半导体断路开关实验研究

介绍了半导体断路开关（SOS）特性参数测试平台和测试方法,并对半导体断路开关的截断阻抗、截断时间、电压增益、输出脉冲半高宽以及能量传递效率等参数进行了实验研究。结果表明,正、反向泵浦时间是影响半导体断路开关特性的最主要因素。实验获得了截断时间、电压增益和能量传递效率与正、反向泵浦时间的依赖关系以及SOS截断过程中的阻抗变化特性。     

半导体断路开关数值模拟

 为了研究半导体断路开关(SOS)的截断过程及其在脉冲功率系统中的工作特性,建立了半导体断路开关的电流控制模型,对p⁺-p-n-n⁺掺杂结构的半导体断路开关进行了数值模拟研究。通过数值模拟,给出了p⁺-p-n-n⁺型半导体断路开关在正、反向泵浦过程中的载流子及电场分布,并获得了电流截断效应。计算结果表明,半导体断路开关的截断过程首先发生在p区。     

基于SOS和LTD技术的高重复频率脉冲发生器

提出了磁饱和直线变压器驱动源(LTD)泵浦半导体断路开关(SOS)产生高重复频率短脉冲的技术路线。利用LTD初次级线圈为单匝同轴结构和磁芯可饱和的特点,实现快速反向泵浦SOS,通过多级LTD模块叠加获得高电压输出。采用射频金属氧化物场效应晶体管(RF MOSFET)作为LTD初级电路的主开关,将SOS正向泵浦电流脉冲时间降至数十ns,泵浦电流脉冲重复频率最高可达MHz。最终研制出一台基于SOS的10级磁饱和LTD型脉冲发生器,输出电压约11kV,电流220A,脉冲宽度约2ns,重复频率为20kHz。实验验证了磁饱和直线脉冲变压器泵浦SOS产生高重复频率短脉冲的技术路线可行。     

半导体断路开关截断过程模拟的缩比模型

在维持电路参数同比变化和通过半导体断路开关(SOS)的电流密度不变的基础上,提出了一种SOS截断特性模拟的缩比模型,并可在Silvaco ATLAS软件中应用。在以不同的缩比率选取等效SOS横截面积的情况下,将原电路中串联的100个二极管等效为若干个二极管,模拟得到了相同的二极管电流和电压波形。模拟结果表明,该模型不仅可以得到正确的SOS瞬态截断过程,而且可将计算速度提高近百倍。通过对SOS截断过程中载流子分布和电场分布变化过程的分析发现,SOS的截断过程发生在n-n+区。     

半导体断路开关截断过程模拟的缩比模型

在维持电路参数同比变化和通过半导体断路开关(SOS)的电流密度不变的基础上,提出了一种SOS截断特性模拟的缩比模型,并可在Silvaco ATLAS软件中应用。在以不同的缩比率选取等效SOS横截面积的情况下,将原电路中串联的100个二极管等效为若干个二极管,模拟得到了相同的二极管电流和电压波形。模拟结果表明,该模型不仅可以得到正确的SOS瞬态截断过程,而且可将计算速度提高近百倍。通过对SOS截断过程中载流子分布和电场分布变化过程的分析发现,SOS的截断过程发生在n-n+区。     

基于半导体断路开关的8 MW,10 kHz脉冲发生器

功率器件半导体断路开关具有高重复频率工作能力。采用高速绝缘栅双极晶体管组件作为初级充电回路的主开关,建立了一台工作频率为10 kHz的脉冲发生器。脉冲发生器采用磁饱和脉冲变压器、磁开关及高压脉冲电容器组等固态器件进行两级脉冲压缩,产生小于100 ns的电流脉冲,对半导体断路开关进行泵浦,半导体断路开关反向截断泵浦电流在负载上产生高压脉冲输出。实验装置在电阻负载上得到了脉冲输出功率约为8.6 MW,脉冲宽度约10 ns,重复频率10 kHz的高压脉冲输出。     

