浅谈脉冲功率技术的概念和应用

文主要是关于脉冲功率技术的相关介绍，并着重对脉冲功率技术的概念及其应用进行了相近的阐述。

　　脉冲功率技术

　　脉冲功率技术，就是将缓慢储存起来的具有较高密度的能量，进行快速压缩，转换或者直接释放给负载的电物理技术。被广泛应用在国防科研、高新技术研究和民用工业等诸多领域中。

　　脉冲功率系统发展概述

　　1、脉冲功率装置的构成。

　　脉冲功率技术，就是将缓慢储存起来的具有较高密度的能量，进行快速压缩，转换或者直接释放给负载的电物理技术。其实质是将脉冲能量在时间尺度上进行压缩，以获得在极短时间内的高峰值功率输出。该技术是为满足国防科研需要而发展起来的一门新兴科学技术，它是获得强流相对性电子束或离子束的重要手段，被广泛应用在国防科研、高新技术研究和民用工业等诸多领域中。

　　现阶段常用的初级能源主要包括：以电场形式储能的电容器或者Marx发生器、具有磁能的电感或者脉冲变压器、具有一定转动惯量的各类机械能发电机、化学能装置、核能装置。常用的中间储能系统和脉冲成形系统包括：脉冲变压器、容性传输线（形成线）、感性储能器、磁通压缩器（磁放大器）、磁流体发电机的通道发电系统、以及使用机械能的感应发电系统等。转换系统包括了电源内各种转换开关，包括闭合开关和断路开关两类。各种开关根据其应用方式不同可以分布在脉冲电源的不同位置。高功率脉冲电源首先将能量储存于初级能源，而后通过中间储能和脉冲形成系统充电，最后经过压缩、脉冲成形或转化等过程后，快速放电给负载。

　　2、国内外功率脉冲技术的发展历史和研究现状。

　　20世纪30年代，人们开始尝试使用电容放电产生X射线，这就是功率脉冲技术的起源。从1964年，世界上第1台强流电子束加速器SMOG（3MV，50kA，30ns）研制成功后，美、日、苏及欧洲许多先进国家的主要实验室都先后建造了众多的高功率脉冲装置。

　　Sandia实验室在1986年研制出的脉冲功率装置PBFA-II（12MV，8.4MA，40ns）是世界上第1个闯过100TW大关的脉冲功率装置。我国的高脉冲功率技术起步相对较晚，上世纪70年代，王淦昌教授领导的研究小组正式开始高功率脉冲电子束发生器的研究。1979年北京高能物理所建成了当时我国最大的强流脉冲电子束加速器闪光-I，应用于γ射线模拟源。之后一系列强流脉冲电子束加速器的建成，为我国在集体离子加速、准分子激光、电磁轨道炮、闪光X射线照相、高功率微波等高新技术领域的研究创造了较好的条件。

　　脉冲功率技术在环境工程领域的应用

　　1、静电除尘。

　　传统的直流高压静电除尘方式在实际应用中所受粉尘比电阻限制比较严重，尤其是高比电阻粉尘导电率较小，极易积聚于集尘极上，直至积累到一定程度后，大量电荷难以实现有序释放，导致反电晕情况出现，严重影响粉尘收集率。与此同时，比电阻较小的尘粒的电导率较高，极易向集尘极释放负电荷，并带上正电荷。在电机电场力作用下，尘粒被重新推入到气流中。此种情况表明，通过静电除尘器难以有效的清除比电阻小的粉尘颗粒。而脉冲功率技术能够促进以上问题的有效解决，高压脉冲产生一定电晕流，直接贯穿于极间，逐步延伸至积尘层，高比电阻积尘层击穿后，释放层上积聚的电荷，从而有效的提高除尘效率。与此同时，脉冲电晕能够产生一定数量的高能电子，这些电子的数量较多且分布均匀，能够产生更多的活性粒子，在以静电吸附粉尘离子的同时，通过等离子体消除粉尘中夹带的有机物分析和二氧化硫等，从而促进脱硫脱硝的有效实现。与传统的直流高压静电除尘方式相比，脉冲静电除尘方式更节省能量，并改善除尘效率。

