脈沖功率技術(shù)

脈沖功率技術(shù)（Pulse Power）是一門研究高功率、高電壓、大電流的新興學(xué)科，又稱高功率脈沖技術(shù)，它是研究在相對(duì)長的時(shí)間里把能量存儲(chǔ)起來，然后經(jīng)過快速壓縮、轉(zhuǎn)換，最后有效釋放給負(fù)載的新興科技領(lǐng)域。

一、脈沖功率技術(shù)特點(diǎn)

1.應(yīng)用范圍廣、市場潛力巨大：

隨著新興科技的發(fā)展，如可控核聚變研究、新興強(qiáng)激光、高能電子與離子加速器、電磁脈沖、新武器研究等方面的應(yīng)用，脈沖功率技術(shù)得到快速發(fā)展，在能源、煙氣凈化、環(huán)境科學(xué)、醫(yī)療和生物工程領(lǐng)域都取得相當(dāng)大的進(jìn)展，具有廣泛而其巨大的應(yīng)用潛力和市場需求。

2.具有四大技術(shù)優(yōu)勢：

脈沖功率能量巨大，目前世界上最大的單臺(tái)脈沖功率裝置是美國Sandia國家實(shí)驗(yàn)室的PBFA-Z加速器，它釋放的脈沖功率可達(dá)10^14W（100TW）量級(jí)，比全世界發(fā)電量的總功率大約高1～2個(gè)量級(jí)，主要用于高功率脈沖驅(qū)動(dòng)的快速Z箍縮研究。高功率脈沖裝置也是高壓設(shè)備的一種類型，但又與一般高壓設(shè)備不同，它屬于高功率、強(qiáng)電流、短脈沖的一種特殊設(shè)備，提供的是一種暫態(tài)過程的物理量。

二、賽晶電力電子集團(tuán)技術(shù)優(yōu)勢

1.賽晶集團(tuán)擁有豐富的技術(shù)積淀和經(jīng)驗(yàn)：

2.賽晶集團(tuán)脈沖功率技術(shù)應(yīng)用范圍廣泛：

可應(yīng)用于以下多種領(lǐng)域：

3.賽晶集團(tuán)脈沖功率技術(shù)重點(diǎn)產(chǎn)品：

附：

脈沖功率技術(shù)背景知識(shí)介紹

一、脈沖功率技術(shù)概念

脈沖功率技術(shù)是指將初級(jí)能量（通常為幾百千焦至幾十兆焦）儲(chǔ)存在儲(chǔ)能元件中通常為電容器、電感器、飛輪儲(chǔ)能等，然后通過快速開關(guān)和脈沖成形網(wǎng)絡(luò)，將此能量在毫微秒、甚至是納秒時(shí)間內(nèi)釋放到負(fù)載上，以得到極高的功率。脈沖功率技術(shù)主要是解決如何經(jīng)濟(jì)地和可靠地儲(chǔ)存能量，并將大能量和大功率有效地傳輸?shù)截?fù)載。脈沖功率技術(shù)就是要不斷提高脈沖的能量、功率、上升時(shí)間和平頂度、重復(fù)率、穩(wěn)定性和壽命等科學(xué)技術(shù)問題，滿足不同領(lǐng)域不斷發(fā)展的技術(shù)要求。

