脉冲功率源及半导体开关技术综述
脉冲功率技术
目录目录 0摘要 (1)一、脉冲功率技术的发展历史及现状 (2)二、脉冲功率技术的储能技术 (4)2.1惯性储能 (4)2.1.1直流发电机 (5)2.1.2单极脉冲发电机（HPG） (5)2.1.3同步发电机 (6)2.1.4主动补偿脉冲发电机 (7)2.2电容储能 (8)2.2.1电容器组放电 (8)2.2.2电容器组放电技术要点 (8)2.3电感储能 (9)2.3.1电感与电容器储能密度比较 (9)2.3.2电感储能的缺点 (10)三、串联谐振CCPS恒流充电 (11)3.1串联谐振CCPS概述 (11)3.2串联谐振CCPS工作原理 (11)3.3串联谐振CCPS恒流充电的MATLAB仿真 (14)总结 (16)参考文献 (17)脉冲功率技术摘要所谓脉冲功率技术是指将很大的能量（通常为几百千焦耳至几十兆焦耳）储存在储能元件中通常为电容器、电感器等, 然后通过快速开关（动作时间在毫微秒左右）将此能量在毫微秒至微秒时间内释放到负载上, 以得到极高的功率（兆瓦左右）。
脉冲功率技术研究的主要内容是如何经济地和可靠地储存能量, 并将大能量和大功率有效地传输到负载上。
不断提高的能量、功率、上升时间和平顶度、重复率、稳定性和寿命的要求, 给脉冲功率技术提出了一系列的科学技术问题。
本文介绍了，给储能元件电容充电的一种恒流充电电源，分析了CCPS充电的原理以及实现问题。
关键词：脉冲功率，CCPS,恒流充电，储能技术脉冲功率技术及其应用一、脉冲功率技术的发展历史及现状脉冲功率技术（PPT,Pulsed Power Technology）正式作为一个独立的部门发展,还是近几年的事。
事实上作为脉冲功率技术基础的脉冲放电, 早就存在于大自然中。
而对脉冲放电的研究则开始于研究天然雷电特性, 以及它对输电线路、建筑物危害及其防护措施。
当时这种放电仅限于毫秒级和微秒级。
四十年代末期, 就有人开始注意到亚微秒及毫微秒级的高压强流脉冲放电形式。
《脉冲功率技术》结业报告
2013～2014学年度硕士研究生课程《脉冲功率技术》结业报告题目名称半导体脉冲功率开关发展研究目录1引言 (1)2 脉冲功率开关的发展 (2)2.1 传统开关 (2)2.2 半导体开关 (2)2.3反向开关晶体管 (2)2.4 新型半导体开关 (2)2.5半导体断路开关 (3)2.6脉冲晶闸管 (3)2.7功率场效应晶体管 (3)2.8绝缘栅双极晶体管 (3)3 国内外研究现状及存在的问题 (4)3.1 存在的问题 (4)3.1.1提高耐受电压等级 (4)3.1.2输出快脉冲 (4)3.1.3提高脉冲电流峰值 (4)3.2关键技术 (4)3.2.1电压提升技术 (4)3.2.2磁脉冲压缩技术 (5)4总结与展望 (6)5参考文献 (6)半导体脉冲功率开关发展研究1引言脉冲功率技术是把相对长时间内存储的具有较高密度的能量，以单次脉冲或重复频率的短脉冲方式释放到负载上的电物理技术。
在空间上压缩能量可以增加能量密度，在时间上压缩能量可以提高输出功率。
随着对脉冲功率技术研究的不断深入，脉冲功率技术被越来越多地应用到工业及民用领域。
例如在环境工程领域，已有的应用技术有脉冲电晕等离子体法净化废气技术、脉冲静电除尘、高压脉冲放电废水处理、臭氧的制取等；在生物医疗领域，已有的应用技术有体外冲击波碎石技术、产生脉冲电磁场研究对生物培养基的影响；其它领域还有矿井物探，和水下目标探、对岩石钻孔、高速x射线水下摄影、工业辐射源、快速加热淬火等。
一般的脉冲功率系统由以下几个部分组成，如图1-1所示。
图1-1 脉冲功率系统结构图其中，开关元件是脉冲功率系统的核心元件之一，特别对重复频率脉冲功率系统，大功率高速开关的性能优劣直接制约其发展的主要的瓶颈，因此开关技术的发展对于高功率脉冲技术来说至关重要。
对于脉冲功率装置来说，高压脉冲功率技术中的开关具有如下特点：(1)电流非常大，可达几十千安、几百千安几兆安或更大；(2)要求开关的闭合和断开的时间极短，在毫微秒量级；(3)开关动作频繁，要求能连续工作，特别是在重复频率下运行时；(4)高电压下运行，电压等级从几千伏到数百千伏。
开关电源 文献综述
文献综述引言21世纪我国通信、信息、家电和国防等领域的电源普遍采用高频开关电源，相控电源将逐渐被淘汰。
经过20多年的不断发展，开关电源技术有了重大的突破和进步。
