二、特种电源关键技术发展概述

特种电源技术涉及的关键技术包括电源电路拓扑及仿真技术、高功率逆变技术、功率器件及电子封装技术、电源控制技术及电磁兼容技术等，本文结合2023年度第九届全国特种电源学术会议相关研究进展，从以上几个方面概述了特种电源关键技术研究进展。

（1）电源电路拓扑及仿真技术

创新性的能量变换需要从电源电路拓扑及仿真技术方面进行创新。南华大学郑亮等报道的《基于雪崩三极管和阶跃恢复二极管的脉冲电源设计》中针对传统脉冲源设计方案的局限性，提出一种包括Marx电路、阶跃恢复二极管（SRD）以及雪崩三极管（AT）的脉冲电源方案，实现了半幅脉宽为4.495ns、下降沿为1.937ns、幅度为206V的负极性脉冲，波形稳定 ^[1] 。实验结果表明，与传统脉冲源设计相比，脉冲在保持窄脉宽的同时幅值大幅提升，体积更小，能有效改善发射机探测范围。这种高幅值且窄脉宽的脉冲电源不仅适用于超宽带探地雷达系统，对于其他需要高精度脉冲信号的应用领域也具有广泛的应用前景。输出脉冲波形如图1所示。

西南交通大学熊健等报道的《CFQS装置磁体电源系统充电模块设计》中提出采用电压电流双环控制策略保证了CFQS装置磁体电源系统输出稳定性，利用Psim软件仿真充电模块向超级电容器充电的特性，验证设计可行性 ^[2] 。CFQS装置是西南交通大学（SWJTU）和日本国家核融合科学研究所（NIFS）联合设计制造的中国首台准环对称仿星器。超级电容器充电模块输出电压波形如图2所示。

秦皇岛职业技术学院李玉山与秦皇岛市燕秦纳米科技有限公司、燕山大学合作提出一种改进型MMC（Improved MMC，I-MMC）拓扑，应用隔离型开关电容变换器，实现上、下桥臂一对子模块（A Pair of SM，PSM）高频链（High Frequency Link，HFL）互联，相单元内上、下桥臂PSM并联的高频链两侧采用同步控制，使SM电容之间呈现开关电容特性，实现波动功率在电容之间的自由传递，进而消除相位相反的基频与3倍频波动分量。结合MMC运行调制比和功率因数分析基频与3倍频波动分量消除后SM电容取值，完成模块化设计。所提方案可将SM电容减小至常规MMC的1/4 ^[3] 。仿真与实验结果验证了所提拓扑方案的正确性与有效性。MMC拓扑结构实验波形如图3所示。

核工业西南物理研究院的张锦涛等人在《PSM高压电源系统的集成与仿真》中针对未来高压电源系统的发展，开展PSM高压电源（辅助加热系统中的关键部件）的集成与仿真，通过计算、仿真分析各种电气特性，为未来建造更高电气特性的PSM高压电源系统提供理论参考 ^[4] 。电源系统5kHz的调制输出波形如图4所示。

上海空间电源研究所及哈尔滨工业大学徐浩等为了扩展单级式隔离型AC/DC变换器的应用，改善其电流特性，提出一种交流侧为半桥三电平结构的新型拓扑（见图5），基于三移相调制策略详细分析了变换器的工作原理和稳态特性，并通过三个移相角的关系实现了最小谐振电流方均根值。该变换器将交流侧开关管的电压应力降低到交流电压的一半，有助于降低功率损耗和成本 ^[5] 。进一步提出比例谐振复合奇模式重复控制的网侧电流闭环控制策略，通过比例谐振控制器实现对网侧电流基波分量的无静差闭环控制，通过奇模式重复控制器消除由电网电压谐波引起的网侧电流奇次谐波。

华中科技大学李志恒等建立了含缓冲电路和杂散电感的MOSFET模型并对其关断过程进行了分析，得到抑制电压尖峰的缓冲电路理论设计方法及表达式 ^[6] 。针对串联均压未考虑分布电容的问题，通过构造等电位点，建立了含有分布电容的等效电路并进行分析，根据电荷方程等式得到了缓冲电路非等参数设计方法及表达式，该参数设计方法可以补偿分布电容造成的电压分布不均，并更好地指导高压保护开关的均压方案设计。为了验证参数设计的合理性进行了仿真分析，仿真结果表明最终得到的整体设计方案可以满足尖峰抑制以及均压的设计要求。新型均压拓扑原理图如图6所示。

西安理工大学穆晓宇等利用实矢量合成虚拟电压矢量的方式，提出一种基于混合电压矢量的模型预测控制策略（见图7），增加了单开关周期内的电压矢量个数，减小跟踪误差并有效抑制并网电流纹波。从静态、暂态等方面进行了仿真与实验分析验证 ^[7] 。

