晶闸管反向并联二极管组件的关断特性研究

晶闸管具有控制特性好,寿命长、体积小、噪声小等优点,是高功率脉冲电源的重要器件。但晶闸管在高电压、大电流、重频工作条件下使用时,会出现晶闸管无法在特定时间内关断的情况,导致脉冲电源出现故障。为提高晶闸管在重频下的工作能力,本文对脉冲功率晶闸管组件的关断过程进行研究。基于晶闸管的关断原理和实验分析,在相同$ {\rm{d}}i/{\rm{d}}t$下,增大电流峰值$ {I_{\rm{p}}}$对晶闸管反向恢复特性影响较小,并得到了晶闸管的反向恢复时间、反向恢复电荷和${\rm{d}}i/{\rm{d}}t$的关系。根据实验数据拟合晶闸管反向恢复电流波形,修改了电流指数函数模型,可以更好地拟合反向恢复电流。     

快脉冲直线型变压器驱动源同步触发系统

提出了一种基于单传输线脉冲成形技术的模块化快脉冲直线型变压器驱动源的同步触发系统的概念设计,主要由级数较少的Marx发生器、脉冲形成线、主开关、脉冲传输线及触发引出电缆等组成。利用等效电路模型,研究了Marx发生器与脉冲形成线的配合关系,当发生器同时驱动多路形成线时,可以有效增加触发脉冲的数量,并能提高能量利用效率,但触发脉冲的幅值会降低。研究了水介质线阻抗与引出电缆数量对触发脉冲的影响,结果表明:随着电缆序号的增加,触发脉冲的幅值逐渐降低,并且水介质线的阻抗越高,幅值降低的速度越快。触发脉冲也可同时引出,驱动单路形成线输出60路时,触发脉冲的峰值约为293 kV,前沿约11 ns;当驱动5路形成线输出300路时,触发脉冲的峰值约为151 kV,前沿约11 ns。     

快脉冲直线型变压器驱动源同步触发系统

提出了一种基于单传输线脉冲成形技术的模块化快脉冲直线型变压器驱动源的同步触发系统的概念设计,主要由级数较少的Marx发生器、脉冲形成线、主开关、脉冲传输线及触发引出电缆等组成。利用等效电路模型,研究了Marx发生器与脉冲形成线的配合关系,当发生器同时驱动多路形成线时,可以有效增加触发脉冲的数量,并能提高能量利用效率,但触发脉冲的幅值会降低。研究了水介质线阻抗与引出电缆数量对触发脉冲的影响,结果表明：随着电缆序号的增加,触发脉冲的幅值逐渐降低,并且水介质线的阻抗越高,幅值降低的速度越快。触发脉冲也可同时引出,驱动单路形成线输出60路时,触发脉冲的峰值约为293 kV,前沿约11 ns;当驱动5路形成线输出300路时,触发脉冲的峰值约为151 kV,前沿约11 ns。     

DPF-300脉冲X射线源同步触发系统研制

 DPF-300脉冲X射线源的同步触发系统采用三级触发：第一级由初级脉冲产生器触发氢闸流管;第二级由氢闸流管输出脉冲触发多路触发开关;第三级由多路触发开关和触发箱组成,触发主放电场畸变开关。该触发系统中多路触发开关产生负极性脉冲信号,通过耦合电容,到达开关的触发脉冲上升沿,约为40 ns,脉冲半高宽约60 ns,上升陡度大于0.67 kV/ns。能够同时触发40个同轴型场畸变开关,电压工作范围20～40 kV,不同发次触发箱输出的触发脉冲信号时间分散性小于4 ns,同一发次不同开关的放电时间分散性小于20 ns。在工作电压20 kV,主放电开关充0.115 MPa氮气时,整机负载电流达到约1 MA。     