二、脈沖功率技術(shù)發(fā)展歷程

脈沖功率技術(shù)正式作為一個(gè)獨(dú)立的技術(shù)進(jìn)行發(fā)展研究是從上世紀(jì)上半期開始，事實(shí)上作為脈沖功率技術(shù)基礎(chǔ)的脈沖放電，早就存在于大自然中，例如雷擊放電、靜電放電等，而對(duì)脈沖放電的研究則開始于研究天然雷電特性，以及它對(duì)輸電線路、建筑物危害及其防護(hù)措施，當(dāng)時(shí)這種放電僅限于毫秒級(jí)和微秒級(jí)。二十世紀(jì)四十年代末期，就有人開始注意到亞微秒及毫微秒級(jí)的高壓強(qiáng)流脈沖放電形式。但是一方面由于當(dāng)時(shí)客觀要求并不迫切；另一方面，這樣快的脈沖放電，無論在產(chǎn)生技術(shù)上，或者在測量技術(shù)上都存在著一定的困難。因此，其后十多年這種技術(shù)發(fā)展并不迅速，而到了上世紀(jì)六十年代初期，由于閃光輻射照相和瞬時(shí)輻射效應(yīng)研究的需要，英國原子能武器研究中心的J.C.馬丁所領(lǐng)導(dǎo)的研究小組，開拓了稱之為脈沖功率加速器的研究領(lǐng)域，使毫微秒級(jí)脈沖功率技術(shù)往前推進(jìn)了一步。同時(shí)，一些科學(xué)技術(shù)在發(fā)展中受到障礙，急需找尋新的途徑。以微波和激光的發(fā)展為例，利用速調(diào)管、行波管等原理去產(chǎn)生大功率高效率毫米或亞毫米微波已經(jīng)不可能，利用一般方法產(chǎn)生大功率、高效率、波長可調(diào)的激光束也不可能。正當(dāng)人們探索和尋找新的解決途徑的時(shí)候，他們發(fā)現(xiàn)脈沖功率技術(shù)是解決這些問題的良好途徑。為此，美國許多單位，如桑地亞實(shí)驗(yàn)室、物理國際公司、海軍研究實(shí)驗(yàn)室、康乃爾大學(xué)、加利福尼亞大學(xué)和斯坦福大學(xué)等單位，對(duì)脈沖功率技術(shù)及其在各方面的應(yīng)用開始了研究和探索工作。這種技術(shù)的應(yīng)用包括：電子及離子加速、核聚變、微波裝置、激光（特別是大功率放電激光）、電磁脈沖、閃光輻射照相、瞬時(shí)輻射效應(yīng)和各種各樣的工業(yè)應(yīng)用，隨著脈沖功率技術(shù)的發(fā)展，其應(yīng)用也逐漸拓展到醫(yī)療、環(huán)保、交通、食品、電力、化工等民用領(lǐng)域，應(yīng)用越來越廣泛。

三、 脈沖功率技術(shù)原理及系統(tǒng)組成

脈沖功率技術(shù)簡單地概括，就是對(duì)能量實(shí)現(xiàn)低功率的儲(chǔ)存和高功率的釋放。低功率能量儲(chǔ)存就是將市電或電池等能量通過充電方式儲(chǔ)存到脈沖電容、電感、脈沖交流發(fā)電機(jī)等相對(duì)儲(chǔ)能密度比較高的能量儲(chǔ)存系統(tǒng)中；高功率的能量釋放就是將儲(chǔ)存的能量通過高功率開關(guān)和脈沖成形網(wǎng)絡(luò)對(duì)放電波形進(jìn)行調(diào)制，使能量在時(shí)間上的壓縮，提高釋放能量的瞬時(shí)功率，以一定的脈沖電壓、脈沖電流、脈沖上升前沿、重復(fù)頻率等要求的波形對(duì)負(fù)載進(jìn)行放電，滿足不同負(fù)載的應(yīng)用需求。

脈沖功率系統(tǒng)主要包括初級(jí)能源、儲(chǔ)能系統(tǒng)、脈沖成形系統(tǒng)、負(fù)載等。初級(jí)能源一般用市電或電池等能量儲(chǔ)存單元經(jīng)過充電系統(tǒng)將能量儲(chǔ)存在儲(chǔ)能系統(tǒng)中，儲(chǔ)能系統(tǒng)的技術(shù)方式有很多，在脈沖功率技術(shù)中常用的是電容儲(chǔ)能、電感儲(chǔ)能、化學(xué)儲(chǔ)能和機(jī)械儲(chǔ)能等。脈沖成形系統(tǒng)是通過能量或時(shí)間壓縮方法，對(duì)儲(chǔ)能系統(tǒng)釋放的能量脈沖進(jìn)行壓縮整形，以達(dá)到需要的脈沖功率值、脈沖形狀、脈寬及重復(fù)頻率特性要求，脈沖成形系統(tǒng)的主要形式包括脈沖傳輸成型線及其倍壓器、脈沖功率變壓器、大功率短路開關(guān)、大功率斷路開關(guān)配合輔助阻抗進(jìn)行波形調(diào)節(jié)等幾種類型。負(fù)載是為某種應(yīng)用脈沖功率放電的對(duì)象，進(jìn)而產(chǎn)生所需要的等離子體、微波、激光或一定的電磁場等。

四、脈沖功率的關(guān)鍵技術(shù)及發(fā)展趨勢

脈沖功率技術(shù)不斷提高的能量、功率上升時(shí)間和平頂度、重復(fù)率、穩(wěn)定性和壽命的要求，給脈沖功率技術(shù)提出了一系列的科學(xué)技術(shù)問題，涉及的關(guān)鍵技術(shù)有能量的儲(chǔ)存技術(shù)，能量和功率的傳輸，脈沖的形成和壓縮，開關(guān)技術(shù)，絕緣技術(shù)，磁絕緣傳輸線，二極管和脈沖功率診斷技術(shù)等。

