基于SI-GaAs材料的新型脉冲压缩二极管

针对快前沿高重频脉冲的应用需求,设计并研制了一种基于半绝缘砷化镓（SI-GaAs）材料的新型脉冲压缩二极管,通过实验对其压缩性能和重频运行能力进行了测试。实验结果表明,利用此开关能够将前级脉冲的上升沿压缩约270倍和脉宽压缩14倍;并在50 Ω负载上,获得脉冲幅度1.3 kV、上升沿约1.6 ns、脉宽40.59 ns的电脉冲,重复频率达1 kHz,总计运行47 min,触发约两百万次。为研究脉冲压缩二极管的工作原理,对其静态伏安特性进行测试。分析认为,在电压初步加载阶段,SI-GaAs材料内的电场增强型的俘获与离化机制导致耐压增强,二极管在实验过程中出现延迟击穿现象;逆向偶极畴效应产生牵引机制,引发快速上升的位移电流,进而导致反偏结雪崩击穿,二极管表现出瞬间负阻特性,在负载上输出高压纳秒电脉冲。新型脉冲压缩二极管无外加触发快脉冲的前级器件,自身可以维持一定时间的强烈雪崩击穿状态,因此具有体积小、生产成本低的优点,可用于制作小型化高重频的纳秒脉冲功率源。     

具有快前沿的固态Marx电源的研究

纳秒脉冲电场消融要求在100Ω负载上产生数千伏的纳秒脉冲,加快脉冲前沿有利于获得更窄的纳秒脉冲。提出了一种具有快速前沿的固态Marx发生器,在每级电路中插入一个电感,并且让放电管和充电管同时导通数十纳秒,等放电管完全开通后,关断充电管,对负载进行放电,以消除放电管和放电回路杂散电感对脉冲前沿的限制,获得具有快前沿的高压脉冲。搭建了32级Marx样机,实验中通过调节直通时间,在100Ω的低阻负载上获得了电压上升沿35 ns、脉宽800 ns、电流186 A的高压脉冲。对比并分析了充电管和放电管直通时间对上升沿的影响,发现直通时间越长,脉冲电流的前沿越快。输出端的峰值电流最大可达186 A。表明该脉冲电压源可以有效地提高电流的输出,提高系统带载能力。该方案相比于传统的改进方法,提高了系统抗干扰能力的同时,也减少了所使用开关管的数量,降低了脉冲电源的成本。     

空气中纳秒脉冲介质阻挡放电高速摄影

使用上升沿40 ns、脉宽70 ns的重复频率单极性纳秒脉冲电源,采用双水电极结构产生大气压空气中介质阻挡放电。测量了纳秒脉冲下介质阻挡电压和电流,并获得长曝光时间和ns级曝光时间的放电特性,采用曝光时间为2 ns的高速摄影拍摄放电发展过程。结果表明:大气压空气中,水电极结构纳秒脉冲介质阻挡放电能够产生稳定均匀的放电等离子体,且存在二次放电。高速摄影对放电发展过程的拍摄结果表明:放电首先由电极中部开始发展,径向扩展至整个电极范围。     

重复频率纳秒脉冲聚四氟乙烯薄膜击穿特性

实验研究了聚四氟乙烯薄膜在重复频率纳秒脉冲下的击穿特性,选用脉冲上升时间约15 ns,脉宽30~40 ns,重复频率1~1 000 Hz。测量并计算了击穿前后的电压电流波形、重复频率耐受时间和施加脉冲个数与击穿特性密切相关的参数。结果表明,重复频率纳秒脉冲下聚四氟乙烯薄膜击穿场强为MV/cm量级,重复频率耐受时间随施加场强和重复频率的增大而减小。薄膜本身性质及油浸时间使实验数据具有分散性,重复频率纳秒脉冲下聚四氟乙烯薄膜击穿应考虑重复频率条件下的热积累效应和材料缺陷。     

High speed imaging of nanosecond-pulse dielectric barrier discharge in atmospheric air

使用上升沿40 ns、脉宽70 ns的重复频率单极性纳秒脉冲电源,采用双水电极结构产生大气压空气中介质阻挡放电.测量了纳秒脉冲下介质阻挡电压和电流,并获得长曝光时间和ns级曝光时间的放电特性,采用曝光时间为2 ns的高速摄影拍摄放电发展过程.结果表明:大气压空气中,水电极结构纳秒脉冲介质阻挡放电能够产生稳定均匀的放电等离子体,且存在二次放电.高速摄影对放电发展过程的拍摄结果表明:放电首先由电极中部开始发展,径向扩展至整个电极范围.     

