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1、脉冲功率技术在快速加热中的应用谭 添2012301580202脉冲功率技术在快速加热中的应用电气工程学院 谭添 2012301580202 摘要：脉冲功率技术又称高功率脉冲技术，它是一个研究在相对较长的时间里把能量储存起来，然后经过快速压缩、转换，最后有效释放给负载的新兴科技领域。它的技术特点是高脉冲功率、短脉冲持续时间，高电压和大电流。脉冲功率技术的应用非常广泛，其中快速加热就是一种。一般所说的脉冲加热又特别指工业上的脉冲热加工。本文基于脉冲功率技术在快速加热中的应用为线索，首先，是讲诉了脉冲功率系统的基本组成和经典的Marx发生器；其次，给大家讲解了脉冲加热的本质是利用脉冲电流通过物体来给
2、其加热，讲解了什么是脉冲电流，它的特点和作用是什么；然后，重点讲了脉冲功率技术热加工的原理及其应用，顺带介绍了加热设备-脉冲热压机；再来是阐述了一下脉冲热加工的研究现状；最后展望了它的未来。 关键词 脉冲电流 脉冲热加工 脉冲电源 Marx发生器 脉冲热压机1 引言脉冲功率技术(Pulsed Power Technology)就是把较小功率的能量以较长时间慢慢输入到能储存能量的设备中，将能量进行压缩与转换，然后在极短的时间 (最短可为纳秒)以极高的功率密度向负载释放的电物理技术。脉冲功率技术是一门综合性很强的基础性学科，它涉及到电工材料、等离子体科学、激光技术、微波磁学和光学、电子电路、工程电
3、磁场、高电压技术、电气测量、半导体技术等等。该学科萌发于上个世纪30年代，在60年代有重大进展并形成公认的学科。脉冲功率技术的主体是高功率脉冲电源，为脉冲功率的负载提供电磁能量。加热是指热源将热能传给较冷物体而使其变热的过程。根据热能的获得，可分为直接的和间接的两类。直接热源加热是将热能直接加于物料，如烟道气加热、电流加热和太阳辐射能加热等。间接热源加热是将上述直接热源的热能加于一中间载热体，然后由中间载热体将热能再传给物料，如蒸汽加热、热水加热、矿物油加热等。脉冲功率加热是基于脉冲电流加热的，故属于直接加热。脉冲加热是利用脉冲电流流过钼、钛等高电阻材料时产生的焦耳热去加热焊接的方式。一般要在
4、加热咀的前端连接有热点偶，由此而产生的起电力实时反馈回控制电源来保正设定温度的正确性。脉冲加热应用在多个工业领域，如热加工、金属淬火等。2 脉冲功率系统的基本组成和Marx发生器2.1典型脉冲功率系统典型的脉冲功率系统组成框图如图所示。最基本的系统是由两个部分组成：一部分是低功率水平的能量储存系统；另一部分是高功率脉冲的产生和有效传输到负载。人们在相对较长的时间内把低功率水平的电能储存起来，如电力系统提供的长时间连续运行的电能，对大容量电容器组充电。存储的能量通过脉冲放电得到高功率脉冲，再有效地释放给负载。初级能源脉冲形成部分能量储存部分 负 载 图 典型脉冲功率系统组成其中“初级能源”到“能
5、量储存部分”的过程被称为低功率储存，“脉冲形成部分”到“负载”的过程被称为高功率输出。已故著名科学家王淦昌院士曾指出“高功率脉冲技术是当代高科技的主要基础学科之一。”脉冲功率技术的应用，过去和现在都主要是在高新科学技术领域和国防科研领域，脉冲功率源主要应用领域为：高功率激光、大功率微波、等离子体物理与受控核聚变研究、核爆炸模拟、电磁发射、粒子束武器、闪光 X 射线照相和电磁成形等。例如利用高电压(几十千伏以上)、大电流(数百千安以上)快脉冲(微秒或纳秒量级)放电产生等离子束流，在自身磁场间罗仑兹力作用下而形成 Z 箍缩（Z-pinch)脉冲辐射源，用于核爆环境模拟。利用高压、大电流、快脉冲放电