脈沖功率技術(shù)經(jīng)過半個(gè)多世紀(jì)的發(fā)展，已經(jīng)從高新技術(shù)領(lǐng)域逐漸向工業(yè)、民用領(lǐng)域延伸。作為當(dāng)代高新技術(shù)領(lǐng)域的重要組成部分，它的發(fā)展和應(yīng)用與其他學(xué)科的發(fā)展有著密切的關(guān)系。分析當(dāng)前脈沖功率技術(shù)的發(fā)展趨勢可以概括為：高功率、高重頻放電、高可靠性、快上升前沿、小型化、長壽命等方向發(fā)展。目前脈沖功率技術(shù)進(jìn)步的方向和熱點(diǎn)有：  

（1）由單次脈沖向高重頻脈沖發(fā)展。過去脈沖功率技術(shù)主要為國防科研服務(wù)，并且大多是單次運(yùn)行，隨著脈沖功率技術(shù)的進(jìn)步，單次脈沖可靠穩(wěn)定后，許多應(yīng)用領(lǐng)域提出了脈沖功率重復(fù)使用的要求，而且在滿足一定功率的情況下重復(fù)頻率要求越來越高。 

（2）儲(chǔ)能技術(shù)——研制高儲(chǔ)能密度、小型化的儲(chǔ)能電源。在很多應(yīng)用場合下，脈沖功率系統(tǒng)的體積和重量的大小是決定性因素，如飛機(jī)探測水下物體技術(shù)、電磁炮等，都要求產(chǎn)生很大的脈沖功率， 而且系統(tǒng)又不能過于龐大和笨重。因此，高儲(chǔ)能密度的脈沖功率發(fā)生器的研制是當(dāng)前主要的研究課題之一。

（3）開關(guān)技術(shù)——探討新的大功率開關(guān)和研制高重復(fù)頻率開關(guān)。開關(guān)元件的參數(shù)直接影響整個(gè)脈沖功率系統(tǒng)的性能，是脈沖功率技術(shù)中一個(gè)重要的關(guān)鍵技術(shù)。目前大功率開關(guān)技術(shù)包括以下幾個(gè)方面: 短脈沖技術(shù)、同步技術(shù)、高重復(fù)頻率技術(shù)、長壽命技術(shù)，而難點(diǎn)在于大功率、長壽命和高重復(fù)頻率的開關(guān)技術(shù)。因此，具有耐高電壓強(qiáng)電流、擊穿時(shí)延短且分散性小、電感和電阻小、電極燒毀少以及能在重復(fù)的脈沖下穩(wěn)定工作的各種類型開關(guān)元件的研制，是當(dāng)前國內(nèi)外脈沖功率技術(shù)中又一個(gè)十分受重視的研究課題。 

（4）積極開辟新的應(yīng)用領(lǐng)域。脈沖功率技術(shù)在核物理、加速器、激光、電磁發(fā)射等領(lǐng)域已得到日益廣泛的應(yīng)用。近年來，脈沖功率技術(shù)在半導(dǎo)體集成電路、化工、環(huán)境工程、醫(yī)療等領(lǐng)域的應(yīng)用研究，已引起各界的廣泛重視，而且在某些應(yīng)用研究中，已取得了可喜的進(jìn)展。隨著脈沖功率技術(shù)更多地在民用領(lǐng)域的應(yīng)用，市場的推動(dòng)必將促進(jìn)脈沖功率技術(shù)更快地發(fā)展。

五、脈沖功率技術(shù)應(yīng)用

過去和現(xiàn)在脈沖功率技術(shù)的主要在高新技術(shù)等領(lǐng)域應(yīng)用，包括可控聚變、高功率微波、高功率激光、強(qiáng)電磁脈沖、X射線拍照等方面，目前也逐漸發(fā)展到民用部門，如人工電磁環(huán)境產(chǎn)生、脫硫脫硝、電除塵、污水處理、滅菌消毒、勘探探測檢測、油井截堵疏通、醫(yī)療碎石、表面工藝處理等領(lǐng)域，應(yīng)用越來越廣泛。

1、工業(yè)應(yīng)用領(lǐng)域

可控聚變：利用脈沖功率電源釋放的大電流產(chǎn)生強(qiáng)磁場，約束高溫等離子體到很小的范圍內(nèi)，使較輕的原子核聚合成較重的原子核，同時(shí)釋放出巨大的能量的過程。為實(shí)現(xiàn)磁力約束，需要一個(gè)能產(chǎn)生足夠強(qiáng)的環(huán)形磁場的裝置，這種裝置被稱作“托克馬克裝置”。受控核聚靠約束高溫等離子團(tuán)控制反應(yīng)物密度，從而使該聚變過程可控，達(dá)到可人工利用的地步，為人類提供一種無限的、清潔的、安全的新能源。

