用回扫变压器赋能的光导开关功率辐射系统

用回扫变压器赋能的光导开关功率辐射系统 1 1 1 2 1 1 1吴明和, 阮成礼, 杨宏春, 贾文选, 曾 刚, 王 珊, 孙云卿 () 1 . 电子科技大学物理电子学院 ,成都 610054 ;2 . 成都光大电力电子研究所 ,成都 610155 摘 要 : 为了达到回扫脉冲调制器的预期指标 ,计算了相关参数 ; 说明了选择回扫调制器作为脉冲高压电源的原 因 。该脉冲调制器可提高单个光导开关的耐压 、寿命和天线的辐射功率 ,同时因该脉冲调制器体积小 ,重量轻 ,可 将其和光导开关辐射系统组合为一个子系统组合 ,各个子系统组合再组成天线阵系统 ,提高了天线阵的辐射能量 . 关键词 : 调制器 ; 光导开关 ; 回扫变压器 ; 天线 ; YA G 激光器 ; 光电同步装置 () 中图分类号 : TN2 文献标志码 : A 文章编号 : 100326520 20070920143203 High2po wer Ra diat ion System wit h PCSS Act ing a s t he Photocon duct ive Switch and a Scann ing2back Charging Transf ormer 1 1 1 2 WU Mi ng2he, RU A N Che ng2li, YA N G Ho ng2ch un, J IA We n2xua n, 1 1 1ZEN G Ga ng, WA N G Sha n, SU N Yu n2qi ng (1 . School of Physical Elect ro nic s , U niver sit y of Elect ro nic s Scie nce a nd Tec h nolo gy of Chi na , )Che ngdu 610054 , Chi na ; 2 . Che ngdu Gua ngda Elect ro nic s In stit ut e , Che ngdu 610155 , Chi na Abstract : Pho toco nductive switching in a semico nducto r ha s unique adva ntage s fo r co nt rolling elect rical ener gy in t he time f rame required fo r micro wave po wer generatio n. Sca nning back cha r gi ng switch po wer supply ha s goo d charac2 ( ) teri stic s , such a s lit tle vol ume , light weight , so it i s used in single Pho to2Co nductive Semico nducto r Switch PCSSradiatio n system. In t he a bsence of light , PCSS i s a goo d insulato r , cap a ble of sust ai ning elect ric fields app roaching 200 kV/ cm. When la ser co mes o n , PCSS t ur ns o n a nd a ntenna s radiate . Inp ut voltage of t he p ul se po wer supply va2 ries f ro m 30V to 220V a nd t he maximum o utp ut voltage i s 30 kV . So me pa ra met er s a re calculated acco r di ng to t he requirement s of t he p ul sed po wer supply. Thi s kind of solid2state p ul sed po wer mo dulato r ha s p ro vided t he necessa2 r y of high voltage a nd achieved lo ng PCSS lif etimes. Scanning back char ging t ransfo r mer i s de signed in det ail . Over2 all co nsideratio ns place specific requirement s upo n p ackaging app roache s. High voltage de signs are op timized wit h