三、特种电源集成及应用研究综述

1.空间环境地面模拟装置

空间环境地面模拟装置（Space Environment Simulation and Research Infrastructure，SESRI）是由哈尔滨工业大学承建的国家重大科技基础设施建设中长期规划——“十二五”时期建设重点之一，旨在地面上模拟太阳系空间环境。针对该空间环境因素种类多、参数变化大的特点，综合模拟其特有的真空、高/低温及热循环、粒子辐照、电磁辐射、等离子体、碎片/粉尘、磁场、中性气体分子（原子氧、星球大气、材料析气、羽流等）、微重力九类环境因素，其中空间等离子体环境模拟与研究系统（Space Plasma Environment Research Facility，SPERF）是该装置的重要分系统之一，其能够实现大尺度、高密度/强碰撞等特征的空间等离子体地面物理模拟和多种电磁波/磁场的时空分布。SPERF系统按照功能划分为近地空间等离子体环境模拟系统和临近空间等离子体环境模拟系统两个部分，分别模拟地球空间中特定区域所需要的等离子体环境来进行物理实验。在近地空间等离子体环境模拟系统中，主要进行磁层顶磁重联模拟实验、由外部等离子枪驱动的模拟磁重联实验以及研究模拟“地球辐射带”的电磁波与等离子体相互作用的实验。为了模拟上述三种实验研究内容中所需的负载磁场环境，需要在直径5 m，长10 m的真空仓内使用包含18个线圈的磁体系统来提供物理实验所需的背景磁场。整个磁体系统包括4个磁鞘极向场（PF）线圈、4个磁鞘环向场（TF）线圈、6个磁层顶位形控制（CK）线圈、1个偶极磁场（OJC）线圈、1个磁扰动Ⅰ型（CRDⅠ）线圈、1个磁扰动Ⅱ型（CRDⅡ）线圈和1个磁镜场（CJC）线圈。

为了描述地面模拟装置中磁重联过程与真实宇宙空间等离子体中无碰撞磁重联过程的关系，人们采用伦德奎斯特数来说明二者的近似程度，该参数与装置的尺寸成正比、与电阻成反比，只有当伦德奎斯特数足够大时才可能近似地模拟空间等离子体物理过程。目前，已经建成的最大磁重联模拟装置——FLARE装置，其伦德奎斯特数为5000～16000，而采用相同磁通线圈技术的SPERF系统中的近地空间等离子体环境模拟系统，其伦德奎斯特数为3400～120000，这不仅需要更大的能量来驱动线圈产生实验所需的背景磁场，同时由于多种物理实验需求，使得为磁体系统提供能量的电源系统需要能够灵活地投入使用并按照设定的时序完成同步或者异步工作。此外，线圈之间的互感问题，真空舱外电源系统与真空舱内磁体系统之间的连接问题也是需要考虑的重要问题。

为此，中国工程物理研究院流体物理研究所研究团队研制了一套基于电容储能且最大储能18.3 MJ的模块化脉冲电源系统来为磁体系统提供激励电流，从而为SPERF系统中的近地空间等离子体环境模拟系统中的物理实验提供大空间尺度、多结构、参量可调的背景磁场。该套脉冲电源系统的总体结构如图10所示，主要包括作为电源控制系统的工程师站和操作员站、数据存储系统、同步触发设备、安全联锁系统、配电系统以及18套脉冲子电源，且电源标号与对应线圈的一致。

18套脉冲子电源均为模块化设计，其中PF电源由9个基于560μF储能电容的模块构成，TF电源由4个基于320μF储能电容的模块构成，CK电源由10个基于320μF储能电容的模块构成，CRDⅠ电源由2个基于320μF储能电容的模块构成，CRDⅡ电源由5个基于320μF储能电容的模块构成，OJC电源由10个基于3个并联560μF储能电容的模块构成，CJC电源使用OJC电源5个模块构成。18套脉冲子电源所使用的模块种类如图11所示，它们具有相似的电路结构，均由保护电路和放电电路组成，保护电路用于在充电过程中出现故障的情况下保护充电机、主被动泄放电容储存的能量以及接地。放电电路为并联续流支路的RLC电路，其中晶闸管组件为放电开关，二极管组件为续流开关。此外，各个模块的充电机为双极性充电机，从而降低了模块中电容器两端所接入元件的耐压条件。