半导体断路开关输出预脉冲的产生机理及其参数影响规律

半导体断路开关的输出电压中的预脉冲现象,严重影响了整个系统的输出脉冲前沿陡度和重复频率。针对半导体断路开关在反向截断过程中预脉冲产生的过程和机理进行了研究。利用Silvaco Atlas仿真软件对半导体断路开关正反向泵浦过程中载流子的迁移和电场的变化过程进行了详细考察,发现预脉冲的产生是由双边截断过程中N-N⁺结截断所引起的脉冲前沿变缓现象,其长短主要取决于P型轻掺杂区内的少子电子的迁移率,而脉冲前沿的陡度则取决于双边截断过程中的PN结截断过程。同时,对具有不同基区长度的器件,对其在不同泵浦电流密度下的情况进行了模拟和对比,发现器件基区越窄,脉冲前沿越陡,而预脉冲基本相等;低电流密度条件下只发生N-N⁺结单边截断,大电流密度条件下则发生双边截断,而双边截断的延迟更长,但脉冲前沿拐点更陡,截断更快。     

基于PSpice的电爆丝断路开关数值仿真

电爆丝断路开关是在电感储能系统中广泛应用的断路开关,其具有结构简单、成本低、截断能力强的特点。介绍了电爆丝工作的基本原理,其本质为一个快速增长的电阻,利用高阻抗来实现断流。通过PSpice软件建立了电流通过电爆丝断路开关工作时,其电阻变化的模型,从而可以仿真电爆丝断路开关的工作过程。设计了一组电爆丝断路开关的实验,PSpice模型仿真结果同实验结果进行了比较。结果发现,该模型起爆时刻,产生电压幅值等方面和实验结果比较接近,说明该模型比较科学合理,对以后的电爆丝断路开关的设计具有较大的参考价值。分析了产生误差的原因及该种仿真方法的局限性。     

基于PSpice的电爆丝断路开关数值仿真

电爆丝断路开关是在电感储能系统中广泛应用的断路开关, 其具有结构简单、成本低、截断能力强的特点。介绍了电爆丝工作的基本原理, 其本质为一个快速增长的电阻, 利用高阻抗来实现断流。通过PSpice软件建立了电流通过电爆丝断路开关工作时, 其电阻变化的模型, 从而可以仿真电爆丝断路开关的工作过程。设计了一组电爆丝断路开关的实验, PSpice模型仿真结果同实验结果进行了比较。结果发现, 该模型起爆时刻, 产生电压幅值等方面和实验结果比较接近, 说明该模型比较科学合理, 对以后的电爆丝断路开关的设计具有较大的参考价值。分析了产生误差的原因及该种仿真方法的局限性。     

半导体断路开关电路-流体耦合数值模拟

为了研究掺杂结构为p+-p-n-n+的半导体断路开关的ns脉冲截断机理,根据流体力学方程和全电流方程推导出半导体断路开关内部载流子运动满足的电流-电压关系表达式,提出了一种外电路方程和载流子流体力学方程联立求解的1维耦合数值模型。采用该模型对半导体断路开关的ns脉冲截断过程进行了数值模拟,模拟结果表明：在截断过程中,n-n+结处的载流子数密度首先开始明显降低,并出现高电场,随后p+-p结处也出现类似现象,随着载流子的抽取,高电场区域向p-n结处快速移动,最终在p-n结处完成截断,而基区载流子数密度在截断前后无明显变化。     

光导开关Blumlein型脉冲网络电压传输效率

为了在高阻负载上获得高效率的重复频率平顶高压脉冲输出,开展了影响基于光导开关的Blumlein型脉冲形成网络电压传输效率因素的初步实验研究。以陶瓷电容、铝条和GaAs光导开关构成全固态Blumlein型脉冲形成网络（BPFN）,采用气体间隙进行了设计参数的验证实验,在匹配负载上研究了光导开关工作场强、激光触发能量与BPFN电压转换效率的关系。设计的BPFN阻抗7.8 ,电长度32.6 ns,实验表明光导开关较高的导通电阻是影响PCSS-BPFN电压传输效率的主要因素。当触发激光能量30.4 mJ,工作场强25.1 kV/cm时,获得电压效率83.2%,相应最小导通电阻1.89 ;在触发激光能量3.5 mJ时,为了使阻抗为7.8 的BPFN在匹配负载上达到75%以上电压传输效率,应至少使光导开关工作场强为25.1 kV/cm,相应最小导通电阻2.88 。     