新型功率器件的开发促进了开关电源的高频化，功率MUSFET 和IGBT 可使中小型开关电源工作频率达到400KH Z ，软开关技术使高频开关电源的实现有了可能，它不仅可以减少电源的体积和重量，而且提高了电源的效率；控制技术的发展以及专用控制芯片的生产，不仅使电源电路大幅度简化，而且使开关电源的动态性能和可靠性大大提高[1]。
开关电源的高频化是电源技术发展的创新技术，高频化带来的效益是使开关电源装置空前的小型化，并使开关电源进入更广泛的领域，特别是在高新领域的应用，推动到了高新技术产品的小型化、轻便化，另外开关电源的发展与应用在节约资源与保护环境方面都具有深远的意义[3]。
21世纪开关电源的发展技术追求和发展趋势可以概括为以下四个方面：①小型化、轻量化、高频化；②高可靠性；③低噪声；④采用计算机辅助设计和控制[4]。
主体开关电源的基本构成如图1[6]所示，其中DC/DC 变换器用于进行功率转换，是开关电源的核心部分，此外还有软启动、过流与过压保护等电路。
输出采样电路检测输出电压变化，并与基准电压进行比较，误差电压经过放大及脉宽调制（PWM ）电路，再经过驱动电路控制功率器件的占空比，从而达到调整输出电压大小的目的。
DC/DC 变换器有多种电路形式，常见的有工作波形为方波的PWM 变换器以及工作波形为准正弦波的谐振型变换器，在本设计中采用PWM变换器来控制功率器件的占空比。
本设计主要由四个部分组成：1）整流滤波电路；2）升压斩波电路；3）PWM 脉宽调制电路；4）按键显示电路。
1. 单相桥式整流滤波电路单相桥式整流滤波电路如图2[1]所示。
负载R L 未接入（开关S 断开）时的情况：设电容器两端初始电压为零，接入交流电源后，当v 2为正半周时，v 2通过D 1、D 3向电容器C 充电； v 2为负半周时，经D 2、D 4向电容器C 充电，充电时间常数为。
半导体脉冲功率开关发展综述
况 ，包 括 几 种 专 为 脉 冲 功 率 领 域 设 计 的 器 件 和 用 于 脉 冲 功 率 的常 规 电力 电子器 件 。
图２ Ｓ Ｒ Ｄ工 作 电路
Ｆ ｇ ｅ ａｉ ｇ ｃｒ ｕ ｔ ｏ ｈ Ｄ ｉ ．２ Ｏｐ ｒ ｔ ｉ ｉ ｆ ｔ ｅ ＲＳ ｎ ｃ
ａ ｄ ＳＣ－Ｆ ． ｈ ｔｕ ｔｒ ｎ ｐ ｒｔ ｇ ｐｉｃｐｅ ｏ ｈ ＲＳ ａ ｄ Ｓ ｈ ｔａｅ ｅ ｐ ｃａｌ ｐ ｌ ｄ ｉ ｈ ｕｓｄ ｎ ｉ Ｊ ＥＴ Ｔ ｅ ｓｒｃｕ ｅ ａ ｄ ｏ ｅａｉ ｒ ｉｌ ｆｔｅ ｎ ｎ Ｄ ｎ ＯＳ ｔａ ｒ ｓ ｅ ｉｌｙ ａ ｐｉ ｎ ｔｅ ｐ ｌｅ ｅ
外 的发 展 都 极 为 活 跃 。 从 １７ ９６年 起 ， ＩＥ 由 Ｅ Ｅ主 办 的 国 际脉 冲 功 率 会 议 每 两 年 组织 召 开 一 次 。同
地将 已有 的 Ｍ ｒ 发生器与传输线技术相 结合 。 ａ ｘ 产 生 了持 续 时 间 为 纳 秒 级 的 大 功 率 脉 冲 ，为 脉 冲 功 率学科 的形成奠定 了基础。 脉冲功率技术 最初的研究吸引力来 自军事方 面 的应 用 ，例如产 生强流粒子束 或 闪光 ｘ射 线 、
但 为适 应脉冲功率的工况 ，需满足高 的电流 上升 率、高的峰值 电流 、高的断态重复峰值 电压等要
求 ；微 秒 至 纳米 窄脉 宽 下 器 件 可 安 全 通 过 的 电流
脉冲功率技术综述
型（笔者的发明专利），它们均利用爆炸 线、径向传输线和螺旋传输线。
激波加热惰性气体成等离子体作磁流
（２）Ｂｌｕｍｌｅｉｎ线
体，因此具有异常高的磁雷诺数和窄脉
它是一种双层传输线，匹配负载能
宽输出；而 ＭＦＣＧ－ＭＨＤ 型是利用爆炸磁 获得线的充电电压值，通常分为平板型
通压缩为 Ｍ Ｈ Ｄ 机的磁体励磁，从而得到 和同轴型，图 １２（ａ）表示 Ｂｌｕｍｌｅｉｎ 线工
脉冲功率技术综述
■ 武汉大学电气工程学院电磁发射研究所 王 莹
概 念
１． 脉冲功率定义 尽管脉冲功率学科已诞生 ４０ 余年， 并被《中国电气工程大典》收录，被国 务院定为二级学科；但世人至今知之甚 少或了解不全面。就其字面而言，“脉 冲”表示在时间间隔宽度内输出的量数 值，“功率”是单位时间内的能量（Ｊ／ｓ）， 合义便是以脉冲形式出现的功率（单位 时间能量），即“脉冲功率”（ｐ ｕ ｌ ｓ ｅ ｄ ｐｏｗｅｒ）。 但涵义并非如此简单。由于历史上 最初提出该术语人的疏忽和翻译的不甚 考究，对“脉冲功率”的字面涵意并不 能完全顾名思义地理解。现代人常对 ｐｕｌｓｅｄ ｐｏｗｅｒ这样解释：将电能慢慢地高 密度储存起来，然后脉冲地短时间快速 释放出来，从而获得巨大脉冲功率。 显然这里有两处词不达意：第一，自 然界有多种脉冲功率型式，诸如水库水 闸放水、地震、海啸、火山喷发、星球碰 撞、核爆炸、雷电等都有脉冲功率出现； 而电脉冲功率仅是其中的一种。４０ 年前 提出“脉冲功率”术语的人认为其他型式 的脉冲功率不可控、不便应用，他们就省 去了“电”字，仅用 ｐｕｌｓｅｄ ｐｏｗｅｒ 直接代 表“电脉冲功率”到现在。第二，从字面