近地空间等离子体环境模拟系统中的磁体系统中的各个线圈根据实验需求对所需的激励电流分为两类，一类是快脉冲电流波形，这类电流在典型时刻（T_tp）需要达到名义值（I_tp），提供快脉冲电流的电源有PF电源、TF电源、CK电源、CRDⅠ电源和CRDⅡ电源；另一类是缓脉冲电流波形，这类电流需要峰值电流（I_max）和平台期时间（T_pl）满足要求，平台期时间定义为电流不小于95%峰值电流（0.95I_max）的持续时间，提供缓脉冲电流的电源有OJC电源和CJC电源。此外，两种脉冲电流波形都对降流时间（T_D）有要求，其定义为电流从100% I_max下降至10%所需的时间。

整个脉冲电源系统及所连接的磁体系统如图12所示。在额定最大充电电压为20kV的情况下，18套脉冲子电源实际放电实验输出电流实测和仿真结果如图13所示，根据实测结果可知：PF电源输出的电流波形能够在0.11ms时达到374.3kA的幅值，且降流时间为0.596ms；TF电源输出的电流波形能够在0.08ms时达到206.8kA的幅值，且降流时间为0.467ms；CK电源输出的电流波形能够在0.11ms时达到402.2kA的幅值，且降流时间为0.596ms；CRDⅠ电源输出的电流波形能够在0.12ms时达到140.6kA的幅值，且降流时间为0.43ms；CRDⅡ电源输出的电流波形能够分别在0.65ms、0.9ms、1.1ms、1.3ms和1.4ms时达到不小于16kA的幅值，且降流时间不大于4.2ms；OJC电源输出电流波波形的峰值为18.5kA，平台期为13.4ms，降流时间为127.7ms；CJC电源输出电流波波形的峰值为12.3kA，平台期为8.15ms，降流时间为63.93ms。所有脉冲子电源的输出电流均满足设计指标要求，各套脉冲子电源能够为对应的磁体系统中各个线圈提供满足物理实验需求的电流波形。该套脉冲电源系统的研制成功对SPERF系统的稳定运行有着重大意义，并且能够为其他同类型的多负载耦合型脉冲大电流装置的研制提供重要的参考价值。

2.全固态层叠BPFN研究

脉冲功率技术在高新装备、基础科学研究和工业领域（如加速器电源、纳米材料制备、废气处理、材料表面改性等）的应用日益广泛，这些应用对脉冲功率源提出了轻小型化、重复频率运行和长寿命等新的要求[5-6]，这使得紧凑型长寿命重复频率脉冲功率技术成为脉冲功率技术的另一个主要研究方向。2005年，美国的W.C.Nunnally提出了采用平板脉冲形成线的层叠Blumlein传输线系统[7]，该系统将能量存储、开关切换和脉冲成形等模块紧密配合并放置于同一空间中，使系统的体积和重量最小化。类似地，可以采用等电容电感结构的脉冲形成网络代替传输线，构成层叠BPFN，二者的原理完全相同，唯一的区别在于脉冲形成方式的不同，两种脉冲源可以统称为层叠脉冲源。层叠脉冲源由多个模块串联层叠构成，每个模块包含两个脉冲形成单元、开关和隔离器件（电感或电阻）。开关是层叠脉冲源的核心，层叠脉冲源需要开关具备快速导通、高同步性和低电感的特点，同时，由于层叠脉冲源实现倍压输出时，电位逐层抬升，每一层开关的触发源需要工作在悬浮的高电位，因此，可以实现光电隔离的光触发开关是层叠型脉冲源最适合的选择。中国工程物理研究院流体物理研究所开展了层叠传输线型重复频率脉冲功率源的技术研究，采用光导开关研制的层叠B线型纳秒快脉冲源可实现幅值为53.6kV、脉冲上升沿为5ns、半高宽为12ns的电压输出[8]；研制的基于光导开关和层叠BPFN的固态脉冲功率源，输出电压为200kV，电流为1kA，可实现最高1kHz的猝发输出，用于产生猝发重频X光[9]；研制的15级层叠B线在2kΩ负载上实现了328kV的脉冲输出[10]；基于新型光触发多门极半导体开关（LIMS）构建的两型不同脉宽的层叠功率源分别实现了输出脉宽约为250ns，输出电压为30kV，输出电流为1.2kA，功率为36MW，重复频率为333Hz；以及输出脉宽约为89ns，前沿约为20ns，输出电压为14.9kV，输出功率为56.4MW的技术指标。