6、驱动微波振荡电路，产生峰值功率高达100兆瓦的高功率微波(HPM)，以很小立体角定向传输能量来打击目标，对目标的结构或材料以及电子设备等特殊分系统或系统进行硬破坏或软破坏。 目前脉冲功率技术的应用正逐渐发展到民用科技领域，如环境保护中处理烟气、用脉冲放电等离子体脱硫脱硝、生命科学中的强脉冲电场对人体的影响等，但这些研究工作正处于进行中。在脉冲功率装置中，由脉冲形成线、二极管和Marx发生器组成的系统最为典型和普遍，下面就讲讲重要Marx发生器，许多脉冲电源都要用到它。2.2 Marx发生器 Marx发生器（Marx Generator）是一种利用电容并联充电再串联放电的高压装置，该结构由E.M
7、arx于1924年提出，它能模仿雷电及操作过电压等过程。所以经常用于绝缘冲击耐压及介质冲击击穿、放电等试验中。其工作原理，如图图 冲击电压发生器回路(Marx回路)图中C为级电容，它们由充电电阻R 并联起来，通过整流回路T-D-r充电到V。此时，因保护电阻r 一般比R约大10倍，它不仅保护了整流设备，而且还能保证各级电容充电比较均匀。在第1级中g0为点火球隙，由点火脉冲起动；其他各级中g为中间球隙，它们调整在g0起动后逐个动作。这些球隙在回路中起控制开关的作用，当它们都动作后，所有级电容C就通过各级的波头电阻Rf串联起来，并向负荷电容C0充电。此时，串联后的总电容为C/n，总电压为nV。n为发
8、生器回路的级数。由于C0较小，很快就充满电，随后它将与级电容C一起通过各级的波尾电阻Rt放电。这样，在负荷电容C0上就形成一很高电压的短暂脉冲波形的冲击电压。在此短暂的期间内，因充电电阻R远大于Rf和Rt，因而它们起着各级之间隔离电阻的作用。冲击电压发生器利用多级电容器并联充电、串联放电来产生所需的电压，其波形可由改变Rf和Rt的阻值进行调整，幅值由充电电压V 来调节，极性可通过倒换硅堆D两极来改变。图中C1为主电容，又称冲击电容，它相当于各级串联后的总电容，即；C2为负荷电容，即C2=C0，它包括调波电容、试品电容、测量设备（分压器）电容及联线等寄生电容；G代表控制放电的球隙；Rf和Rt分别
9、为波头电阻和波尾电阻，它们相当于各级rf和rt的总和，即Rf=nrf，Rt=nrt；U1为充电电压，它相当于各级串联后的总电压，即U1=nV；U2为输出电压，即所需的冲击电压。此等值电路相当于单级冲击电压发生器的电路。根据电路分析，输出电压U2(t)为一双指数函数，1，半峰值时间T20.69Rt(C1+C2)。冲击电压发生器输出电压幅值V2m与充电电压V 之比称作发生器的效率，即=(V2m /nV)100%。对雷电冲击波，一般约80%；对操作冲击波，有时仅60%。冲击电压波形参数T1(Tcr)、T2及发生器效率与回路结构和参数有关，均需通过实际调试进行调整和确定。 对于电力变压器等带有绕组的电
10、力设备，通常还要求做雷电冲击截波试验。冲击电压发生器外接一截断间隙即可产生冲击截波。标准雷电截波是标准雷电冲击波经过25s截断的波形。冲击电压发生器是高电压试验室的基本试验设备之一。目前中国已建的冲击电压发生器最高额定电压为6MV，有个别国家高达10MV。 图 脉冲电源Marx发生器实物图3. 脉冲电流的特点及应用脉冲加热是利用各种波形的脉冲电流，以时断时续的方式来加热来达到一些特殊工艺要求。脉冲电流是指方向不变，强度随时间周期性改变的电流，也叫脉动电流。有些用户的负载需要断续加电，即按照一定的时间规律，向负载加电一定的时间，然后又断电一定的时间，通断一次形成一个周期。如此反复执行，便构成脉冲
