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储能系统技术 储能系统 ★ 4.0

通过引入介质材料抑制微波器件中的多极效应

Suppressing the Multipactor in Microwave Devices by Introducing the Dielectric Material

作者 Yonggui Zhai · Rui Wang · Hongguang Wang · Meng Cao · Shu Lin · Na Zhang
期刊 IEEE Transactions on Electron Devices
出版日期 2025年7月
技术分类 储能系统技术
技术标签 储能系统
相关度评分 ★★★★ 4.0 / 5.0
关键词 多径效应抑制 介质材料 电磁场分析 多径阈值 高功率微波器件
语言:

中文摘要

本研究提出了一种通过集成介电材料来抑制航天器用高功率微波器件中二次电子倍增效应的方法。利用CST微波工作室对电磁场进行数值分析,同时通过自主开发的三维粒子模拟(PIC)代码准确预测二次电子倍增阈值。系统研究了介电材料的几何参数和材料特性对二次电子倍增的影响。仿真结果表明,当介电材料的宽度与平行板或矩形波导的宽度相匹配时,增加介电材料的厚度和相对介电常数会增强射频(RF)电场的幅度,同时二次电子倍增阈值降低。相反,当介电材料的宽度小于波导宽度时,射频电场幅度降低,导致二次电子倍增阈值升高。值得注意的是,部分填充介电材料可使射频电场幅度降低达90%,与未填充介电材料的情况相比,二次电子倍增阈值可提高多达40倍。这些研究结果为空间应用中的高功率微波组件设计提供了关键的参考依据。

English Abstract

This study proposes a method for suppressing the multipactor effect in high-power microwave devices for spacecraft applications by integrating dielectric materials. Electromagnetic fields are numerically analyzed using the CST Microwave Studio, while multipactor thresholds are accurately predicted via an in-house developed 3-D particle-in-cell (PIC) simulation code. A systematic investigation is conducted to examine how the geometric parameters and material properties of dielectric influence multipactor. Simulation results show that when the dielectric width matches that of a parallel-plate or rectangular waveguide, increasing both the thickness and relative permittivity enhances the amplitude of the radio frequency (RF) electric field, accompanied by a decrease in the multipactor threshold. Conversely, when the dielectric width is smaller than the waveguide, the RF electric field amplitude decreases, leading to an increase in the multipactor threshold. Notably, partially filled dielectric can reduce the RF electric field amplitude by up to 90%, and improve the threshold by as much as 40 times compared to unfilled dielectric. These findings provide critical design insights for high-power microwave components in space applications.
S

SunView 深度解读

从阳光电源的业务视角来看,该论文虽聚焦于航天领域微波器件的多载子倍增效应抑制,但其核心技术原理对我司高功率电力电子设备具有重要借鉴价值。多载子倍增现象本质上是高频高压环境下的电子雪崩效应,这与光伏逆变器、储能变流器等产品在大功率开关过程中面临的局部放电和绝缘击穿挑战存在物理机制上的相似性。

该研究通过引入介电材料并优化其几何参数(厚度、宽度)和材料属性(相对介电常数)来调控射频电场分布,成功将多载子阈值提升40倍。这一思路可直接应用于我司1500V及以上高压系统的母排设计、IGBT/SiC模块封装以及磁性元件优化中。特别是在储能系统向更高电压等级(如1500V直流)演进的趋势下,局部电场集中导致的绝缘老化和局部放电已成为制约功率密度提升的关键瓶颈。

技术成熟度方面,论文采用的CST电磁仿真与PIC粒子模拟相结合的方法已较为成熟,但从航天应用向工业级电力电子转化仍需克服两大挑战:一是工业环境下温度、湿度、污染等因素对介电材料长期可靠性的影响;二是成本控制,航天级材料难以直接应用于大规模商业化产品。

潜在机遇在于,若能将部分填充介电技术应用于我司新一代高频化(>100kHz)逆变器和储能PCS产品,有望在不增加体积的前提下提升20-30%的功率密度,同时延长绝缘系统寿命。建议我司研发团队与高校合作,开展工业级介电材料筛选和电场优化设计验证,重点关注SiC器件高dv/dt应力下的应用场景。