真验证了所设计的LCC谐振变换器可实现全负载范围的零电压开关(ZVS), 说明了设计方法的可行性。

中国聚变工程实验堆中的超导线圈失超保护开关要求的额定参数达到了10 kV/±100 kA, 针对该运行参数提出了一种混合式直流开关。承担稳态通流的机械开关采用了三级触头结构, 可以降低固态开关的通流时间。双向固态开关的阀串采用二极管桥与IGBT组合的形式, 结温分析证明可以提高器件的流通电流限制, 并对该基本单元拓扑进行了大电流开断实验, 验证了该设计的可行性。

介绍了静态磁场测试平台的结构和特点, 详细描述了采集监控系统的体系架构, 该系统是由数据采集管理系统和操作监控平台组成的。根据该系统的特点, 设计了基于Qt的数据采集管理系统和基于EPICS的操作监控平台。该系统实现了对静态磁场测试平台的实时控制、设备状态检测及监控、数据采集、存储及查看。该应用运行稳定, 能满足静态磁场测试平台对采集监控的需求。

ITER中性束注入器加速极需要一套逆变型直流高压电源系统。该电源采用三相三电平(TPTL)直流变换器作为基本单元, 通过占空比控制实现对输出电压的快速调节。针对三相三电平直流变换器在小占空比模式下输出电压纹波大的缺点, 提出了一种全新的控制策略。该策略通过协调直流母线电压的大小和逆变器占空比的变化对输出电压进行调节。为了验证新的控制策略的性能, 搭建了200 kV/60 A的MATLAB/Simulink仿真模型和400 V/6 A的原理样机。仿真结果和样机实验结果表明, 新的控制策略可以实现逆变型高压电源在输出电压快速可调的情况下降低输出电压纹波。

介绍了中国环流器二号A(HL-2A)装置80 MVA脉冲发电机组超同步调速装置的基本组成, 其模拟控制系统需要数字化改造。基于异步电动机转子交交变频电路, 以矢量控制算法为核心, 结合电压前馈和断续补偿等理论, 对超同步调速装置的控制技术进行了理论分析, 并建立了PSIM仿真模型, 仿真结果显示, 该控制算法能很好实现对机组转速、拖动电机转子电流频率和幅值的有效控制, 实现机组超同步调速, 为机组超同步调速装置控制系统的数字化改造提供了重要参考。

选取一种典型的音频功率放大电路, 采用直接功率注入法研究了音频功放电源的电磁干扰效应。分析了电路的电磁干扰耦合机理, 设计了基于直接功率注入法的电源电磁干扰测试平台, 测试得到0.1~1 GHz电磁干扰对音频放大电路直流电源的干扰效果数据, 得出临界失真、典型失真和完全失真三种状态下的功率阈值与干扰频率规律曲线。结果表明: 测试频段内, 三种失真状态下的失真功率阈值随频率的变化关系一致, 失真功率阈值相差约2 dBm。当注入干扰的频率较低时(100~300 MHz), 失真功率阈值较高, 且随频率增大近似以幂函数趋势下降；当注入干扰频率高于300 MHz时, 失真功率阈值随频率增大呈减幅振荡趋势。

大功率恒流源是强流直线感应加速器(LIA)的关键设备之一, 用于为加速器电感线圈提供大功率准直流驱动电流, 其稳定度、纹波系数等指标要求极高。神龙-Ⅲ LIA恒流源采用串联线性双闭环回路双参量电流调控技术, 同时综合应用了以PLC控制器为核心的本地控制、以ARM控制器和工控机为核心的远程控制以及以太网网络通讯技术, 实现了强电磁干扰环境下远程控制高稳定性运行。该恒流源在负载0.5~0.6 Ω之间变化、输出电流在50~170 A之间变化时调整管压降控制在8 V±2 V范围内, 输出电流纹波和电流稳定度均优于0.5‰。

针对三相三电平VIENNA整流器中点电位波动问题, 建立了中点电流的数学模型, 分析了中点波动形式、并结合中点电流数学模型分析了中点电位波动的根本原因, 针对传统固定调节因子法抑制中点电位波动效果较差的缺点, 提出了一种结合动态调节因子与电容偏差调节的混合抑制方法, 给出了6扇区下偏差调节量和动态调节因子表达式, 然后通过查表法将6扇区对应动态调节量注入到调制波中, 实现了中点电位尤其三次基频波动的自动抑制, 进一步修正后的混合抑制法还可有效抑制电容参数和负载不对称导致的中点大幅度波动, 实验结果验证了策略的可行性和有效性。

