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。     

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。     

高功率反向开关晶体管开关寿命特性

研制了10 kV高压反向开关晶体管（RSD）开关组件。在重复频率0.2 Hz、峰值电流约107 kA、峰值功率约1 GW、单次传输电荷约20 C、单次传输能量约100 kJ条件下,实验次数达50 000多次;主要研究了RSD开关的静态伏安特性随实验次数的变化趋势。采用数值分析的方法,统计拟合得到了长脉冲大电流条件下RSD开关的寿命模型,并依据失效判据初步预估RSD开关的寿命可达107次。     

高功率反向开关晶体管开关寿命特性

研制了10 kV高压反向开关晶体管（RSD）开关组件。在重复频率0.2 Hz、峰值电流约107 kA、峰值功率约1 GW、单次传输电荷约20 C、单次传输能量约100 kJ条件下,实验次数达50 000多次;主要研究了RSD开关的静态伏安特性随实验次数的变化趋势。采用数值分析的方法,统计拟合得到了长脉冲大电流条件下RSD开关的寿命模型,并依据失效判据初步预估RSD开关的寿命可达107次。     

晶闸管串联开关及同步触发系统研制

为满足脉冲功率源对高电压、大电流开关的需求,利用传统晶闸管均压技术,将多个晶闸管串联,研制出额定电压10 kV,额定电流500 A的晶闸管串联开关。根据晶闸管的触发原理,设计出同步触发多个晶闸管的触发系统。该触发系统采用绝缘栅双极型晶体管开关对直流电压阻断产生脉宽可调的低压脉冲,经多个隔离脉冲变压器升压,产生多路同步触发信号。对晶闸管触发系统及晶闸管串联开关进行了测试,测试结果表明：晶闸管触发系统可输出20 V,1 A的多路同步触发信号,触发信号的脉宽30~60 s可调,重复频率100 Hz;晶闸管串联开关每路静态均压和动态均压波动小,在高电压条件下能稳定工作。     

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。     

长间隙真空触发开关导通特性

基于真空触发开关的导通机理,设计了长间隙真空触发开关导通特性的实验方案。根据高速摄像图片讨论了长间隙真空触发开关的导通过程和影响导通特性的因素。通过实验得到了触发电流对间隙脉冲电流的影响规律：采用上升时间较短且峰值较高的触发电流,能够明显降低主间隙的火花电阻和导通延时,验证了对导通过程的理论预测。     

长间隙真空触发开关导通特性

基于真空触发开关的导通机理,设计了长间隙真空触发开关导通特性的实验方案。根据高速摄像图片讨论了长间隙真空触发开关的导通过程和影响导通特性的因素。通过实验得到了触发电流对间隙脉冲电流的影响规律:采用上升时间较短且峰值较高的触发电流,能够明显降低主间隙的火花电阻和导通延时,验证了对导通过程的理论预测。     

基于反向开关晶体管的重复频率脉冲电流源

介绍一种基于新型大功率半导体反向导通型双晶复合晶体管(RSD)开关的重复频率脉冲电流源。重复频率脉冲源主要包括半导体RSD开关、快速可控硅和磁开关等元件。初步实验产生的脉冲峰值电流约6.2 kA,脉冲宽度约10 μs,电流上升率可达18 kA/μs,工作电压约1 kV,可工作于单次和重复频率1,10和100 Hz等状态。     

反向开关晶体管结构优化与特性测试

对半导体脉冲功率开关反向开关晶体管 (RSD)的结构进行了优化,在RSD中引入缓冲层,建立器件数值模型并作仿真分析,结果表明:缓冲层结构起到了截止电场的作用,使得器件基区得以减薄,较传统结构RSD阻断电压升高而开通电压降低。针对RSD的特殊工作方式,提出了RSD开通电压、关断时间等关键参数的测试方案并进行了实验测量。进行了RSD大电流开通试验,直径7.6 cm的堆体在12 kV主电压下成功通过峰值电流173 kA,传输电荷32 C。     

反向开关晶体管结构优化与特性测试

对半导体脉冲功率开关反向开关晶体管 (RSD)的结构进行了优化,在RSD中引入缓冲层,建立器件数值模型并作仿真分析,结果表明:缓冲层结构起到了截止电场的作用,使得器件基区得以减薄,较传统结构RSD阻断电压升高而开通电压降低。针对RSD的特殊工作方式,提出了RSD开通电压、关断时间等关键参数的测试方案并进行了实验测量。进行了RSD大电流开通试验,直径7.6 cm的堆体在12 kV主电压下成功通过峰值电流173 kA,传输电荷32 C。     

两步式放电改善反向开关晶体管开通特性研究

针对大功率半导体开关反向开关晶体管(RSD)由于预充不足造成的非均匀开通缺陷, 在直接预充放电工作电路的基础上, 设计了一种两步式放电工作电路. 根据RSD结构特点理论分析了正常开通所需条件, 并对器件元胞结构进行建模分析, 模型仿真结果表明RSD在窄脉宽预充电流作用下具有更佳的开通性能, 降低了预充阶段基区载流子复合. 两步式放电实验发现第一步放电电流幅值、脉宽对于两步式放电电路的正常工作起决定作用, 而反向预充电流主要作用于RSD第一步放电的正常开通, 降低了预充电路设计难度. 仿真及实验结果均表明两步式放电电路较直接式预充放电电路提高了RSD的均匀开通性能, 这是由于两步式放电显著提高了基区等离子体积累.     

基于反向开关晶体管的重复频率脉冲电流源

 介绍一种基于新型大功率半导体反向导通型双晶复合晶体管(RSD)开关的重复频率脉冲电流源。重复频率脉冲源主要包括半导体RSD开关、快速可控硅和磁开关等元件。初步实验产生的脉冲峰值电流约6.2 kA,脉冲宽度约10 μs,电流上升率可达18 kA/μs,工作电压约1 kV,可工作于单次和重复频率1,10和100 Hz等状态。     

Power dissipation characteristics of great power and super high speed semiconductor switch

The power dissipation characteristics of pulsed power switch reversely switched dynistors （RSDs） are investigated in this paper. According to the expressions of voltage on RSD, derived from the plasma bipolar drift model and the RLC circuit equations of RSD main loop, the simulation waveforms of current and voltage on RSD are acquired through iterative calculation by using the fourth order Runge-Kutta method, then the curve of transient power on RSD versus time is obtained. The result shows that the total dissipation on RSD is trivial compared with the pulse discharge energy and the commutation dissipation can be nearly ignored compared with the quasi-static dissipation. These characteristics can make the repetitive frequency of RSD increase largely. The experimental results prove the validity of simulation calculations. The influence factors on power dissipation are discussed. The power dissipation increases with the increase of the peak current and the n-base width and with the decrease of n-base doping concentration. In order to keep a low power dissipation, it is suggested that the n-base width should be smaller than 320μm when doping concentration is 1.0×10^14cm^-3 while the doping concentration should be higher than 5.8×10^13cm^-3 when n-base width is 270μm.     

高库仑量大电流两电极气体火花开关研究

设计了一个两电极气体火花开关,开关的主体部分仅包括阴极、阳极两个主电极,以及金属外壳和绝缘支撑外壳,两电极结构取消了触发极,消除了由于触发极烧蚀影响开关寿命的问题。开关设计工作电压23 kV,单脉冲能量1.2 MJ,峰值电流300 kA,单次脉冲电荷转移量110 C。初步试验阶段开关工作电压达到15 kV,开关的通流180 kA,电荷转移量为47.85 C。开关触发性能可靠,电极烧蚀均匀。