欒崇彪，李璽欽，馮元偉，張慶猛，李洪濤，黃宇鵬

（1.中國工程物理研究院流體物理研究所，綿陽621900；2.北京有色金屬研究總院，北京100088）

高儲能密度脈沖電容器及固態(tài)脈沖形成線試驗研究

欒崇彪1，李璽欽1，馮元偉1，張慶猛2，李洪濤1，黃宇鵬1

（1.中國工程物理研究院流體物理研究所，綿陽621900；2.北京有色金屬研究總院，北京100088）

基于玻璃-陶瓷材料PbO-SrO-Na2O-Nb2O5-SiO2（PSNNS）制作了脈沖電容器和固態(tài)脈沖形成線，其脈沖電容器在工作電壓30 kV、放電電流2 kA、重復(fù)頻率1 kHz下的短路放電壽命大于100萬次，儲能密度達到0.85 kJ/L；制作的滿銀電極的固態(tài)脈沖形成線具有良好的矩形脈沖輸出，輸出電壓脈沖半高寬為45 ns。

玻璃-陶瓷材料；脈沖電容器；固態(tài)脈沖形成線；儲能密度

引言

脈沖電容器和固態(tài)脈沖形成線是脈沖功率系統(tǒng)的主要儲能元件［1-2］。自1994年E.L.Neau提出高重頻固態(tài)脈沖功率技術(shù)概念后，固態(tài)化和體積小型化作為脈沖功率技術(shù)發(fā)展的新趨勢而備受關(guān)注，對脈沖電容器和固態(tài)脈沖形成線的儲能密度、通流能力以及特殊場合的應(yīng)用提出了更高的要求［3-6］。陶瓷材料由于具有耐溫度沖擊、耐輻射、易于散熱、壽命長等優(yōu)點而成為制作脈沖電容器和固態(tài)脈沖形成線的優(yōu)選介質(zhì)材料［6，7］。

本文介紹了基于玻璃陶瓷材料制作的脈沖電容器和固態(tài)脈沖形成線，對其脈沖放電特性、儲能密度、壽命等方面進行試驗研究。

1　脈沖電容器和固態(tài)脈沖形成線的主要性能參數(shù)

脈沖電容器的基本結(jié)構(gòu)是平板型結(jié)構(gòu)，在兩塊電極板間放置的絕緣介質(zhì)材料是脈沖電容器的儲能部分。電容器的儲能密度計算公式［8］為

式中：εr為介電材料的相對介電常數(shù)；ε0為真空介電常數(shù)；E為工作電場強度。

從式（1）可知，提高脈沖電容器儲能密度的方法主要有2種方式：①提高介電材料的相對介電常數(shù)εr；②提高電容器工作場強。方法②對儲能密度的提升效果優(yōu)于方法①。因此，如何提高陶瓷材料的工作場強成為提升脈沖電容器儲能密度的研究重點。

平板型脈沖形成線的基本設(shè)計參數(shù)主要有輸出脈沖寬度、阻抗、儲能密度。參數(shù)計算公式［9］為

式中：l為固態(tài)脈沖形成線幾何長度；d為平行板固態(tài)脈沖形成線介電材料厚度；W為寬度；μ0為真空磁導(dǎo)率；μr為介電材料的有效磁導(dǎo)率。由式（2）可知，在輸出脈沖寬度一定的情況下，選用的介質(zhì)材料的相對介電常數(shù)越高，固態(tài)脈沖形成線的長度越短，體積越小。

2　脈沖電容器制作及脈沖放電特性研究

為了提高脈沖電容器壽命，降低電容器邊緣畸變電場，采用PbO-SrO-Na2O-Nb2O5-SiO2（PSNNS）玻璃-陶瓷材料制作了一種側(cè)面凹形的脈沖電容器，如圖1所示。PSNNS玻璃-陶瓷材料是中國工程物理研究院流體物理研究所與北京有色金屬研究總院合作研制的一種玻璃陶瓷材料，它將具有高絕緣強度的玻璃和具有高介電常數(shù)的陶瓷相結(jié)合起來，通過熔融-快冷-可控結(jié)晶技術(shù)制備出無孔隙等結(jié)構(gòu)缺陷的玻璃-陶瓷復(fù)合材料。目前，該復(fù)合介電材料的相對介電常數(shù)達到600，擊穿場強達到38 kV/ mm，材料儲能密度達到2.27 kJ/L。本文采用PSNNS玻璃-陶瓷材料制作的脈沖電容器介質(zhì)片尺寸為Φ30 mm×3 mm，電極首先在介質(zhì)片表面制作滿銀電極，然后采用Φ35 mm×1 mm的倒角銅圓片作為上下電極，LCR分析儀測試得到制作的電容器容值為1 nF。

圖1　采用環(huán)氧樹脂封裝前后的側(cè)面凹形脈沖電容器照片F(xiàn)ig.1 Picture of the pulse capacitor sbefore and after the epoxy resin encapsulation

采用氫閘流管作為開關(guān)，研究了該脈沖電容器在重復(fù)頻率1 kHz、工作電壓30 kV、短路放電電流大于2 kA條件下的壽命。實驗電路如圖2所示，圖中S1為磁開關(guān)，D1、D2為硅堆，C1為充電電容，容值為100 nF，C為測試電容。實驗結(jié)果表明，制作的環(huán)氧封裝后的玻璃-陶瓷材料的脈沖電容器實驗條件下的短路放電壽命大于100萬次。圖3為電容器單次及重頻1 kHz下電流放電波形。我們測試得到該脈沖電容器（環(huán)氧封裝后）在空氣中的擊穿電壓達到60 kV，通過式（1）計算可得，該脈沖電容器的儲能密度達到0.85 kJ/L。