采用硅光导开关构建了BPFN单元模块（见图14）并开展了实验研究，设计PFN阻抗约为1.5Ω，BPFN阻抗约为3Ω，模块设计工作电压为20kV，输出脉宽约为100ns。可以计算出采用匹配负载时输出电压为20kV，输出电流为6.7kA，开关电流为13.4kA，采用8个开关并联，单个开关电流约为1.7kA，触发能量约为3mJ，总触发能量为24mJ。模块典型输出波形如图14所示，输出电压为18kV，输出电流约为6kA，输出功率为100MW，前沿为30ns（10%～90%），脉宽约为90ns，模块可以实现30Hz重复频率数10min连续工作。

基于光触发多门极半导体开关研制了两种不同输出脉宽的层叠脉冲源BPFN。第一种层叠脉冲源BPFN，C₀=7nF，L₀=28nH，单个PFN阻抗为2Ω，电容个数为10，可以计算出输出脉宽T=250ns。为了减小开关电流，BPFN中采用了两个开关芯片并联的结构，基于LIMS的层叠BPFN脉冲源及典型输出波形如图15所示。充电电压为4.9kV，重复频率为333Hz时，输出电压约为29.6kV，输出电流约为1.22kA，输出功率为36.1MW，输出平均功率约为3kW。

第二种层叠脉冲源BPFN，C₀=1nF，L₀=25nH，单个PFN阻抗为5Ω，BPFN模块阻抗为10Ω，电容个数为10，可以计算出输出脉宽T=100ns，开关设计工作电压为10kV，采用两个光触发多门极开关串联。共15个模块采用5并3串设计，设计输出功率为150MW，源阻抗为6Ω，采用阻值为6Ω的固体电阻匹配负载，进行了初步放电调试，结果表明，充电电压为6kV时，输出电压约为18.4kV，输出功率为56.4MW，输出脉冲前沿为20ns，脉宽约为89ns。100ns层叠BPFN脉冲源模块、集成及输出波形如图16所示。预计单个开关触发光能约为0.5mJ，总触发光能为15mJ，满功率运行可实现150MW的输出功率，等效为100MW时触发光能约10mJ，比硅光导开关下降约60%。

3.高新技术领域用特种电源研究

（1）全固态冲激脉冲源研究

冲激雷达具有距离分辨力高、频谱超宽等优良的特性，在反隐身雷达、电子战干扰机等军事电子领域有广阔的应用前景[11-13]。随着相关技术的不断进步，对冲激雷达提出了更高要求——固态化、模块化、紧凑轻量化、高重复频率、长使用寿命和良好的环境适应性。一个设计优良的脉冲源是实现上述技术指标的根基，当脉冲源的脉宽越窄、输出幅值越高、幅值抖动越小时，频谱宽度越宽、探测距离越远、探测精度越高，而且有利于天线辐射效率的提升[14-16]。因此，冲激雷达前端的脉冲源的设计至关重要。

为提升冲激雷达探测效率，要求前端亚ns脉冲源可以在高重复频率下工作，因此脉冲源朝着固态化方向发展。目前，亚ns固态脉冲源中的开关器件一般采用雪崩晶体管或者阶跃恢复二极管，但雪崩晶体管需要使用逆变高压电源激励，对能源需求较高且体积较大；而阶跃恢复二极管工作电压较低，单只器件难以实现较高功率输出，实际使用时并联数量较大，体积庞大[17]。因此，需要进一步提升单个器件的输出功率，降低系统复杂度和体积重量。

与雪崩晶体管、阶跃恢复二极管等器件相比，光导开关具有体积小、重复频率性能好、闭合时间短（ps量级）、时间抖动小（ps量级）、开关电感低（亚nH）、同步精度高（ps量级）、电磁兼容性强等优势[18]，非常适合用作亚ns固态脉冲源中的开关器件，而且易于实现功率合成。基于堆栈结构光导开关模块和微片激光器集成化设计的亚ns固态脉冲源是一种实现高功率亚ns脉冲输出的全新技术途径，在冲激雷达、超快脉冲计量测试等领域有广阔的应用前景。

中国工程物理研究院流体物理研究所研究人员设计了一种基于堆栈结构光导开关和微片激光器集成化设计的亚ns固态脉冲源，提出的微堆栈结构光导开关可以抑制电场局部集中、产生光栅效应、降低开关导通电阻；还可以减弱开关热载流子效应、抑制电流丝，进而提高系统输出效率；提出的脉冲形成模块与微片激光器一体化集成设计大幅度减小了系统体积，为后续多单元组合应用奠定了基础。研制了一台基于堆栈结构光导开关模块和微片激光器集成化设计的固态脉冲源，该脉冲源在重频为200Hz、输出电压为10.3kV、输出脉宽（半高宽）为950ps、前沿为330ps的条件下，可连续工作60min以上，这是一种实现高功率超窄脉冲输出的全新技术途径。