雪崩三极管串联的纳秒脉冲发生器

雪崩三极管因其快速性、高重复频率等特点被广泛应用于纳秒脉冲发生器。为了提高输出电压,常采用多管串联Marx电路。采用二极管代替传统多管串联Marx电路中的部分限流电阻以减少能量损耗,加快充电速度,提高重复频率,并分析了主电容和限流电阻对输出脉冲幅值和频率的影响。通过雪崩三极管的单管击穿实验,单个三极管的导通内阻最小约为2.5 Ω,多管串联Marx电路中的等效内阻使负载侧的输出电压降低,故采用多路Marx并联电路以提高输出电压幅值。通过改变Marx并联模块数量,研究了电路等效内阻对输出脉冲的影响;通过改变负载电阻值,验证了Marx并联电路在小负载下升压效果更佳。实验结果表明,通过相同的4路Marx并联电路进行放电实验,在50 Ω负载侧输出上升沿为3.4 ns、幅值为2.5 kV、可在15 kHz下稳定工作的脉冲。     

11kV大功率SiC光电导开关导通特性

采用高质量半绝缘碳化硅(SiC)单晶材料制作了超快高耐压大功率SiC光电导开关。应用氟化氪准分子脉冲激光器作为激发光源,得到了脉宽为40 ns,上升沿为9.6 ns的超快响应的电脉冲,开关的上升沿存在两个不同阶段。测试开关两端电压从1 kV到10 kV时开关导通的电压波形表明,开关的导通电阻随电压的增加不发生明显变化,开关在导通态时导通电阻在12Ω左右。采用92Ω精密电阻作为负载,计算得到开关两端外加11 kV电压时通过其电流峰值高达159 A,此时峰值功率达到1.4 MW,在此范围内未出现载流子饱和现象。     

基于雪崩三极管的快前沿脉冲功率源研究

雪崩三极管是一种比较理想的、同时具有快速响应和高峰值功率的器件,可以很方便地产生具有ns或亚ns上升前沿的高功率脉冲。研制了三种不同电路构型的雪崩三极管脉冲源,对比了不同级数情况下的电路输出性能,并考察了不同电缆长度对脉冲输出的影响,其中电缆储能电路的电压脉冲可以分为0.4 ns快上升以及缓慢上升的阶段,而电容储能电路的电压脉冲只有0.4 ns的快上升阶段,表明电缆中存在的波过程对雪崩导通过程的建立有较大影响,进而影响电路输出性能。     

高频纳秒脉冲调制器的分立磁耦合驱动器设计

随着高压纳秒固态脉冲发生器在生物、工业和环境等领域的应用日益广泛和深入,脉冲波形、电压幅值、脉冲持续时间、脉冲重复频率等参数已成为特定脉冲功率应用所需的基本可控变量。为了进一步减小电源的体积、降低成本,提出一款以正极性Marx为主电路、多个脉冲变压器为核心驱动器、具有纳秒级前沿高重复频率的高压纳秒脉冲调制器。提出的驱动器结构紧凑,无需提供多路隔离供电的驱动电源,可以在高重复频率下实现两个金属氧化物半导体场效应晶体管（MOSFETs）的栅极电压快速同步上升和下降,获得百纳秒以内、幅值可控的栅极驱动电压。不仅最大脉宽不受磁芯饱和的限制,而且负偏置电压使开关管可控关断,同时在一定程度上避免了电流流过MOSFET米勒电容而引起的寄生导通,提高了电路工作的可靠性。此外,研究了不同匝数和磁芯材料对驱动波形的影响。搭建了一台14级脉冲调制器样机,测试结果表明,基于该驱动器下的调制器输出电压和脉宽都连续可调,具有改变脉冲轮廓的能力,最大输出电压可达5.5 kV,脉宽调节范围为100 ns～50 ms,最小上升时间约18 ns,重复频率为100 kHz。     

120 kV下常压空气纳秒脉冲电晕放电特性

使用上升沿15 ns、脉宽30~40 ns的重复频率纳秒脉冲电源对120 kV下大气压空气中管-板电极结构电晕放电进行了实验研究,通过电压电流测量、放电图像拍摄和X射线探测分析了纳秒脉冲电晕放电特性。结果表明:纳秒脉冲电晕放电中存在X射线辐射,但辐射强度较弱,X射线辐射计数随着气隙距离的增大而减少,随着脉冲重复频率的增大而增多;放电空间的残余电荷加强了下一个脉冲到来时的局部电场,从而导致高重复频率下易于出现分散的电晕通道。     

小型化电感隔离型Marx发生器的研制

随着脉冲功率技术的发展,纳秒脉冲电场被逐渐应用到等离子体水处理、不可逆电穿孔肿瘤消融等技术中。为了满足纳秒脉冲的应用需求,电源需要输出十几kV高压,拥有纳秒窄脉宽和快速的上升沿,同时尽量减小电源体积,降低成本。该纳秒脉冲电源采用电感隔离型Marx发生器结构,电路可以实现模块化叠加,电感隔离可以减少开关数量,抬升充电电压,以获得更高的电压输出。所设计的驱动电路仅需一路控制信号和一个直流供电模块,经功率放大和磁隔离后可同时控制所有放电管,该驱动电路结构简单、成本低、体积小,耐压水平高。所设计的24级电源样机,在50 kΩ阻性负载上,可输出0～14 kV电压,频率0.5～1 kHz,脉宽500 ns。该电源主电路的长宽高尺寸仅为23 cm×10 cm×12 cm。     