圖2　脈沖電容器重頻1 kHz條件下壽命測試電路Fig.2 Test circuit for pulse capacitors lifetime experiment at 1 kHz

圖3　脈沖電容器單次和1 kHz重頻放電電流和電壓波形Fig.3 Voltage and discharge current waveforms for the pulse capacitor at 1 Hz and 1 kHz

3　固態(tài)脈沖形成線脈沖放電特性研究

采用PSNNS玻璃-陶瓷材料制作了平板型固態(tài)脈沖形成線，陶瓷板尺寸為290 mm×20 mm×4 mm，上下表面燒滲銀電極，電極尺寸為290 mm×20 mm，如圖4所示。LCR分析儀測得形成線電容為6.4～6.8 nF，計算得到陶瓷板相對介電常數(shù)εr約為500，脈沖形成線阻抗約為2.8 Ω，輸出脈寬為44 ns。

圖4　環(huán)氧封裝前后玻璃-陶瓷固態(tài)脈沖形成線照片F(xiàn)ig.4 Picture of the glass-ceramics solid-state pulse forming lines before and aftere epoxy resin encapsulation

采用火花隙作為開關(guān)，研究了玻璃-陶瓷平板型固態(tài)脈沖形成線的脈沖輸出特性，實驗電路如圖5所示，圖中T1為固態(tài)脈沖形成線，通過直流電源充電，S1為火花隙開關(guān)，Rload為負載，阻值為2.8 Ω，為減小回路電感，負載區(qū)連接較為緊湊。

圖5　固態(tài)脈沖形成線放電特性測試電路Fig.5 Test circuit for solid-state pulse forming lines experiment discharge characteristic

圖6為單個環(huán)氧封裝后的玻璃-陶瓷固態(tài)脈沖形成線在工作電壓8 kV和16 kV時得到的脈沖輸出波形。從圖中可以看出，脈沖輸出波形為良好的矩形脈沖輸出，脈沖頂部紋波系數(shù)較好。輸出脈沖半高寬（FWHM）約為45 ns，前沿約6 ns。之后，對環(huán)氧封裝后的玻璃-陶瓷固態(tài)脈沖形成線在空氣中進行了耐壓測試，該脈沖形成線耐壓達到40 kV。由公式（1）計算可知，該固態(tài)脈沖形成線儲能密度為0.23 kJ/L。

圖6　工作電壓8 kV和16 kV時，固態(tài)脈沖形成線放電時的負載電壓波形Fig.6 Waveforms of load voltage during pulse forming line discharging under working voltage 8 kV and 16 kV

4　結(jié)語

基于PSNNS玻璃-陶瓷材料制作了脈沖電容器和固態(tài)脈沖形成線，其脈沖電容器在充電電壓30 kV、放電電流2 kA、重復(fù)頻率1 kHz下的短路放電壽命大于100萬次，空氣中測試得到該脈沖電容器耐壓達到60 kV，儲能密度達到0.85 kJ/L；制作的滿銀電極的固態(tài)脈沖形成線脈沖輸出特性良好，半高寬達到45 ns，矩形脈沖輸出平頂度較好，空氣中測試得到該脈沖形成線耐壓達到40 kV，儲能密度約為0.23 kJ/L。后續(xù)還需開展提升該固態(tài)脈沖形成線的耐壓水平、儲能密度相關(guān)研究工作。

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Research on High Energy Storage Density Pulse Capacitors and High-power Solid-state Pulse Forming Lines

LUAN Chongbiao1，LI Xiqin1，F(xiàn)ENG Yuanwei1，ZHANG Qingmeng2，LI Hongtao1，HUANG Yupeng1
（1.Institute of Fluid Physics，China Academy of Engineering Physics，Mianyang 621900，China；2.General Research Institute for Nonferrous Metals，Beijing 100088，China）

Based on the glass-ceramics material of PbO-SrO-Na2O-Nb2O5-SiO2（PSNNS），the high energy storage density pulse capacitors and high power solid-state pulse forming lines have been done.For the pulse capacitors，with the working voltage 30 kV，discharge current 2 kA and repeat frequency 1 kHz，the short circuit discharge lifetime achieve 1 million times，the energy storage density is 0.85 kJ/L.The solid-state pulse forming lines with full silver electrode have excellent rectangle output pulse，and the full wave at half maximum（FWHM）of the output voltage pulse is 45 ns.

glass-ceramics material；pulse capacitors；solid-state pulse forming lines；energy storage density

欒崇彪

10.13234/j.issn.2095-2805.2016.5.43

TM281

A

欒崇彪（1987-），男，博士，助理研究員，研究方向：脈沖功率技術(shù)及應(yīng)用，E-mail：luanchongbiao@163.com。

李璽欽（1968-），男，本科，工程師，研究方向：脈沖功率技術(shù)及應(yīng)用，E-mail：lxq107@163.com。

馮元偉（1984-），男，通信作者，博士研究生，助理研究員，研究方向：脈沖功率技術(shù)及應(yīng)用，E-mail：fyw107@163.com。

張慶猛（1972-），男，博士，高級工程師，研究方向：陶瓷材料，E-mail：qmzhangster@126.com。

李洪濤（1968-），男，博士，研究員，研究方向：脈沖功率技術(shù)及應(yīng)用，E-mail：lht680526@21cn.com。

黃宇鵬（1974-），男，通信作者，大專，技師，研究方向：脈沖功率技術(shù)及應(yīng)用，E-mail：yupenghuang2015@163.com。

2015-11-17

國防基礎(chǔ)科研資助項目（B1520132002）；國家自然科學(xué)基金資助項目（61504127）

Project Supported by National Defense Basic Scientific Research Program of China（B1520132002）；National Natural Science Foundation of China（61504127）