摘要: 21世纪以来，以固态化、模块化和智能化为特征的全固态脉冲叠加器研制技术的持续突破，推动着脉冲功率应用逐渐从核工业向生物医疗、等离子刻蚀装备、超宽带雷达和脉冲激光调制器等军民融合领域不断拓展，极大地丰富了相关学科的科学内涵和技术形式。... 展开 21世纪以来，以固态化、模块化和智能化为特征的全固态脉冲叠加器研制技术的持续突破，推动着脉冲功率应用逐渐从核工业向生物医疗、等离子刻蚀装备、超宽带雷达和脉冲激光调制器等军民融合领域不断拓展，极大地丰富了相关学科的科学内涵和技术形式。随着研究的深入和应用领域的不断延伸，对综合满足多参数调制的短脉冲叠加器的需求尤为迫切，尤其是综合满足更快前沿(＜2.5ns)、更短脉冲(＜20ns)、方波平顶、脉宽灵活可调(5~20ns)和更高电压等多项指标的纳秒短脉冲发生器的关键技术突破成为了亟需解决的瓶颈问题。电感储能型脉冲形成线以高能量密度优势成为当前短脉冲叠加器最具潜力的方法之一。基于此，本文以电感储能型脉冲形成线为研究对象，以实现综合参数突破为目的，围绕开关特性、驱动方法、电路原理、脉冲叠加和控制理论等方面开展了系统深入的研究。主要研究工作如下： ①结合脉冲功率应用中瞬态强场工况和更快开关速度需求，在研究碳化硅器件场效应晶体管开关特性的基础上，提出了碳化硅场效应晶体管叠层封装结构。实现了瞬态强场极端工况下半导体开关超低杂散参数设计、互扰解耦和高效散热；搭建了SiCMOSFET集中参数电路模型；揭示了瞬态强场下寄生电感导致耦合干扰的机制原理；设计了叠层封装结构并控制其功率回路寄生电感小于1nH；突破了金球点阵、温度梯度焊接等底层工艺，有效控制了工艺难度和成本；通过紧凑空间绝缘填充和解耦电感等关键技术，解决了瞬态强场下耦合干扰问题；结果表明：所提封装有效提升了开关速度和开关效率并极大增强了散热能力。 ②基于GaNHEMT优异的静态、动态性能，设计了板上集成强流超快栅极驱动电路。通过驱动-开关混合电路模型分析，得到了驱动-开关寄生参数与开关动态特性响应规律；提出了输入电容充放电路径分立层叠方法，使其充电回路寄生电感小于0.7nH。实验结果表明：驱动电压上升时间达到2.3ns，驱动电流峰值可达57.62A。所提驱动显著提升了开关速度，并可有效抑制驱动电压的“地弹起”。 ③研究了电感储能形成线中脉冲电磁场时空运动机制及调控方法。提出了多开关切束型脉冲宽度和负载阻抗调制电路拓扑；利用传输线中脉冲折反射规律，完成了电感储能形成线中电磁波传递的数学分析；通过双开关协同时序调控，实现了脉冲宽度和阻抗调制。结果表明：在宽范围负载电阻条件下，可实现脉冲宽度5~20ns连续可调，脉冲上升时间为2.1ns。 ④揭示了多模块时间分散性和分布参数对脉冲叠加的影响规律，提出了基于时间隔离和变阻抗传输线变压器的脉冲叠加方法。论文根据短脉冲传播规律，设计了多模块堆叠回路结构，有效减少了脉冲高频损失；开发了低时间分散性同步触发电路；提出了时间隔离法、平衡-不平衡变阻抗传输线变压器、不平衡-不平衡变阻抗传输线变压器结合时间隔离法三种脉冲叠加方式。结果表明：脉冲叠加器的脉冲幅值可达到10.7kV，重复频率为200kHz。 综上所述，本论文从固态开关提速封装、强流超快栅极驱动、电感储能形成线脉宽及阻抗调制电路、多模块脉冲功率叠加方法四个方面进一步发展了电感储能形成线短脉冲叠加器技术。同时，在机制原理、关键技术、底层工艺等多方面实现了突破，为电感储能型短脉冲发生器设计提供了必要的理论依据和关键技术支撑。 收起