高电流固态开关，适用于密集等离子体聚焦应用

《IEEE Transactions on Plasma Science》：High-Current, Solid-State Switch for Dense Plasma Focus Applications

Project Elpis研究等离子体聚焦（PF）作为聚变能源商业辐射源，开发固态脉冲开关原型，测试16路并联开关在140kA峰值（单次）和70kA（重复）下的电流共享（<5%差异），并建立仿真模型验证500kA原型可行性。

　　

摘要：

Elpis项目研究将等离子体焦点（PF）作为商业辐射源的可行性，理想情况下用于聚变能的产生。等离子体焦点是一种特殊的电场结构，能够产生短暂存在的高温、高密度等离子体，在这种环境下可以发生聚变反应。由于这是一种能量密度极高的脉冲装置，因此需要设计出合适的脉冲源。首先，确定了初始研究原型所需的技术参数（10 kV、10 kJ、500 kA、脉冲持续时间25 μs）。考虑到系统需要具备较长的使用寿命，本研究将探索固态脉冲开关的实现方案，并开发出一个低功率（1 kV）的原型机用于初步实验演示。通过实验筛选了多种固态开关（包括绝缘栅双极晶体管（IGBT）和两种MOS栅控晶闸管），根据它们在所需工作范围内的电流传导能力进行了最终选择。随后设计了一个正弦波放电脉冲源，用于测量四个并联连接的开关的电流共享性能。实验结果显示，在峰值电流低于20 kA的情况下，这些开关的电流共享效果良好（电流差异小于15%）。同时，还建立了一个仿真模型以辅助后续的系统设计。接着设计了一个由16个开关并联组成的开关模块，实验验证了其在峰值电流达到140 kA（单次脉冲）和70 kA（重复脉冲）时的电流共享性能，结果依然良好（电流差异小于5%）。最后，仿真结果证明了500 kA原型的可行性，并展示了该原型机与等离子体焦点装置的成功配合运行情况。