DPF-300脉冲X射线源同步触发系统研制

DPF-300脉冲X射线源的同步触发系统采用三级触发：第一级由初级脉冲产生器触发氢闸流管;第二级由氢闸流管输出脉冲触发多路触发开关;第三级由多路触发开关和触发箱组成,触发主放电场畸变开关。该触发系统中多路触发开关产生负极性脉冲信号,通过耦合电容,到达开关的触发脉冲上升沿,约为40 ns,脉冲半高宽约60 ns,上升陡度大于0.67 kV/ns。能够同时触发40个同轴型场畸变开关,电压工作范围20～40 kV,不同发次触发箱输出的触发脉冲信号时间分散性小于4 ns,同一发次不同开关的放电时间分散性小于20 ns。在工作电压20 kV,主放电开关充0.115 MPa氮气时,整机负载电流达到约1 MA。     

反向触发晶闸管谐振式触发电路

研究设计了一种可用于触发反向触发晶闸管(RSD)的电路。给出了通过参数寻优选取触发电路参数的思路。初步试验中发现存在主脉冲波形畸变和续流拖尾问题,提出了对典型谐振触发电路的两点改进：提出了基于可饱和磁介质环的触发脉冲整形方法,解决了主脉冲波形畸变问题;通过串联阻容回路吸收剩余触发能量,消除了脉冲的续流拖尾。试验结果显示RSD开通特性良好,表明所设计的触发电路能满足开通s级高上升率电流脉冲的需求。     

反向触发晶闸管谐振式触发电路

研究设计了一种可用于触发反向触发晶闸管(RSD)的电路。给出了通过参数寻优选取触发电路参数的思路。初步试验中发现存在主脉冲波形畸变和续流拖尾问题,提出了对典型谐振触发电路的两点改进:提出了基于可饱和磁介质环的触发脉冲整形方法,解决了主脉冲波形畸变问题;通过串联阻容回路吸收剩余触发能量,消除了脉冲的续流拖尾。试验结果显示RSD开通特性良好,表明所设计的触发电路能满足开通s级高上升率电流脉冲的需求。     

晶闸管触发开通特性

从载流子的传输过程和载流子数密度两个方面分析了晶闸管触发开通过程,研究了强触发方式对晶闸管开通特性的影响。利用功率MOSFET的快开通特性和通流能力,设计了晶闸管强触发电路,并通过晶闸管开通特性实验平台研究了触发条件和工作电压两个因素与晶闸管开通时间的关系。实验结果表明：晶闸管开通时间决定于触发方式和工作电压,强触发方式可以缩短延迟时间,高工作电压可以减小导通时间,利用强触发方式和提高工作电压能够有效地改善晶闸管的开通性能。     

12kV高压反向触发双极晶闸管开关组件

介绍了反向触发双极晶闸管(RSD)开关的结构和触发工作原理,分析了RSD组件设计要求,利用两级触发原理研制了12 kV高压RSD组件及其触发系统,工作电压10～12 kV。试验结果表明:该高压RSD串联组件触发稳定,工作可靠,12 kV工作电压下峰值电流可达133 kA,传输电荷24 C,电流变化率可达4.12 kA/μs,导通的峰值功率可达1.6 GW。     

12 kV高压反向触发双极晶闸管开关组件

介绍了反向触发双极晶闸管(RSD)开关的结构和触发工作原理,分析了RSD组件设计要求,利用两级触发原理研制了12 kV高压RSD组件及其触发系统,工作电压10~12 kV。试验结果表明：该高压RSD 串联组件触发稳定,工作可靠,12 kV工作电压下峰值电流可达133 kA,传输电荷24 C,电流变化率可达4.12 kA/μs,导通的峰值功率可达1.6 GW。     

超高速脉冲晶闸管设计及特性

介绍一种超高速脉冲半导体器件,该器件属于穿通型器件,电压可达到5000V,电流上升率可以达到20kA/μs以上,根据参数调配,脉冲峰值电流可以达到数百kA。该器件采用多元胞集成结构,采用缓冲层与阳极透明层相结合的扩散技术,使其在压降和开通等方面相对于传统的晶闸管原理开关有更强的优势。并且,该超高速脉冲器件在工艺设计及实现上进行了优化,使生产条件易满足。     