负载阻抗对直线变压器驱动源传递效率的影响

从理论及模拟仿真分析了负载阻抗变化对双线型脉冲形成网络直接给负载放电,以及通过直线变压器(LTD)给负载放电时电压传递效率、能量传递效率以及峰值功率传递效率的影响。基于设计加工的LTD单元模块实验平台,通过调节水电阻负载阻值进行了一系列实验。实验研究结果表明：当负载阻值基本与双线型脉冲形成网络的阻抗2.5 Ω相匹配时,可获得最大能量传递效率80.5%,此时电压传递效率、峰值功率传递效率分别为84.1%,73.9%;增大负载阻抗至3.4 Ω时,可实现99.0%的电压传递效率,而能量传递效率、峰值功率传递效率仅减小3.5%,0.3%。根据对实验结果的分析可知,通过增大负载阻抗可以有效地提高系统的电压传递效率,且当负载阻抗变化不是太大时,对系统的能量传递效率以及峰值功率传递效率影响较小。     

负载阻抗对直线变压器驱动源传递效率的影响

从理论及模拟仿真分析了负载阻抗变化对双线型脉冲形成网络直接给负载放电,以及通过直线变压器(LTD)给负载放电时电压传递效率、能量传递效率以及峰值功率传递效率的影响。基于设计加工的LTD单元模块实验平台,通过调节水电阻负载阻值进行了一系列实验。实验研究结果表明:当负载阻值基本与双线型脉冲形成网络的阻抗2.5Ω相匹配时,可获得最大能量传递效率80.5%,此时电压传递效率、峰值功率传递效率分别为84.1%,73.9%;增大负载阻抗至3.4Ω时,可实现99.0%的电压传递效率,而能量传递效率、峰值功率传递效率仅减小3.5%,0.3%。根据对实验结果的分析可知,通过增大负载阻抗可以有效地提高系统的电压传递效率,且当负载阻抗变化不是太大时,对系统的能量传递效率以及峰值功率传递效率影响较小。     

全固态激励小型TEA CO2激光器的研制

基于国产非晶态合金磁芯,研制了采用可控硅开关、脉冲升压变压器、以及两级磁脉冲压缩网络的全固态激励电路系统,并且应用于放电体积为29 cm3,工作气压为100 kPa的电晕预电离小型TEA CO2激光器。讨论了提高系统能量传输效率和减小系统体积的设计方法,并且测量了系统的工作性能以及各部分的能量损失。实验结果表明：磁脉冲压缩网络的能量传输效率大于83％,全固态激励系统的总效率大于75％;连接激光器负载时,输出脉冲的电压峰值约为22 kV,电流上升时间约为100 ns;得到了脉冲能量109 mJ,宽度70 ns的激光输出,激光器整体效率约为3.3％。在目前的封离体积与气体循环方式限制下,激光器最大重复频率约为100 Hz,而激励电路部分可以达到400 Hz的工作频率。     

基于漂移阶跃恢复二极管开关的脉冲源仿真计算

介绍了新型半导体开关漂移阶跃恢复二极管(DSRD)的工作原理和特性,总结了基于半导体开关器件的脉冲源的发展现状及应用。基于DSRD的等效模型,建立了其正反向泵浦电路的仿真模型,按照输出电压参数的要求,对主储能电感、初级储能电感的取值进行了仿真计算分析,并得到了主回路各元件参数的最优值。通过仿真分析了MOSFET漏源端寄生电容与限压并联电容对输出参数的影响,得到了限压并联电容最优值为0.2 nF,通过计算与仿真得到隔直电容的最优值为100 pF。研制了一款可连续输出的脉冲功率源,其重复频率为1 MHz,脉冲前沿等于680 ps(20%~90%),电压幅值2 kV,半高宽1.5 ns。     

全固态激励小型TEA CO_2激光器的研制

基于国产非晶态合金磁芯,研制了采用可控硅开关、脉冲升压变压器、以及两级磁脉冲压缩网络的全固态激励电路系统,并且应用于放电体积为29 cm3,工作气压为100 kPa的电晕预电离小型TEA CO2激光器。讨论了提高系统能量传输效率和减小系统体积的设计方法,并且测量了系统的工作性能以及各部分的能量损失。实验结果表明:磁脉冲压缩网络的能量传输效率大于83%,全固态激励系统的总效率大于75%;连接激光器负载时,输出脉冲的电压峰值约为22 kV,电流上升时间约为100 ns;得到了脉冲能量109 mJ,宽度70ns的激光输出,激光器整体效率约为3.3%。在目前的封离体积与气体循环方式限制下,激光器最大重复频率约为100 Hz,而激励电路部分可以达到400 Hz的工作频率。