四、特种电源技术发展态势分析

目前，高可靠特种电源中应用的开关器件已逐渐半导体化。例如，传统的速调管调制器电源大多采用脉冲形成网络储能、闸流管开关放电、再经脉冲变压器升压的方式实现。随着电力电子技术的发展，固态半导体开关IGBT的工作电压和工作电流越来越高，如Infineon、ABB、Westcode等厂家的IGBT指标可达6.5kV/600A。固态脉冲调制器电源采用半导体器件串并联作为开关组件调制高压，从而输出脉冲。由于它具有低电磁干扰、不需要磁心、可关断、重复性好、高效率、寿命长等优点，近年来得到了迅速的发展。固态开关大规模的并联和串联应用有效地提升了脉冲电源的性能，已经成为目前速调管电源的主流趋势。

未来我国对特种电源的发展要求主要体现在：从器件角度，能够自主生产符合特种电源工况需求的高频率、高功率、高可靠的商用功率半导体开关和储能器件，能够按照特定需求定制专用器件，能够复现特种电源实际工况，对器件进行在线/准在线的性能与寿命测试；从电路角度，能够理清不同负载与电能形态之间的匹配关系，能够实现传统特种电源向更高功率等级迈进，能够实现高端等离子体电源、高重频脉冲电源等电源在工业生产领域的实用化，实现电路结构上高频化、模块化、标准化，具备较高的功率密度和泛用性；从系统角度，能够从底层物化反应原理上指导特种电源的研发设计，形成成套的理论体系，电源具备高效的电能转化效率和优良的处理效果，符合智能工厂中对设备智能化的需求。根本目标是在本世纪中叶，我国能基本实现从中低端到高端工业用特种电源的自给自足，并且能在世界市场上与国外同类型产品相比位于领先水平。

其需要解决的关键科学问题包括但不限于以下几个方面：

（1）大功率半导体开关初始载流子产生、扩散物理过程影响规律及调控方法

半导体开关初始载流子分布、输运、演变物理过程与开关所允许的最大电流上升率、峰值通流能力密切相关。开展半导体开关载流子的输运过程与材料掺杂浓度、芯片结构和触发方法的规律研究，建立光控半导体开关芯片内部载流子输运物理模型，获得开关导通、关断及通流过程中的静态和动态载流子输运物理机理认识，提出优化的载流子调控方法，以及开关芯片材料和结构优化设计方法。

（2）高功率快前沿开关技术

需要发展高功率固态开关技术，研制通流能力大于30kA，工作电压大于100kV的快速固态开关。

（3）脉冲功率源瞬态高压脉冲形成机理及抑制方法

脉冲功率源放电过程中形成的瞬态高压脉冲是半导体开关等器件损伤甚至失效的主要因素，也是系统对弱电控制电路形成干扰的主要因素之一。需要从开关动态导通关断物理过程、放电单元模块之间能量耦合形式、电路放电初始条件、电路参数突变等方面开展电磁脉冲发生器瞬态高压脉冲形成机制研究，建立瞬态高压脉冲模型，提出瞬态高压脉冲抑制方法。

（4）高功率密度充电和高效能长寿命储能技术

高压充电电源和脉冲电容器作为能库电源的初级储能部组件，其技术参数将影响到系统的整体性能和水平。充电电源电压精度的高低，将对放电波形的重复性产生重要影响，进一步影响到负载加载效果的一致性。同时，充电电源以高重复频率对脉冲电容器进行充电，需要重点考虑如何进一步提高充电电源的功率密度，并解决在高功率密度运行条件下的热管理等工程性难题。另外，脉冲电容器在高压大电流运行条件下反复进行充电-放电过程，器件的等效内阻等结构性参数是影响电源系统能量转换效率和储能器件寿命的重要因素，需要通过合理设计加以解决。

（5）能库电源系统的可靠性和安全性问题

能库电源采用高压储能型电容放电的技术路线，输出参数达到数百kA甚至MA量级。在这种强电动力和强电磁环境下，电源系统的高可靠性和高安全性，是能库电源系统实际应用中必须解决的关键问题。