lar ge spacing and ro unded co nducto r edge s. Pla nar layo ut s i s selected to give micro wave de sign t he highe st p rio rit y dimensio n co nsideratio ns a nd we rely o n t he dielect ric st rengt h of high qualit y Teflo n subst rat e acco mmo date s high voltage a spect s. So me coa xial geo met ries , w hich have inherently less co nf lict bet ween high voltage a nd micro wave de sign r ule s , re sult in excellent high f requency p erfo r ma nce . Key words : mo dulato r ; PCSS ; scanning back cha r ging t ra nsfo r mer ; a ntenna ; YA G la ser system ; delay generato r 体产生光生载流子 ,改变半导体的电导率 ,在电路中 0 引 言 [ 1 ] 产生电脉冲。其优良特性为 : ?极快的响应速度 ; [ 2 ,3 ] ( ) 光导开关 PCSS是一种新型的固体开关器件 , ?大功率容量 ; ?触发简单且精准。 有广泛的应用前景 。回扫脉冲调制器具有体积小 , 重量轻等优点 ,故选其作为脉冲高压电源 。本文介 绍了用激光触发的光导开关作为开关器件 ,用回扫 脉冲调制器作为脉冲高压电源 ,建立一套超宽带辐 射系统 。其调压器输入电压 30 ,220 V 可调 ,输出 电压最大值为 30 kV 。 1 PCSS 功率辐射系统 图 1 光导开关 ) (PCSS 见图 1 中黑色薄片利用激光触发半导 Fig. 1 Photoconductive semiconductor s witches ( PCSS) [ 426 ] PCSS 功率系统具有峰值功率高 ,可集成化() 基金资助项目 : 电子科技大学青年基金 J X05022 、项目基金 等优点 。利用 n s 激光触发 ,前期实验得到单个 PC2( ) R Y0504。 SS 功率系统的最高峰值功率为 1 M W 。这是目前 Project Suppo rt ed by Fo undatio n of U ES TC Yo ung Schola r ( ) ( ) Trai ni ng Pla n J X05022a nd t he Project R Y0504. 国内单个 PCSS 最高峰值功率 ,实验系统如图 2 。 图 2 电脉冲的直接测试电路 图 3 光导开关辐射系统和电源 Fig. 2 Testing circuit of the electric pulse Fig. 3 Po wer supply and radioactive system of PCSS 图 4 基于回扫变压器的调制器与光导开关功率辐射系统的连接 Fig. 4 Connection bet ween modulator and radioactive system of PCSS μC充电 、储能 。另一路电信脉冲调制器给储能电容 在系统中 ,直流电源给 01 47F 电容充电 ;在激光的 3 作用下 , PCSS 导通 , 产生 峰 值电 压较 高 的电 脉冲 ; 号触发激光器 ,通过 p s 激光器产生激光 。光导开关 电脉冲通过 60 dB 的衰减器 ,衰减后的信号接入阻 可在 p s 时间内导通 ,产生超宽带电脉冲 ,电脉冲由 Ω 抗为 50 的示波器 。示波器输出电脉冲的波形 。 超宽带槽天线辐射 。若每个功率辐射系统的体积足 ( ) 可用 PCSS 和天线组合成功率辐射系统 , 辐射够小 ,还可由天线组阵 集成化来提高整个功率系 [ 527 ] 高功率电磁波。将电源和 PCSS 辐射系统如图 3 统的功率 。( 连接 。当 PCSS 没有激光照射时 ,其暗电阻很大 约 2 调制器的主要性能指标Ω) 为 200 M, 电源电压几乎全部加在其两端 ; 当激 光照射 PCSS ,其电阻迅速减小 ,天线辐射能量 。 调制器负载为平板电容器 C。按负载参数 ,调3 PCSS 两端为直流高压 , 其暗电 阻将 产生 01 15 制器指标 :输入 在 30 , 220 V 可 调 , 输出 最 大值 为mA 的暗电流会使其热击穿 。为保护延长其寿命 , 了各种脉冲调制器让其两端承受的电压为脉冲 μ 30 kV ,脉冲上升沿 < 5s ,电容器耐受 30 kV 的时间[ 8 ] ( 电压 。