浙江大学朱基宏等提出了一种统一拓扑框图，它可以覆盖开关电容电路现已知的所有拓扑，并能够自动生成全新的结构 ^[8] （见图8）。在此框架内，可以确定功率元件的连接关系以及额定电气参数。通过提供更多不同特征的拓扑选择，工程师可以综合比较后进行优化设计进而找到特定工况下效率最优的拓扑。此外，所有衍生的拓扑都基于并行仿真和实验进行了验证，并详细介绍了所选拓扑结构的优点，以期能揭示开关电容电路优化的基本规律。

上海空间电源研究所徐锡炀等在《基于单神经元自适应控制的直流变换器设计》中提出了一种自适应PID参数的DPWM控制策略 ^[9] 。选取了传统DPWM控制的Buck电路进行建模，说明了PID参数对电路特性的重要性。介绍了基于Hebb学习规则的单神经元控制算法及其改进算法，展示了自适应PID参数调节的过程。将此算法与Buck电路模型结合，并进行了Simulink仿真，验证了此控制算法的有效性。仿真结果显示，基于单神经元的PID调节算法相比于传统的数字PID算法，具有更好的动态特性和稳态特性，在不同的输出参考电压下具有更好的泛化能力。不同参考电压下PID参数的调整状况如图9所示。

（2）高功率逆变技术

华中科技大学朱帮友等在《逆变型高压直流电源故障诊断技术研究》中针对逆变型高压直流电源故障诊断研究的空白，为了保证聚变装置平稳运行，以中国聚变工程试验装置N-NBI系统样机200kV/25A加速极电源为例开展故障诊断技术研究 ^[10] 。通过分析200kV/25A电源的硬件组成和控制系统，得到了简化等效电路和电源分析方法；通过分析电源可能的故障情况，明确了故障诊断的研究范围，重点分析了逆变型高压直流电源从逆变器到输出的电压电流表达式和各个阶段电流路径的变化规律，针对NPC逆变器故障，着重分析了NPC逆变器输出电压电流，根据时域分析推导了逆变器输出电压电流表达式，提出了基于相电压、电流的逆变器故障诊断方法。搭建了基于Matlab/Simulink的200kV/25A逆变型高压直流电源仿真模型和10kV/6A实物样机。

华中科技大学杜震昌等与中国电力科学研究院有限公司合作在《加速极直流母线对输出电压波动影响的分析》中就直流母线电压纹波与加速极输出电压波动相关性展开分析 ^[11] 。基于原有的电路拓扑结构，分析了原有方案和现有研究所存在的局限与不足，将直流母线电压纹波考虑进特种高压直流电源中，利用状态空间平均法构建小信号模型求出传输特性并分析，得出了加速极输出电压波动受直流母线1Hz~1kHz纹波的波动影响较大的结论。研究弥补了该特种电源领域的空缺，为直流纹波的抑制提供了理论基础。传递函数波特图如图10所示。

（3）功率器件及电子封装技术

大连理工大学与中国工程物理研究院流体物理研究所、天府创新能源研究院合作在《全膜脉冲电容器电热老化分析》中为探究全膜脉冲电容器老化失效机理，开展了其寿命试验及电场与温度场的仿真。利用LTD基本放电单元（Brick）实验腔体对电容器进行寿命测试并获得失效电容器，分析了失效电容在不同故障形式下的失效原因，并利用有限元分析软件对电容器局部“电场易畸变”区域进行了电场仿真，分析了电容器内不同部位的电场畸变情况；对电容器整体进行温度场分析，获得了电容器在不同工况下，内部剖面和表面温度的分布情况；将击穿点视为热源，探究了击穿过程中击穿点区域的瞬时温升情况 ^[12] （见图11）。

中国工程物理研究院流体物理研究所秦炎等与山东大学合作在《同面类体结构4H-SiC光导开关的导通特性研究》中提出了一种同面类体结构的平行电极开关，并通过实验和仿真进行了该结构导通特性的研究。采用SilvacoTCAD仿真不同凹槽刻蚀深度下同面类体结构开关的电场分布 ^[13] 。仿真结果显示，凹槽深度在1.5μm时，其边缘电场强度的尖峰值最小，即具有较好的耐压特性。采用高纯半绝缘4H-SiC材料为衬底、GaN为外延层制备了不同电极间隙、刻蚀深度为1.5μm的同面类体结构光导开关。使用355nm激光器，外加直流高压源对开关进行了测试。结果表明：同面类体结构开关的光电流效率为传统开关的2.2~5.5倍，击穿场强为传统开关击穿场强的2~3倍，同面类体结构开关的导电流通能力和耐压性能都得到了提高（见图12）。

国防科技大学王朗宁等在《高功率快响应碳化硅光电导器件研究》中利用重掺杂半绝缘碳化硅材料，采用电极正入射、非本征光激励方式和正对电极体结构方式，研制碳化硅光电导开关 ^[14] 。①针对光电导器件MW级功率需求，厘清了器件高电压强场工作特性，采用合理的封装方式与结构，合理设计的器件实现20kV电压工作。②针对非本征光激励下线性模式光电导器件光吸收低的问题，设计了光耦合透镜的近全反射腔结构，拟通过多次反射增加吸收光程的方法，提高器件的光电转换效率，仿真和实验验证了2倍的光电转换效率提升。③针对MW峰值功率碳化硅光电导器件寿命短问题，通过改善器件反射电极与碳化硅材料的接触膜层结构，研制了高效长寿命新型光导器件，在16.5kV/mm直流偏置和100A峰值电流输出下，优化后的器件寿命从亚秒量级提升至10min连续工作。