图17所示为基于光导开关的亚ns固态脉冲形成模块，采用激光触发。由于现有的窄脉宽输出激光器体积庞大，针对此问题，中国工程物理研究院流体物理研究所研究人员设计采用LD泵浦的微片激光器触发光导开关，实现了基于堆栈结构光导开关的亚ns固态脉冲形成模块与微片激光器一体化集成设计，大幅度减小了系统体积，为后续多单元组合应用奠定了基础。LD泵浦的微片激光器输出光脉冲宽度约为400ps，输出单脉冲能量大于1mJ。此外，为精确测量亚ns固态脉冲源输出电压波形，设计了基于同轴电缆的宽频率响应范围电容分压器，该分压器采用电阻补偿电容扩展高频响应能力、翼形结构电极箔拓展低频特性，工作频率范围为100kHz～2GHz[19]。研制的集成化亚ns固态脉冲源实物照片如图18所示，采用50Ω负载，测试了该脉冲源的输出特性，研制的亚ns固态脉冲源在重频为200Hz、输出电压为10.3kV、输出脉宽为950ps、前沿为330ps的条件下可连续工作60min以上，亚ns固态脉冲源单次和200Hz重频工作时输出电压波形如图19所示。

中国工程物理研究院流体物理研究所研究人员研制成功的在重频为200Hz、输出电压为10.3kV、输出脉宽（半高宽）为950ps、前沿为330ps的条件下，可连续工作60min以上的亚ns脉冲源（单模块功率大于2MW，目前实现了4模块功率合成），在冲激雷达、超快脉冲计量测试等领域有良好的应用前景，对国内冲激雷达、超快脉冲计量测试等领域的快速发展具有重要意义。

（2）基于LIMS的全固态大电流注入源

针对不断完善的电磁脉冲效应现场试验考核和易损性评估的现实需求，为评估电子系统的电磁兼容安全裕度，迫切需要研制具有宽范围幅值调节能力和良好波形一致性的全固态脉冲电流注入源。

针对上述需求，中国工程物理研究院流体物理研究所和清华大学研究人员联合研制了基于光触发多门极半导体开关（LIMS）的全固态大电流注入源，电路拓扑采用Marx结构，共6级，Marx各级电容采用85nF/20kV脉冲电容器，绕制的充电和支撑电感实测值为76μH，LIMS组件为6个。采用上述组件，研制完成了基于LIMS的全固态脉冲电流注入源，如图20所示。

采用50Ω负载，测试了全固态脉冲电流注入源在不同工作电压下的输出电流波形和负载电压波形，如图21所示。图21a为Marx各级电容充电电压为900V时输出电流和电压波形，电流峰值约为100A、上升时间约为18ns、脉冲半高宽约为520ns；图21b为Marx各级电容充电电压为9kV时的输出电流和电压波形，电流峰值约为1.1kA、上升时间约为18ns、脉冲半高宽约为520ns。研制的全固态脉冲电流注入源在输出电流为0.1～1kA范围内，波形一致性非常好。此外，全固态脉冲电流注入源输出电流延迟时间抖动小，可以较易实现多台脉冲电流注入源间的同步，满足更大脉冲电流的注入。

4.航空航天用特种电源

航空电源可划分为一次电源（主电源、辅助电源和应急电源）、二次电源和外部电源。航空特种电源主要服务于二次电源与外部电源，包括高压脉冲电源、中频电源两种基本类型。高压脉冲电源一般用于雷达、电子武器、直接能量武器的供电，如F-22装备的AN/APG-77与F-35的AN/APG-81有源相控雷达，单个阵面电源组件即可达3～10kW，且为降低高频开关损耗多采用移相软开关电路。中频电源用于将一次电源转换为230V/400V交流电（400Hz）或28V/270V/540V直流电，包括变压整流器、自耦变压整流器、可控整流器、逆变器等。以多电飞机B787为例，自耦变压整流器功率等级已达150kW，自耦整流器功率90kW，变压整流器6kW。国外航空特种电源领域的企业发展较早，规模效应已初步形成，行业垄断特征较为突出，如Power-One、Vicor等，在电推进方面更是先发优势明显，如Eviation、Pipistrel、Ampaire、Bye Aerospace等，其中Vicor公司在无人机轻量级紧凑电源方面，320W/600W主打产品效率已达93%。