　　2、臭氧制取。

　　臭氧是一种强氧化性气体，在杀菌、氧化以及漂白等方面都具有重要作用，臭氧无色无臭无强腐蚀性，以空气为主要制备原料，在突变电厂作用下，气体分子中原有少量载流子从外电场中获得能量，通过与气体分子碰撞与电离，实现氧分子的分解和氧原子的瞬间结合，从而形成臭氧。脉冲功率技术在臭氧制取方面发挥着重要的作用，有助于提高臭氧生产效率。在臭氧反应器提供双极性窄脉冲火花隙高压开关的电源中，通过对互相垂直的旋转球隙的有效利用，促进正负直流高压的斩波的实现，在对脉冲电容进行充电后，通过另一对相互垂直的旋转球隙为反应器进行供电。在对脉冲电容及反应器匹配情况进行适度调整后，电压脉冲前沿和宽度得以实现，并以旋转球隙的转速对脉冲频率进行调节，从而促进臭氧的成功制取。

　　3、废水处理。

　　由于输出电压波形具有窄脉冲特点，在高压脉冲电源作用下，液相内非平衡电极之间的处理对象分子结构会发生一定程度的改变，促使质量较轻的电子逐渐变为高能自由电子，运动过程中与其他分子碰撞后，水相化学反应生成，在活性物质的作用下，水中有机物被讲解，从而实现废水的有效处理。

　　关于脉冲功率技术的发展趋势

　　1、由单次脉冲向重复的高平均功率脉冲发展。

　　过去脉冲功率技术主要为国防科研服务，并且大多是单次运行，而工业、民用的脉冲功率技术要求一定的平均功率，必须重复频率工作。

　　2、储能技术--研制高储能密度的电源。

　　在很多应用场合下，脉冲功率系统的体积和重量的大小是决定性因素，如飞机探测水下物体技术、舰载电磁炮等，都要求产生很大的脉冲功率，而且系统又不能过于庞大和笨重。

　　3、开关技术--探讨新的大功率开关和研制高重复频率开关。

　　开关元件的参数直接影响整个脉冲功率系统的性能，是脉冲功率技术中一个重要的关键技术。具有耐高电压强电流、击穿时延短且分散性小、电感和电阻小、电极烧毁少以及能在重复的脉冲下稳定工作的各种类型开关元件的研制，是当前国内外脉冲功率技术中又一个十分受重视的研究课题。

　　4、积极开辟新的应用领域。

　　近年来，脉冲功率技术在半导体、集成电路、化工、环境工程、医疗等领域的应用研究，已引起各界的广泛重视，而且在某些应用研究中，已取得了可喜的进展。凭借成功应用的经验，脉冲功率技术将更多地应用于民用技术方面，民用是一个巨大的市场，而市场的推动又必将给脉冲功率技术的发展带来新的生机。脉冲功率技术是现代电力电子技术中的一项重要内容，作为非平衡态等离子体中的重要方式，近年来逐渐被广泛应用于环境工程领域内，在处理环境污染的过程中，其具备高效、节能、清洁且便捷等优势，具有广阔的应用前景。

　　脉冲功率技术的架构

　　脉冲功率（pulsed power）的实质是将脉冲能量在时间尺度上进行压缩，以获得在极短时间内（20~100ns）的高峰值功率输出。

　　脉冲功率系统一般由初始储能技术（电容器储能、电感器储能、超导储能、机械储能、化学储能、核能等）产生所需的初级脉冲波形（毫秒到微秒量级），然后再利用脉冲成形和开关技术，在时间尺度上通过对能量的脉冲进行压缩、整形，实现输出脉冲峰值功率的放大，并输出到负载，为高科技装置和新概念武器提供强电脉冲功率源。下面本文主要根据当今脉冲功率技术发展介绍主要储能系统及脉冲压缩成形系统相关内容。