高能同步辐射光源(HEPS)是我国计划建造的下一代基于储存环的高亮度光源, 束流自然发射度已经接近衍射极限。作为典型的低发射度储存环(LER), HEPS的动力学孔径远小于物理孔径, 传统的离轴累积注入已经无法满足要求, 只能采用基于strip-line kicker的在轴注入方案。为了实现逐束团操控, HEPS要求注入kicker脉冲电源底宽(3%~3%)<10 ns, 半高宽(50%~50%)>4.5 ns, 幅度>±17.5 kV(50 Ω负载), 重复频率>50 Hz。高能同步辐射光源验证装置(HEPS-TF)工程研制了一台基于DSRD的双极性快脉冲电源性能样机, 在50 Ω负载上可以获得上升时间(10%~90%)<2.6 ns, 下降时间(90%~10%)<3.2 ns, 半高宽(50%~50%)>5 ns, 底宽(3%~3%)<10 ns, 幅度>±18 kV的脉冲高压, 可以满足HEPS注入基准方案--在轴置换注入的要求。

为满足脉冲磁窗技术对磁体激励电流的需求(平台期时间1~10 ms可调, 最小值约24 kA), 研究了一种能量利用率高、能库小的多电容器组分时放电电源。设计了脉冲电源的拓扑结构, 基于仿真分析了电源参数与电流纹波、电容器组路数之间的关系, 及其对放电回路参数变化的敏感性, 给出了6路电容器组分时放电的优化结构, 并通过实验进行了验证。实验过程中通过晶闸管串联提高了其关断的可靠性, 通过二极管三串两并的方式解决了重频模式下二极管承受反向电压能力下降的问题, 进一步提高了电源放电的可靠性。

简要回顾了半导体光刻的发展历程以及准分子激光作为光源在半导体光刻中的需求。简述了高压脉冲电源的基本原理及应用, 介绍了全固态高压脉冲电源的结构和特点。着重阐述了全固态高压脉冲电源在光刻用准分子激光器和EUV光源中的应用。大功率半导体开关结合多级磁脉冲压缩开关的全固态脉冲电源有效替代传统基于闸流管的高压脉冲电源, 实现了光刻光源高重复频率下的长寿命运行。介绍了中国科学院安徽光学精密机械研究所近十年来, 在准分子激光器的全固态高压脉冲电源研究上的相关进展。最后, 对未来半导体光刻光源对全固态脉冲电源的需求进行了展望。

磁控溅射镀膜电源是磁控溅射系统中的关键设备之一。根据铌靶和锡靶溅射处理装置的技术要求, 研制了一套输出电压0~800 V可调、脉冲宽度5~200 μs可调、频率0~60 Hz可调、在脉冲电流最大幅值约150 A的磁控溅射镀膜电源, 分别给出了该电源在铌靶负载和锡靶负载下的实验结果。设计上采用高压短脉冲预电离一体化高功率双极性脉冲形成电路方法, 解决了高功率磁控溅射在重复频率工作下有时不能成功溅射粒子、电离时刻不一致、溅射起弧打火靶面中毒、溅射效率低等问题, 降低了磁控溅射装置内气体的工作气压, 实现低气压溅射镀膜, 提高了靶材的溅射效率, 减小薄膜表面粗糙度。通过大量实验论证, 该电源达到了理想的溅射效果, 满足了指标要求。

脉冲电容的充电电源是脉冲功率技术中的关键设备, 为研究更高精度的高压脉冲电容充电电源, 基于一种较为新颖的双谐振拓扑结构, 通过推导传递函数, 分析了其电压和电流传输特性。根据双谐振电路存在两个谐振点的特性, 提出基于双谐振变换器的充电电源充电方式, 即充电阶段采用串联谐振工作模式, 到高压保持阶段通过频率调制降低开关频率至接近第二谐振点, 实现对脉冲电容自放电压降的动态补偿, 从而保证高压充电电源充电精度的同时, 极大地提高脉冲电容的高压稳定度。为验证所提出方式的可行性, 基于Matlab/simulink搭建仿真模型, 分别对串联谐振全桥变换器和双谐振全桥变换器两种拓扑结构进行仿真, 实验结果验证了所提出双谐振拓扑的频率调制方式的可行性。

设计了一种基于功率金属氧化物半导体场效应晶体管(MOSFET)的高压脉冲电源。该发生器采用多只MOSFET的串联技术, 形成高压、高重复频率开关组件。用高压开关组件开展脉冲发生器设计, 搭建了一个15只1 kV的高速MOSFET串联的脉冲发生器实验装置, 在500 Ω负载上获得前沿小于5 ns、幅度大于10 kV、脉宽约100 ns, 瞬态频率达400 kHz的高压脉冲。设计的高压开关组件结构紧凑, 可靠性高, 可应用于多种脉冲发生器。

为了满足微波放大器副特性测试需要, 研制了高精度电源调制器系统。采用阶梯调制与循环控制相结合的方式, 实现了高稳定度输出控制。对调制器的拓扑结构和控制策略进行了分析, 并介绍了脉冲步进调制器(PSM)模块和多绕组变压器等关键部件的设计方法。试验结果表明: 采用PSM技术的电源调制器电源系统输出指标满足测试要求, 能够稳定可靠工作并具备快速保护功能。