电磁发射是一种新概念发射技术,使用脉冲电源放电来推动弹丸运动。开关作为脉冲电源中的关键器件,其性能的好坏直接影响并制约着电磁发射与脉冲电源技术的发展。晶闸管是目前在电磁发射脉冲电源中应用广泛的开关器件,通常工作在单次大浪涌条件下,但随着电磁发射技术的发展,对晶闸管的重频大浪涌能力提出了新的要求。当晶闸管在重频大浪涌工况下,由连续浪涌电流带来的热累积极易造成器件损坏,因此本文针对晶闸管在该工况下的热特性开展研究,为电磁发射脉冲电源设计提供依据,论文主要研究工作如下。论文介绍了开展晶闸管重频大浪涌热特性研究工作的背景以及晶闸管在电磁发射脉冲电源中的应用情况,分析了电磁发射工作环境下对晶闸管性能的需求。在电磁发射工作过程中,晶闸管要承受较大的浪涌电流、快速的电流变化率、高速变化的正反向高电压,特别是近年来电磁发射对于脉冲电源重频大浪涌需求的提出,对晶闸管工作寿命影响较大,需要通过热分析进行性能评估;通过对各种传统热分析方法的总结和分析,在晶闸管开关工作在高电压、大电流情况下,传统的热分析方法都存在一定的局限性,需要通过实验结合仿真计算的方法提高准确性。论文开展了基于热阻抗网络的晶闸管传热特性计算方法研究,使用matlab软件编制了采用福斯特模型的某型晶闸管热阻抗仿真程序,该程序可用于计算单次大浪涌通流时器件温度变化;同时使用器件手册中10ms浪涌通流指标,推导出了一种可快速计算单次浪涌通流后晶闸管结温的方法,便于工程使用。针对同一工况,两种方法计算结果最高结温分别为171℃和175℃,误差小于2.3%,且与实验结果吻合。通过对比可以发现热阻抗网络和快速计算法结果基本一致,说明该快速计算法可以用于脉冲电源中晶闸管开关的通流能力评估。论文以KPC 4600-34型晶闸管为例,根据厂家提供的器件参数,建立了晶闸管有限元热仿真模型,开展了基于ANSYS Icepak软件的热特性仿真分析;在上述工作基础上,针对电磁发射常用的3英寸、4英寸、5英寸和6英寸四种尺寸的晶闸管器件进行了热特性仿真,并根据厂家提供的寿命曲线进行了寿命预估,连续工作十次后3英寸晶闸管MKPX 050-065瞬态最高结温达到316℃,该器件无法长时间在此工况条件下工作;4英寸晶闸管MKPC150-052瞬态最高结温达200℃,预计其使用寿命次数约为851轮次;5英寸晶闸管MKPD230-052瞬态最高结温为112℃,预计其使用寿命次数约为15135轮次;6英寸晶闸管MKPE 330-052瞬态最高结温为88℃,预计其使用寿命次数约为39810轮次。论文开展了晶闸管重频大浪涌通流的实验研究,设计并搭建了脉冲通流试验平台,平台中包括脉冲高电压测量、脉冲大电流测量、晶闸管温度测量和大功率重频模拟负载等设备,可完成重频大浪涌工况下晶闸管通流性能实验及测试工作,实验峰值电流可达150kA。放电结束后5min测量晶闸管温度,3英寸晶闸管最高温度区域为89.7℃,4英寸晶闸管最高温度区域为56.6℃,5英寸晶闸管最高温度区域为43.9℃。通过实验数据与有限元仿真结果的对比分析可得,随着晶闸管尺寸增大,仿真和实测结果的吻合度变得越来越好,温度变化趋势基本相同,5英寸器件平均温度差为2.3℃。综上所述,本文使用的有限元仿真模型作为评估晶闸管重频通流性能的一种手段,具有较高的准确性,可以用于电磁发射脉冲电源设计工作中。