如 真 空 管 脉 冲 调 制 器、I GB T Isolatio n μ> 20s ,重复频率 1,5 Hz 可调 。单个脉冲调制器体 [ 9 ] ) Gat e Bipola r Tra n si sto r开关脉冲调制器和回扫 积 < 155 mm ×225 mm ×100 mm ,质量 < 21 5 kg 。天 [ 10 ,11 ] 调制器。但真空管脉冲调制器的体积大 ,不易 Ω 线为超宽带槽天线 ,其输入阻抗约 150 ,见图 5 。 集成 ;以 I GB T 为开关的脉冲调制器体积虽较小但 易坏 ,串 、并联需复杂的均压网络 。故选回扫调制器 3 调制器的设计 、分析 给 PCSS 功率辐射系统赋能 ,见图 4 。 本脉冲电源采用回扫变压器的设计见图 图 4 中建立在调制器基础上的功率辐射系统由 4 。回扫变压器实际上是反激式开关电源变压器 ,用 脉冲调制器 、光电同步装置 、光电导开关 、天线等子 电感储存与释放能量来实现能量的转换 。利用回路 [ 12 ] 系统组成 。光电同步装置产生两路电信号 ,一路由特性 ,获得充电脉冲电压。220 V/ 50 Hz 交流经 整流滤波得直流 Ui ,当开关管 V T1 、V T2 受触发导通 时 ,变压器原边电压近似为 U ,但副边因整流管 Di 3 反偏截止而无电流流过 。原边电流 I= Ut/ L ,原 1 i 1 边峰值电流 I= U t/ L , L 为初级电感 ; t 为原线 1p i o n 1 1 圈充电时间 ; t为开关导通时间 。变压器储存能量 ; o n 当 V 、V 关断时 ,各绕组电压反向 ,整流管正向导T1 T2 [ 12 ] 通 ,变压器储存的能量通过 D向 C充电。激光 3 3 照射 PCSS , C放电 ,天线辐射能量 。3 3 . 1 回扫变压器的分析 回扫变压器调制器系统中 ,关键是根据调制器 的指标要求设计 、分析回扫变压器 。 图 5 超宽带槽天线 ( ) C8 p F 充 电 到 额 定 值 U = 30 kV , 即 有 :3 0 Fig. 5 Ultra2band slot antenna 2 2 ( ) ( μL I/ 2) ? CU / 2 = 31 6 mJ 。设 t为 1s , I 1 p 3 o n 11 0 2 2 2 ( ) = U t/ L , L I/ 2 = U t/ 2 L i o n 1 1 p 1 1 i on ?31 6 mJ , 故 L 1 μμ= 121 5H ,取 L = 13H 。计算 I= Ut/ L = 1 1 i o n 1 24A 。变比 n = U / U = 100 。回扫变压器 L 储0 i 1 2 存的能量 : L I/ 2 = 31 74 mJ 。 1 1 2 计算次级电感 L = nL = 130 m H ; 次级电流 2 1 2 I= I/ n = 01 24 A ; 次级能量 L I/ 2 = 31 74 mJ ; 按 2 2 1 2 2 2 πμL = 4 t/C,次级放电时间 t d 2 3 d= 11 6s 。 Ωρ 回路的特性阻抗= L 2 / C3 = 127 k; 回路 - 1 μω 自然谐振角频率 = 1/L C= 01 98s; 因 C 2 3 3 ω ρω ω上电压 U = U co st +I si nt , i = - U si n C3 c0 2 c0 ρω t/+ Ico s t 。脉冲到达时电容器初始电压 U =2 c0 ρω ω 0 ,故 U = I si n t , i = Ico st 。当 i = 01 24co sC3 2 2 ω πω t = 0 , 则 L 的储能变为 C的储能 , t =/ 2= 11 62 3 2 μρπs , U =I si n/ 2 = 301 5 kV , CU / C2 = 31 7 mJ 。 C3 2 3 3 图 6 脉冲波形图 3 . 2 充电波形 Fig. 6 Wavef orms of the pulses μC充电至 301 5 kV , 需 11 6 s , C和其余参数 3 3 波形见图 6 ,接受天线信号见图 7 。 4 结 论 ) a自制的脉冲调制器可提高单个 PCSS 耐压 , 延长其寿命 ,提高天线的辐射功率 ; 同时 ,因该调制 器体积小 ,重量轻 ,可与 PCSS 辐射系统形成子系统 组合 ,再组合组成天线阵系统 ,提高辐射能量 。 ( ) b得到了 GaA s PCSS 的雪 崩 工作 模式 以 前 ) 的直流电源系统中从未得到过。 参 考 文 献 μ[ 1 ] 吴明和 ,阮成礼 ,杨宏春. 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