　　图示1：脉冲功率系统构成拓扑图

　　一、储能或脉冲发生系统

　　目前脉冲功率技术的储能方法有：电容储能、电感储能、化学储能、机械储能等几种。

　　01电容器储能型系统

　　电容储能是被研究最早的一种储能方式，也是目前应用最广的储能方式。其技术成熟，可用于毫秒、微妙、纳秒量级的脉冲功率装置中。作为储能器件，具有容量大、内部电感极小、耐压高的特性，储能达数千焦耳至数兆焦耳，缺点是储能密度低，在107J以上的装置上使用不够经济。

　　02电感储能型电源系统

　　相比电容储能，电感储能的储能密度高，系统体积小、重量轻、造价降低，因此应用电感储能有潜力得到更高的能量利用率和脉冲功率，并且电感储能系统的绝缘问题相对容易解决。目前被广泛应用于等离子体物理、强激光、电磁辐射等研究领域。

　　03化学储能电源系统

　　化学储能实际上就是利用储能材料相接触时发生化学反应，而通过热能与化学能的转换储存能量储存起来。它具有很高的储能密度（例如TNT炸药储能密度为5.25*10^3J/cm³）。并且它们又能快速脉冲地释放和转换成电脉冲，所以现代脉冲功率技术常采用化学能的脉冲发电装置，除高储能密度的电化学电源（如蓄电池）外，常用的还有各种形式的磁通压缩发生器（发电机）、脉冲磁流体发电机和磁流体电容器等。

　　04机械储能电源系统

　　机械储能装置最常见的是脉冲发电机和单机发电机，并且多是先用透平机或电动机把大质量飞轮驱动起来旋转到高速度，使飞轮惯性地储存动能，然后突然转接到脉冲发电机的转子轴上，使其产生电脉冲输出，同时飞轮因释能而被减速或停转。

　　二、脉冲压缩或成形系统

　　脉冲成形系统是通过能量或时间压缩方法，对储能或发生系统输出的功率脉冲进行整形和变窄，以达到需要的脉冲功率值和脉冲形状以及脉宽的要求。主要有以下几种类型：

　　01脉冲功率变压器

　　脉冲功率变压器不同于一般的脉冲变压器，它具有大脉冲功率容量，主要用它改变电压和电流幅值，以及压缩和改变脉冲形状，主要有４类：①双谐振脉冲变压器；②电缆绕组型脉冲变压器（空心和铁心的）；③纳秒脉冲变流器；④特殊脉冲变压器，包括马丁式、ＨＰＧ馈电式、自耦三段式、非均匀传输线式、串级式脉冲变压器。

　　02大功率短路开关

　　大功率短路开关可以隔离或闭合脉冲功率装置，转换能量，缩短脉冲前沿和压缩脉冲，从而改变脉冲形状。大功率短路开关种类繁多，主要有：①用电极触发的气体放电开关（包括三电极放电器和四电极短路开关）；②激光触发的短路开关；③触发真空开关（包括平面电极型、同轴电极型、杆排电极型、圆筒阳极型和金属等离子体电弧开关）；④固体开关（包括可控固体开关、半导体功率器件和光电导通脉冲功率开关）；⑤表面放电开关；⑥自击穿开关（包括二电极自击穿开关和多开关型整流器）；⑦大功率气体和液体场畸变开关；⑧连续－重复脉冲开关；⑨磁开关。

　　大功率断路开关常用于电感储能脉冲功率装置，其功能是切断电路、升高电压和时间压缩脉冲，主要有：①电爆炸导体断路开关（金属丝或箔）；②等离子体融蚀断路开关（融蚀模型和雪犁模型）；③机械式断流器（包括真空断流器、波纹式断流器和受控固体断路开关）；④金属等离子体弧开关；⑤交叉场管；⑥等离子体枪或ＤＰＦ开关；⑦热驱动断路开关；⑧超导断路开关；⑨非线性电阻固体开关；⑩反射开关；电子束控制开关（含闭合功能）；炸药爆炸断路开关（单向碎裂型和无感型）。