图 ４ 全电感隔离型 Ｍａｒｘ 发生器
功率；三是空间和时间压缩并举。因为 提高功率的办法只有增多能量或缩短释 放时间；因此，脉冲功率系统应当包括 三大部分：①储能或脉冲发生系统；② 脉冲压缩或成形系统；③负载及其应用 系统。如图 ２ 所示。
开关电源技术综述
计算机开关电源变压供电的研究分析学院：电气信息工程学院专业：电气工程及其自动化班级：姓名：学号：指导老师：2020 年 10月开关电源技术综述摘要：本综述以开关电源为主题，结合计算机方面进一步了解开关电源的原理技术、在生活的实际应用、目前市场的竞争态势还有未来的发展状况。
开关模式电源又称交换式电源。
广义上来说，凡是主要组成部分是开关变换器，并且在转换时，利用PWM或者PFM技术通过闭环模式来控制开关变换器从而可以稳定输出电流或电压的，还具有保护与显示环节的电源就可以称之为开关电源。
当今社会科技水平日益提高，电力电子信息方面的技术飞速发展，开关电源已经被人们广泛应用于家用电脑计算机等各种领域。
其中，老旧版本的台式机电源越来越难以满足人们的需求，所以人们同时进行着开发相关电力电子器件和开关变频技术，使这两者能相互辅助、相互促进，从而使得开关电源的应用以每年超过两位数的速率增长。
电脑电源技术层面上向着小轻薄、抗干扰、低噪声、高可靠的方向发展。
This review takes switching power supply as the theme, combined with computer to further understand the principle and technology of switching power supply, practical application in life, current market competition situation and future development status. In a broad sense, the power supply with protection and display link can be called on-off power supply, which is mainly composed of switching converter, and uses PWM or PFM technology to control the switch converter through closed-loop mode, so as to stabilize the output current or voltage. Nowadays, the level of science and technology is increasing day by day, and the technology of power electronic information is developing rapidly. Switching power supply has been widely used in various fields such as home computers and computers. Among them, the old version of desktop power supply is more and more difficult to meet people's needs, so people are developing related power electronic devices and switching frequency conversion technology at the same time, so that the two can complement and promote each other, so that the application of switching power supply increases at a double-digit rate every year. The computer power supply technology is developing in the direction of small and thin, anti-interference, low noise and high reliability.一、历史发展一般用交流电源或者直流电源来作开关电源的输入端，而输出端多半是要直流电源的设备，例如个人计算机电脑，而开关电源就是在两者之间转换电流电压。