巖石鉆孔：利用高壓短脈沖對(duì)堅(jiān)硬的巖石進(jìn)行粉碎、鉆孔是脈沖功率技術(shù)在民用工業(yè)中的新應(yīng)用。利用液體和固體介質(zhì)的動(dòng)態(tài)擊穿場強(qiáng)不同的特點(diǎn)，當(dāng)一高能量短脈沖施加于液體-固體界面時(shí)，固體介質(zhì)表面比液體更容易發(fā)生擊穿，來實(shí)現(xiàn)對(duì)巖石的鉆孔和粉碎。

電爆炸焊接：電爆炸是指在一定的介質(zhì)（如惰性氣體、水等）環(huán)境下，強(qiáng)脈沖電流通過導(dǎo)體絲時(shí)，導(dǎo)體材料自身的物理狀態(tài)急劇變化，并迅速把電能轉(zhuǎn)化為其他形式能量（如熱能、等離子體輻射能、沖擊波能等）的一種物理現(xiàn)象。電爆炸焊接是一種固相焊接方法，可以使不同金屬之間，如鈦、銅、鋁、鋼等金屬之間焊接在一起，獲得強(qiáng)度很高的焊接接頭，用其他的焊接方法很難實(shí)現(xiàn)。現(xiàn)代工業(yè)需要多種多樣的金屬復(fù)合材料，爆炸焊接工藝應(yīng)運(yùn)而生。

礦藏勘探：利用脈沖電源產(chǎn)生的強(qiáng)的沖擊波放電作為震源，在地質(zhì)層中或水下進(jìn)行傳播，當(dāng)沖擊波遇到一般的巖石層所產(chǎn)生的反射與遇到石油和其它地質(zhì)礦藏所產(chǎn)生的反射波有明顯的差異，通過分析這些差異可以判斷海底或陸地下是否有石油等礦藏，并且這一技術(shù)也可用于地震勘探。

微波除冰：在水泥或石子路面上加入少量電導(dǎo)率較高的材料，利用脈沖電源產(chǎn)生高功率微波，對(duì)于冬天結(jié)冰的路面進(jìn)行加熱，使路面與冰的結(jié)合處融化，從而使冰容易從路面脫離，達(dá)到除冰的目的。同樣的技術(shù)也可以應(yīng)用在風(fēng)力發(fā)電機(jī)的扇葉的覆冰處理。

表面改性處理：利用脈沖功率技術(shù)產(chǎn)生強(qiáng)脈沖離子束，離子束撞擊金屬和非金屬材料表面使材料表面性能發(fā)生改變，是正在發(fā)展中的新興表面改性技術(shù)，成為新一代低成本、高效率、高生產(chǎn)率、實(shí)用化的離子束材料改性與合成工藝，在改善材料表面硬度、磨損、摩擦、抗疲勞或抗氧化等性能方面都有明顯效果。

臭氧制備：脈沖功率電源產(chǎn)生共頻、高頻或脈沖等交變的電場作用下，氣體分子中原有少量載流子從外電場中獲得能量，使其加速運(yùn)動(dòng)并與氣體分子碰撞、電離，氧分子分解為氧原子，與其它水分子結(jié)合為臭氧。臭氧具有極強(qiáng)的氧化能力，可用于殺菌、消毒等工業(yè)應(yīng)用。

納米粉制備：電爆炸使處于陽極和陰極間的金屬絲產(chǎn)生高電壓放電，在金屬絲的內(nèi)部瞬間通過強(qiáng)電流，產(chǎn)生焦耳熱，使金屬絲整體瞬間達(dá)到上萬度的高溫，遠(yuǎn)高于金屬的氣化點(diǎn)，使之氣化。金屬蒸汽與惰性原子碰撞，交換能量并迅速冷卻形成尺寸在納米到亞微米范圍的球形顆粒。由于納米材料的良好應(yīng)用前景，電爆炸合成納米粉體技術(shù)也越來越受到關(guān)注。

2、環(huán)境保護(hù)領(lǐng)域

我國的環(huán)境形勢異常嚴(yán)峻，長期積累的環(huán)境問題和新污染源的出現(xiàn)使生存環(huán)境進(jìn)一步惡化。近年來，脈沖功率技術(shù)開始大量應(yīng)用于污水處理、廢氣處理、靜電除塵和殺菌消毒等方面，逐漸成為環(huán)境工程中重要的處理手段之一。