在航天领域，由于空间应用环境的特殊性，抗辐照和超高可靠性是航天电源区别于其他应用的首要特征之一。此外，随着航天技术进入大规模开发和利用近地空间的新阶段，空间负载特性呈现多样化、复杂化趋势，对空间电源也提出了特殊的需求。如空间高分辨率SAR载荷，其工作模式为脉冲方式，瞬时功率可达数十千瓦，呈现高频大电流、短时大电流脉冲等负载特性。空间多模式电推进系统则呈现超宽电压范围、高供电电压等负载特性。脉冲电源和高压大功率电推进电源是航天特种电源的典型应用。美国在宇航抗辐照功率器件方面处于领先地位，目前正在发展基于宽禁带半导体材料的抗辐照功率器件。为了保障航天电源的高可靠性，各国除了在器件、电路、工艺等方面严格筛选和管控外，还通常在器件、电路和系统等层面进行多重冗余备份。美国、俄罗斯、日本、德国等在电推进、SAR天线、雷达等技术方面研究起步早，20世纪末就实现了在轨应用，也发展了与之相配套的电推进电源系统。

在航空领域，随着我国C919支线大飞机、运20、歼20、直20飞机的研发，我国航空航天特种电源产业虽然起步较晚但发展迅速。目前，注册资本500万以上航空特种电源生产企业超20家，如济南锦飞机电设备有限公司，注册资本1000万以上的超11家，如济南能华机电设备有限公司、山东航能电气设备有限公司、山东航宇吉力电子有限公司、上海宏允电子有限公司等，各主打电源产品效率均达到90%以上。我国航空特种电源涉及的标准包括GJB 181B—2012《飞机供电特性》、GJB 572A—2006《飞机外部电源供电特性及一般要求》、ISO 6858—2017《航空器地面保障电源一般要求》等，但部分条款仍对标美方标准MIL-STD-704F。

在航天方面，国内的主要研制单位包括中国空间技术研究院529厂、510所，上海航天技术研究院811所以及航天西安微电子技术研究所，中国电子科技集团公司第43研究所、24研究所等厂家。529厂、510所等主要开展印制板式的模块电源产品开发，目前单个电源产品输出功率最高可达2kW，最高效率可达90%以上。西安微电子技术研究所、中国电子科技集团公司第43研究所和24研究所等主要发展厚膜电源，拥有混合集成国军标H生产线。研制产品可兼容Interpoint、VPT、IR、DDC等国外公司同类产品。近年来，国内在宇航抗辐照功率器件方面取得了较大进步，部分硅基抗辐照功率器件已经实现了国产化替代、性能也已达到国外同类产品水平。但目前高压大功率宇航抗辐照功率器件尚未完全实现国产化替代，基于新一代宽禁带半导体材料的抗辐照功率器件尚未实现在轨应用。在SAR载荷脉冲型特种电源方面，目前仍主要依赖于大容量滤波器来保障脉冲载荷供电需求，电源自身对脉冲功率的应对能力仍然有限，因此电源系统的体积重量较大。在空间电推进特种电源方面，我国在2012年霍尔电推进和离子电推进空间飞行试验的圆满成功，拉开了我国电推进工程应用的序幕，同时带动我国电推进技术的全面发展，但国内目前推进电源的功率等级仍然较小。此外，我国宇航级抗辐照控制芯片等仍严重依赖进口，目前市场上的功率控制芯片被德州仪器、安森美等外国公司垄断，国内仅部分厂家可以实现航天电源模块的独立自主研制，基础元器件、高密度封装能力与国外有明显差距。

航空航天特种电源工作环境特殊、工况复杂，在电源系统重量、体积及效率、可靠性、寿命等性能方面均受到极其苛刻的约束。在航空应用中，随着机载用电设备功率等级与类型的增加，尤其是多电/全电飞机、电推进技术的发展，当前航空特种电源的技术水平难以满足多样化发展需求，需要针对高功率密度变换拓扑及装置、全电力电子化电源系统架构、高容错性协同运行机制、强变载荷能量优化管理与多能场测试评估体系等重大学科基础问题开展研究，重点提升装置单元和独立电源系统的可靠性、稳定性、能量传输效率及极端工况适应性。在航天领域，商业航天技术的发展迫切需要降低航天特种电源的成本，如何在降低成本的同时保证电源的可靠性、寿命、效率等综合性能是目前研究的重点之一；随着探月、探火等深空探测技术的发展，对长寿命、高可靠性、超轻量化空间特种电源的需求日趋强烈；随着空间站、空间太阳能电站等大型空间平台技术的发展，对高压大功率空间特种电源的需求也越来越多；随着空间电推进、天基雷达、天基能量武器等新技术的发展，电压脉冲型、电流脉冲型、超宽电压范围型等特殊供电需求的特种电源正成为研究的重点。