11、电源。例如对于无极性电解电容器的老化工艺中，需要给电容器正向充电一段时间，然后放电，然后反向给电容器充电一段时间，然后放电，如此便形成正向放电（断电）反向放电正向，如此反复。又如，线绕电阻的试验规则是：加电一段时间断电一段时间，如此重复。以上两例已涉及正向加电时间、断电时间、反向加电时间这三种时间关系。脉冲加热的特点，一是加压时通电加热和断电冷却同时进行、防止了结合部浮起、虚焊，最适合于柔性材、线材的热压焊、焊锡焊接及树脂粘结。二是优越的温度、时间等参数的再现性可以实现高品质产品的生产。三是局部瞬时加热方式能良好地控制对周围元器件的热影响。它的具体应用有：1.LCD、PDP、手机等电子产品内的
12、柔性线路板的热压接、焊锡焊接等。2.HDD、线圈、电容、电机、传感器等漆包线的焊锡焊接。3.电脑等通信机器内的线缆、连接口的焊锡焊接。4.数码相机、手机等的CMOS、CCD与FPC板的焊锡焊接。5.继电器、打印机、小型相机等的树脂热压结合。6.微波器件内部的金线热压结合等等。4. 脉冲功率在快速加热方面的应用-脉冲电流热加工4.1脉冲电流热加工简介与发展史 脉冲电流热加工(P1SltrirnrtatTratmnt，比如烧结，焊接等)是九十年代发展起来的一种材料快速制备新技术，它包括放电等离子烧结与焊接、等离子活化烧结与焊接、脉冲大电流扩散焊接等。它具有升温、降温速度快、能在较低的温度下烧结或焊
13、接以及时间短的特点。该技术己应用于梯度功能材料、金属基复合材料、纤维增强复合材料、纳米材料、多孔材料等多种材料的烧结和不相容材料之间的连接。 脉冲大电流热加工技术的历史可追溯到本世纪30年代，当时“脉冲电流烧结技术”引入美国。后来日本研究了类似但更先进的技术-电火花烧结，并于六十年代末获得专利。但由于缺少有关的应用技术，也没有解决与工业生产、设备造价及烧结效率有关的技术问题，所以一直没有得到广泛的应用。1988年，日本井上研究所研制出第一台放电等离子烧结(Spark Plasma Sinternig，简称SPS)装置，具有5吨的最大烧结压力，在材料研究领域获得应用。1990年以后，日本推出了可
14、用于工业生产的SPS第三代产品，具有10-100吨的最大烧结压力和脉冲电流5000-5OOOA。最近又研制出压力达500吨，脉冲电流为25000A的大型SPS装置。由于解决了相关的技术问题，能够实现快速、低温、高效烧结，脉冲大电流热加工技术已引起各国材料科学与工程界的极大兴趣。图 放电等离子烧结(SPS)装置简图4.2脉冲电流热加工原理 采用传统的烧结技术，如无压烧结、热压烧结和热等静压烧结等，烧结样品被设置于一个加热的空间，通过热传导和热辐射实现对样品的加热。因间接加热，加热及冷却速度都受到很大制约；难以实现高速升温、快速冷却，晶粒生长难以得到控制。与传统烧结方法相比，放电等离子烧结即SPS
15、具有以下主要特点:(l)升降温与烧结速度快，烧结体系处于远离平衡状态，容易实现对材料的相组成、结构和组织的控；(2)存在脉冲电流诱发的特殊外场作用，促使扩散、迁移和传质等，对材料微观结构与组织形成产生影响；(3)利用模具的梯度设计可以实现温差烧结，保证物性差异大的功能梯度材料体系同时致密化。 传统的热压烧结主要是由通电产生的焦耳热(I2R)和加压造成的塑性变形这两个因素来促使烧结过程的进行。而脉冲大电流加热烧结过程除了上述作用外，在压实颗粒样品上施加了由特殊电源产生的直流脉冲电流和电压，从而在试样中产生电场和磁场，并有效地利用了在粉体颗粒间放电所产生的自发热作用。在压实颗粒样品上施加脉冲电压产生了如图所示的在通常热压烧结中没有的各种有利于烧结的现象。图 施加直流开关脉冲电压的作用脉冲大电流烧结系统可用于短时间、低温、高压(500-10OOMPa)烧结，也可用于低压(20-30MPa)、高温(1000-2000)烧结，因此可广泛地用于金属、陶瓷和各种复合材料的烧结，包括一些用通常方法难以烧结的材料，例如表面容易生成硬的氧化层的金属钦和金属铝，用脉冲大电流热加工方法可以使其在短时间内烧结，并能使致密度达到99、100%。4.3脉冲电流热加工应用脉冲大电流热加工技术已成功应用于梯