脫硫脫硝：該技術(shù)利用高壓脈沖電源產(chǎn)生的高能電子激活燃煤煙氣中的二氧化硫和氮氧化物，加入氨作為反應(yīng)劑，生成硫酸銨和硝酸銨肥料。脈沖電源產(chǎn)生的等離子體對(duì)該脫硫脫硝過程起到催化的作用，提高干法脫硫脫硝的轉(zhuǎn)化效率。該技術(shù)成本較低，無二次污染，形成的副產(chǎn)物可回收利用，有較好的應(yīng)用前景。

高壓靜電除塵：高壓靜電除塵使煙塵發(fā)生電離，氣流中的粉塵荷電后在電場作用下與氣流分離，在電場力的作用下，荷電的塵粒迅速趨向與之電極相反的電極，最后在電極上釋放電荷并沉積在電極上，當(dāng)粉塵沉積到一定數(shù)量時(shí)，通過振打裝置作用使粉塵落入灰斗，被除去粉塵的凈化氣體則通過凈化電場排入大氣。

消毒殺菌：高壓脈沖滅菌是一項(xiàng)新型的非熱處理技術(shù)，其機(jī)理是脈沖電源產(chǎn)生的高壓脈沖電場施加到微生物上，誘導(dǎo)微生物細(xì)胞出現(xiàn)不可逆的電穿孔，從而導(dǎo)致微生物死亡，達(dá)到消滅細(xì)菌，保護(hù)食品或環(huán)境的安全。

污水處理：高壓脈沖電源由于輸出電壓波形具有陡前沿，窄脈沖的特點(diǎn)，施加于液相內(nèi)非平衡的電極之間，極易使處理對(duì)象的分子結(jié)構(gòu)發(fā)生改變，其質(zhì)量較輕的電子獲得能量后變?yōu)楦吣茏杂呻娮?，在運(yùn)動(dòng)過程中，與其他分子碰撞，引發(fā)一系列水相化學(xué)過程，產(chǎn)生 如H2O2等活性物質(zhì)， 進(jìn)而能促使水中的有機(jī)物降解。而在這些電化學(xué)過程中產(chǎn)生的超聲波、沖擊波、局部高溫、紫外線燈等一系列物理效應(yīng)也能促使有機(jī)物的降解，達(dá)到凈化污水的效果。

3、醫(yī)療衛(wèi)生領(lǐng)域

目前脈沖功率技術(shù)在醫(yī)療衛(wèi)生領(lǐng)域有很多應(yīng)用，通過高壓電源產(chǎn)生X射線進(jìn)行X光拍照，產(chǎn)生強(qiáng)磁場進(jìn)行核磁共振診斷等，產(chǎn)生激光脈沖或γ射線進(jìn)行相關(guān)手術(shù)治療，體外沖擊波碎石是利用水中發(fā)生高功率脈沖放電時(shí)形成“液電效應(yīng)”而產(chǎn)生沖擊波，當(dāng)沖擊波從人體外部傳入人體內(nèi)部并在人體內(nèi)部的結(jié)石處聚焦時(shí)，處在沖擊波焦點(diǎn)范圍內(nèi)的結(jié)石在聚焦后的強(qiáng)烈沖擊波反復(fù)沖擊下逐漸破碎。高壓脈沖水下的液電效應(yīng)也能用來清砂和除垢等工業(yè)應(yīng)用。隨著脈沖功率的技術(shù)進(jìn)步，在醫(yī)療領(lǐng)域會(huì)得到更多地應(yīng)用。

六、小結(jié)

作為當(dāng)代高新技術(shù)研究的重要技術(shù)基礎(chǔ)之一，脈沖功率技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用與其它學(xué)科的發(fā)展有著密切的聯(lián)系。隨著研究的不斷深入，儲(chǔ)能技術(shù)、功率開關(guān)技術(shù)、脈沖大電流的測量技術(shù)方面必將取得更大的發(fā)展，而且這些研究成果將越來越多地轉(zhuǎn)化到生產(chǎn)應(yīng)用領(lǐng)域?？傊}沖功率技術(shù)已經(jīng)在科學(xué)研究、國防工業(yè)以及工業(yè)、民用等眾多領(lǐng)域有著極為重要的應(yīng)用。脈沖功率技術(shù)是當(dāng)前比較活躍的一門前沿科學(xué)技術(shù)，它是高新技術(shù)研究的重要技術(shù)基礎(chǔ)之一，有著非常廣泛的發(fā)展和應(yīng)用前景。