一种小型化双指数脉冲源的设计

针对采用注入法进行电磁脉冲效应实验对高性能小型化电磁脉冲源的需求,设计了一种基于雪崩三极管开关的MARX结构的紧凑型脉冲发生电路。分析了雪崩管开关和脉冲发生电路的工作原理,给出了触发电路与主电路设计方法以及元件参数选取方法,并设计了十级单极性和双极性的脉冲发生电路,能产生前沿为ns级、峰值上kV的快沿双指数脉冲,并具有较高的稳定度以及高重复频率。     

脉冲激光器大电流窄脉冲驱动设计

介绍了利用金属氧化物场效应管产生大电流窄脉冲来驱动激光二极管的原理,推导出驱动金属氧化物场效应管峰值驱动电流的计算公式和开通时间的估算公式,通过仿真总结出影响驱动电源脉冲电流的脉宽、幅度和振荡的主要因素,理论和仿真结果表明,器件的寄生电感、电路走线电感和负载寄生电感对电流影响较大。实验结果显示,在供电高压为200 V时,金属氧化物场效应管开通时间为2 ns;激光二极管驱动电流上升时间小于10 ns,脉宽为15~100 ns,幅度为0~50 A连续可调,频率为0~50 kHz。     

变象管、双近贴象增强器及带微通道板光电倍增管的快门选通电路

本文主要简介我国变象管、双近贴象增强器毫微秒分幅相机的研制现状,并讨论这些相机的快门脉冲发生器电路。同时还介绍了用于带微通道板光电倍增管的选通电路。这些电路作适当修改后可用于微光硅靶摄象管的控制,高压电器特性试验,毫微秒脉冲源以及激光调制等场合中。     

基极注入强电磁脉冲对双极晶体管的损伤效应和机理

建立了双极晶体管(BJT)在强电磁脉冲作用下的二维电热模型, 对处于有源放大区的BJT在基极注入强电磁脉冲时的瞬态响应进行了仿真. 结果表明, BJT烧毁点位置随注入脉冲幅度变化而变化, 低脉冲幅度下晶体管烧毁是由发射结反向雪崩击穿所致, 烧毁点位于发射结柱面区; 而在高脉冲幅度下, 由基区-外延层-衬底组成的p-n-n⁺ 二极管发生二次击穿导致靠近发射极一侧的基极边缘率先烧毁; BJT的烧毁时间随脉冲幅度升高而减小, 而损伤能量则随之呈现减小-增大-减小的变化趋势, 因而存在一个极小值和一个极大值. 仿真与实验结果的比较表明, 本文建立的晶体管模型不但能预测强电磁脉冲作用下BJT内部烧毁发生的位置, 而且能够得到损伤能量. 关键词： 双极晶体管 强电磁脉冲 烧毁点位置 损伤能量     

快速关断半导体开关工作特性及实验研究北大核心CSCD

介绍了快速关断半导体开关(DSRD)的工作原理,研究了开关内部的物理过程,分析了系统参数对开关输出特性的影响,研究发现:基区材料的击穿阈值越高、载流子饱和漂移速度越大输出电压上升速率越快;基区高的电场击穿阈值或低的掺杂浓度会增加器件关断时间和最大工作电压;考虑各参数的影响,基于高击穿阈值的DSRD是实现快脉冲输出的理想器件;缩短正向泵浦时间可有效抑制预脉冲,当正向泵浦时间小于200 ns时,输出脉冲波形基本不变;为了获得理想的脉冲前沿,反向电流应在达到峰值时完成对注入电荷的抽取。设计了单前级开关的DSRD泵浦电路,研制了基于DSRD的快脉冲产生系统,输出脉冲前沿约4 ns,电压约8 kV,电压上升速率约2 kV/ns,满足FID开关器件对触发电压的要求。     

新型超快速三角波脉冲电路的研究

本文讨论了一种新型三角波脉冲发生器,此脉冲发生器是由雪崩晶体管作为开关器件,产生出的三角波脉冲半宽度为3.5ns,上升时间最快达2ns,幅值为±1300V,电路的延迟时间为8.3us。     

重频纳秒高压脉冲下变压器油击穿特性的实验研究

介绍了重频纳秒高压脉冲下变压器油绝缘特性研究的现状和成果。进行了重频（1 Hz～1 kHz）纳秒高压脉冲下25#变压器油击穿特性的实验研究。实验发现相对于单次纳秒脉冲,重频脉冲下25#变压器油的击穿场强与频率相关,频率提高,击穿场强降低,但不是线性关系,在频率超过100 Hz时变压器油的击穿场强变化较小,在10~100 Hz时变压器油的击穿场强迅速下降。初步总结了重复频率、脉冲宽度和击穿场强的关系,对重频脉冲下变压器油的击穿机理进行了初步的探讨。