山东大学李阳凡等与中国工程物理研究院流体物理研究所合作在《亚纳秒触发4H-SiC光导开关性能研究》中采用高纯半绝缘4H-SiC晶片制作了平面型光导开关，利用不同外加电压和不同触发激光能量开展光电导测试实验 ^[15] 。实验结果表明：在外加电压为2000 V时，CVR电压峰值可达到7.68 V，即此时电路中的光电流大小约为153.6 A。同时，也发现在较短光脉冲触发下，波形中的振荡现象对于测试电路和测试手段更为敏感。不同外加电压下SiC光导开关输出电压波形如图13所示。

中国工程物理研究院微系统与太赫兹研究中心、中国工程物理研究院电子工程研究所高磊等在《基于SiC高压开关的并联功率模块设计》中介绍了基于脉冲功率半导体开关实现多芯片并联模块的设计过程 ^[16] 。模块采用140mm高压封装模块结构，通过该模块结构内部可以实现多颗脉冲功率开关器件的并联组合，单颗模块包含阳极、阴极端子和门极信号端子，方便进行更大功率应用扩展。通过三维建模和多物理场仿真，实现对于模块基板和端子的布局优化，实现内部场强降低和电流均匀性的提高，还研究了内部寄生参数的分布及其对于多芯片并联均流的影响。

西安交通大学胡龙等在《激光二极管触发的直流100kV砷化镓光导开关》中针对大型脉冲功率装置中高压气体开关触发应用需求，设计了电极间距24mm的异面结构GaAs PCSS，采用波长915nm、能量13μJ的激光脉冲触发GaAs PCSS，对雪崩工作模式下开关直流耐压、延时抖动等特性进行实验研究 ^[17] 。实验结果表明，GaAs PCSS直流工作电压可达100kV，最低延时抖动约为200ps，负载脉冲峰值电流约为200A，脉冲上升时间约为1ns。

重庆大学马久欣等在《高速SiC-MOSFET叠层封装结构设计及性能评估》中设计了一种高速SiC-MOSFET叠层封装结构，整体布局中无引线、无外接，寄生电感极低，可以大大地改善开关的动态性能 ^[18] 。文章通过对叠层封装进行电磁场仿真，揭示了该封装多介质界面的电磁场分布规律，初步验证了封装结构的可行性，并确定了封装待优化的电磁薄弱环节。文章搭建双脉冲测试平台，对所研制叠层封装MOSFET与同芯片晶圆商用TO-263-7封装开关的动态性能进行对比，实验结果表明在大电流工况下，所提封装上升速度提升48%，关断速度提升50%，开通损耗降低54.6%，关断损耗降低62.8%，实验结果验证了所提叠层封装结构对开关动态性能的改善作用。极限脉冲电流90A时TO-263与PoP封装双脉冲测试对比波形如图14所示。

（4）电源控制技术及电磁兼容技术

战略支援部队信息工程大学雷顺天等在《基于PCB金属连线耦合的无人机电子罗盘辐照EMI效应研究》中重点对电子罗盘PCB金属连线进行了电磁耦合仿真分析，设计了辐照式电磁干扰方案，开展了屏蔽室内电磁干扰试验与分析 ^[19] 。仿真和试验结果表明：电子罗盘PCB金属连线耦合路径对1.25GHz以上频段电磁干扰信号的电磁敏感度较高，耦合干扰电压作用于电源分配网络和信号传输网络，导致了电子罗盘出现航向角测向解析和I ² C信号传输故障（见图15）。

中国科学院合肥物质科学研究院等离子体物理研究所刘正之、黄懿赟在《托卡马克装置接地与防雷及电磁兼容系统设计》中对于大型超导托卡马克核聚变试验装置，以接地设计为主，结合雷电防护及电磁兼容，就接地系统设计的功能、目标、对象、技术要求、设计理念与设计方法，进行了系统阐述。提出了共用地网，分类专用接地母线，等电位均压连接，功能接地的一点接地，保安接地和等电位均压连接的多点接地的设计原则 ^[20] （见图16）。

上海空间电源研究所王嘉靖等在《基于ANSYS电磁传导干扰分析的PCB优化研究》中针对电磁兼容关键问题，在理论上讨论分析了电路电磁噪声干扰源和传播路径，分析了接地和开关电源电流、电压突变节点对传导干扰问题的影响，并据此优化了PCB布局 ^[21] 。同时根据ANSYS系列软件提取的PCB及无源器件寄生参数模型，结合电源控制芯片的特点，进行了优化设计仿真，使传导干扰达标CE标准。PFC侧共模干扰传播路径如图17所示。 BQLfYfrFQ0kAbm8Lps9gEGkTMhJAq2Befl8GG3gePzZE/HSxKEFrBrhHY/HpJsHj