超高速脉冲晶闸管设计及特性

介绍一种超高速脉冲半导体器件,该器件属于穿通型器件,电压可达到5000 V,电流上升率可以达到20 kA/s 以上,根据参数调配,脉冲峰值电流可以达到数百kA。该器件采用多元胞集成结构,采用缓冲层与阳极透明层相结合的扩散技术,使其在压降和开通等方面相对于传统的晶闸管原理开关有更强的优势。并且,该超高速脉冲器件在工艺设计及实现上进行了优化,使生产条件易满足。     

半导体脉冲功率开关的最新进展

简述了脉冲功率开关的发展及国内外脉冲功率晶闸管产品的现状,并详细介绍了国内的脉冲功率开关产品及其特点。阐述了脉冲功率晶闸管组件产品的设计与应用,以及半导体脉冲功率开关的测试试验平台。简要介绍了脉冲功率晶闸管及其组件在工程应用中的同步驱动、感应取能和串联均压等关键技术,并简述了脉冲功率晶闸管组件的工程应用实际效果。阐述了半导体脉冲功率开关及其测试试验平台的发展方向。     

半导体脉冲功率开关的最新进展

简述了脉冲功率开关的发展及国内外脉冲功率晶闸管产品的现状,并详细介绍了国内的脉冲功率开关产品及其特点。阐述了脉冲功率晶闸管组件产品的设计与应用,以及半导体脉冲功率开关的测试试验平台。简要介绍了脉冲功率晶闸管及其组件在工程应用中的同步驱动、感应取能和串联均压等关键技术,并简述了脉冲功率晶闸管组件的工程应用实际效果。阐述了半导体脉冲功率开关及其测试试验平台的发展方向。     

基于感应变压器原理的多路开关同步触发技术

为满足直线变压器驱动源(LTD)中大规模开关同步触发的技术需求,提出了一种采用逆LTD结构、基于感应变压器原理的多路LTD开关同步触发技术（LTD-trigger）。它的工作原理类似若干个串联工作的脉冲变压器,即初级输入一个高压快脉冲,通过脉冲变压器的感应耦合后在次级输出多路的同步触发脉冲,且能够与LTD中的气体开关形成很好的对应关系。与传统的触发技术相比,LTD-trigger的同轴结构有效地减小了触发脉冲的延时与抖动,并且通过合理设计,能够满足LTD模块对于同步触发的要求。分析了LTD-trigger的工作原理,建立了电路模型和仿真模型,通过仿真结果和一些故障模式分析,结合已开展的初步实验结果,验证了同步触发技术的可行性。     

基于感应变压器原理的多路开关同步触发技术

为满足直线变压器驱动源(LTD)中大规模开关同步触发的技术需求,提出了一种采用逆LTD结构、基于感应变压器原理的多路LTD开关同步触发技术（LTD-trigger）。它的工作原理类似若干个串联工作的脉冲变压器,即初级输入一个高压快脉冲,通过脉冲变压器的感应耦合后在次级输出多路的同步触发脉冲,且能够与LTD中的气体开关形成很好的对应关系。与传统的触发技术相比,LTD-trigger的同轴结构有效地减小了触发脉冲的延时与抖动,并且通过合理设计,能够满足LTD模块对于同步触发的要求。分析了LTD-trigger的工作原理,建立了电路模型和仿真模型,通过仿真结果和一些故障模式分析,结合已开展的初步实验结果,验证了同步触发技术的可行性。     

3 MV自耦式紫外预电离开关的设计

基于紫外预电离技术和阻容耦合电路研制了应用于高功率装置的三串联3 MV自耦式紫外预电离开关。该开关由紫外预电离间隙和开关主间隙组成。根据同类开关在脉冲电压下的击穿数据推算出3 MV开关的间隙距离,开关主间隙的电场不均匀系数为1.58。采用台阶屏蔽技术使开关有机玻璃筒外沿面最大电场小于50 kV/cm,满足设计要求。设计紫外预电离间隙击穿电压为主脉冲电压的1%,理论模拟计算表明,在0.1～0.7 MPa范围内,预电离间隙电压大于在此范围内间隙击穿电压,保证可靠预电离。