脉冲功率技术综述续
官丰自珂龙（Ｐａｔｒｉｃｋ Ｋｒｏｎ）强调，为了尽可能顺利渡过经济危 机，集团已推｝ｎ相应行动计划，在确保高额储备订单项目均能 圆满完成的同时，注重优化成本、提升灵活应变能力并按轻重 缓急制定投资计划。
从上述可见，脉冲功率科学技术是 电气科学技术发展的必然产物，与冲击
高电压和大电流技术密切相关，是应用 电工理论发展起来的新技术；在诞生的 ４０年内，已有长足和迅猛的进展，已成为 一门学科或科学技术，特别对推动和发 展国防科学技术进步有重大影响，致使 形成“电磁武器”门类。成为新概念武器 的基础，导致笔者率先在世界提出“新概 念武器”术语和出版相关专著，并成为兵 权领域新学科。所有这些成果，都是缘于 脉冲功率技术在众多应用方面，尤其在 新概念（电磁）武器方面有诱人的应用潜 力，刺激人们重视和发展它的结果，脉冲 功率科学技术发展前景美好。
产
经
脉冲功率技术综述（续）
■ 武汉大学电气工程学院电磁发射研究所 王 莹
负载类型及其应用
１。产生强流粒子束 把脉冲高电压加到各种二极管上可 产生强流粒子束或闪光ｘ射线。强流粒 子束町以用于：①抗核加同研究；②作 粒子束武器；③集团离子加速；④电子 束产生热激波；⑤电子束起爆高能炸 药；⑥电子束加速大质点；⑦制作脉冲 中子源；⑧惯性约束聚变研究；⑨尾流 场加速；⑩建立脉冲７（Ｘ）射线环境（见 图５ａ）。图１就是一台中型强流电子束加 速器。 ２．泵浦强激光（武）器 现代新概念强激光武器，多采用电 脉冲功率泵浦。这类强激光器主要有： 电泵浦ＣＯ，激光器、准分子强激光器、自 由电子激光器（放大型和振荡器型）、软 ｘ射线激光。 ３．激励强电磁脉冲 强脉冲电磁场有荸要用途，一方面 可用它作电磁脉冲武器以便软或硬杀伤 目标；另一方面，可用产生的强电磁脉 冲进行各种模拟试验，以此加固己方的 电子、电力系统，避免电磁干扰破坏。 激励高功率电磁脉冲的方法分两 类：一类是用高功率粒子束激励，产生 高功率微波，制作微波武器；二是用高
软开关技术综述
软开关技术综述开关电源就是采用功率半导体器件作为开关元件，通过周期性通断开关，控制开元件的占空比来调整输出电压。
开关电源的构成框图如图1所示，它由输入电路、变换电路、输出电路和控制电路等组成。
功率变换是其核心部分，主要由开关电路和变压器组成。
为了满足高功率密度的要求，变换器需要工作在高频状态，开关晶体管要采用开关速度高、导通和关断时间短的晶体臂，最典型的功率开关晶体管有功率晶体管（CTR）、功率场效应管（MOSFET）和绝缘型双极型晶体管（IGBT）等3种。
控制方式分为脉宽调制、脉频调制、脉宽和频率混合调制等3种，其中最常用的是脉宽调制（PWM）方式。
从60年代开始得到发展和应用的DC－DC PWM功率变换技术是一种硬开关技术。
为了使开关电源在高频状态下也能高效率地运行，国内外电力电子界和电源技术界自70年代以来，不断研究开发高频软开关技术。
软开关和硬开关波形比较如图2所示。
从图可以看出，软开关的特点是功率器件在零电压条件下导通（或关断），在零电流条件下关断（或导通）。
与硬开关相比，软开关的功率器件在零电压、零电流条件下工作，功率器件开关损耗小。
与此同时，du/dt和di/dt大为下降，所以它能消除相应的电磁干扰（EMI）和射频干扰（RFI），提高了变换器的可靠性。
同时，为了减小变换器的体积和重量，必须实现高频化。
要提高开关频率，同时提高变换器的变换效率，就必须减小开关损耗。
减小开关损耗的途径就是实现开关管的软开关，因此软开关技术软开关技术已经成为是开关变换技术的一个重要的研究方向。
本文对软开关和硬开关的工作特性进行比较，并对软开关技术进行了详细阐述。
2 硬开关的工作特性是开关管开关时的电压和电流波形。
开关管不是理想器件，因此在开关管开关工作时，要产生开通损耗和关断损耗，统称为开关损耗（Switching Loss）。
开关频率越高，总的开关损耗越大，变换器的效率就越低。
开关损耗的存在限制了变换器开关频率的提高，从而限制了变换器的小型化和轻量化。