脉冲功率系统的作用是将长时间、低功率的能量通过开关器件压缩为短时间、高功率的脉冲输出能量，如图1所示。传统脉冲功率系统多采用气体或真空开关，得益于核心半导体功率开关器件的发展，如今越来越多的脉冲功率系统开始采用半导体开关。

在电容储能型脉冲功率电路中，脉冲开关是控制能量储存或释放的核心器件，其导通后等效为电阻R。对于电容储能型脉冲功率电路，可以将其放电回路简化为图2中的RLC串联等效模型，其中U₀为电容C两端电压，L代表回路中电感，电路特征电阻R₀可以表示为2(L/C)^0.5，ω_d可以表示为[(R/2L)²−1/LC]^0.5。欠阻尼振荡条件下，即R＜R₀时，可以推导出脉冲电流随时间的变化关系

进一步考虑正弦波形的特点，可以推导出峰值电流${I_{{\text{peak}}}}$以及电流上升率${{{\text{d}}i} \mathord{\left/ {\vphantom {{{\text{d}}i} {{\text{d}}t}}} \right. } {{\text{d}}t}}$的表达式

从公式（1）至（3）可以发现，脉冲电流的两个核心指标都与回路中的电阻R及电感L关系密切，其中回路中的电感是由焊接和封装引入的，在优化焊接方式、封装结构后已经达到nH量级，难以进一步降低；而回路中的电阻主要是由脉冲功率半导体器件导通时的电阻构成，因此器件导通电阻对于电容储能型脉冲放电系统的性能起到决定性作用。

常规脉冲功率半导体器件包括绝缘栅场效应晶体管（MOSFET）、绝缘栅双极型晶体管（IGBT）和晶闸管（GTO）。MOSFET器件通过绝缘栅电极施加场效应来控制沟道，具有开关速度快、${{{\text{d}}i} \mathord{\left/ {\vphantom {{{\text{d}}i} {{\text{d}}t}}} \right. } {{\text{d}}t}}$高等特点，但由于其导电沟道为电子沟道，器件导通时不存在电导调制效应导致导通电阻较大，同时输出电流因沟道夹断而存在饱和现象，脉冲峰值电流较低；IGBT器件导通时存在电导调制效应，导通电阻较低，但是由于其导电通路中仍然存在电子沟道，器件输出电流仍存在饱和现象；晶闸管类器件如GTO在导通时有强烈的电导调制效应，脉冲峰值电流高，但由于电导调制建立速度慢，存在脉冲电流上升率${{{\text{d}}i} \mathord{\left/ {\vphantom {{{\text{d}}i} {{\text{d}}t}}} \right. } {{\text{d}}t}}$较低的问题。同时，常规晶闸管类器件均为电流控制型，其复杂的驱动电路要求增加了系统的体积和重量。新型脉冲功率技术需要同时具备高耐压、高峰值电流、高${{{\text{d}}i} \mathord{\left/ {\vphantom {{{\text{d}}i} {{\text{d}}t}}} \right. } {{\text{d}}t}}$的电压控制型脉冲功率半导体器件。

MOS栅控晶闸管（MCT）器件将MOS栅结构引入常规晶闸管器件，其结构示意图与等效电路如图3所示。该类器件将MOS栅器件的压控特性和晶闸管类器件的高脉冲功率容量特性优势相结合，兼具MOS器件驱动简单、高效与双极器件过流能力强的特点，是一种理想的高功率脉冲功率器件^[2]。MCT集成MOSFET与PNPN晶闸管结构。MCT由上至下依次为P⁺阴极区、N-well区、P-well区、N-drift区和P⁺阳极区，其中N-well区/P-well区/N-drift区/P⁺阳极区在器件内部形成一个纵向的PNPN晶闸管结构；在器件顶部存在由N-drift区/P-well区/N-well区构成的N-MOS结构和由P⁺阴极区/N-well区/P-well区构成的P-MOS结构。N-MOS控制器件的开启，P-MOS控制器件的关断。当栅极电压为负时，P-MOS开启，器件上方NPN晶体管的发射结被短路，器件处于阻断状态。当栅极电压为正时，N-MOS打开，此时器件进入晶闸管工作模式。

MCT器件内部的固有晶闸管结构是其实现强电导调制和低导通电阻的关键。与晶体管结构相比，晶闸管具有更强的电导调制效应，这是其可再生正反馈工作模式带来的。MCT器件具有PNPN四层结构，构成两个互补晶体管（PNP晶体管和NPN晶体管）。当器件工作在导通状态下，空穴注入PNP晶体管的N型基区，同时形成NPN晶体管的基极驱动电流，如图3（b）中红色箭头所示。该驱动电流促进电子注入形成PNP晶体管的基极驱动电流，如图3（b）蓝色箭头所示，最终形成了晶闸管式正反馈过程。当MCT的MOS栅极开启晶闸管正反馈工作模式后，器件内部电导调制将不再受到MOS沟道控制，阴极和阳极可几乎无限制地提供电子与空穴，器件具有极强的电导调制效应。

图4（a）展示了MCT和IGBT器件正向导通特性测试结果。作为对比组商业IGBT器件选用FGL40N120AND，耐压1 200 V，额定电流40 A。如图所示，IGBT器件在开启后，阳极电流缓慢上升，并在阳极电压达到3 V左右时出现电流饱和效应。这是由于IGBT的电流受限于MOS沟道。对比而言，MCT器件没有电流饱和特性且具有极低的导通压降，在25 A下导通压降仅为1.5 V，此时IGBT导通压降大于3 V。MCT器件相对于IGBT具有更低的导通压降，且无电流饱和限制，适用于产生高di/dt脉冲电流。MCT和IGBT器件脉冲放电测试结果对比如图4（b）所示。器件工作电压1 100 V，储能电容大小为2 μF，回路电感估计为70～100 nH。由于有限的电导调制程度，IGBT脉冲电流仅为460 A，${{{\text{d}}i} \mathord{\left/ {\vphantom {{{\text{d}}i} {{\text{d}}t}}} \right. } {{\text{d}}t}}$仅0.1 kA/µs，同时，器件存在电流饱和特性，IGBT难以实现高的脉冲电流峰值。此外，IGBT在开通后阳极电压下降缓慢，将产生很大的脉冲功耗。MCT具有强电导调制效应和低导通电阻，其脉冲电流为正弦型，说明放电回路工作在欠阻尼状态下。在栅极触发信号到来后，其内部晶闸管立即被开启，器件阳极电压急速下降，阳极电流在800 ns的时间内上升到5 000 A以上，其峰值电流${I_{{\text{peak}}}}$=5 050 A，${{{\text{d}}i} \mathord{\left/ {\vphantom {{{\text{d}}i} {{\text{d}}t}}} \right. } {{\text{d}}t}}$为15.8 kA/µs。MCT器件工作在晶闸管正反馈工作模式下，具有强电导调制，可使放电回路工作在欠阻尼状态，更便于脉冲功率应用^[3]。

MCT器件有着优异的脉冲功率输出特性，但是常规MCT无法零栅压关断^[4]，存在载流子注入效率、导通速度需进一步提高的问题，以及长期存在的器件结构、工艺、可靠性等方面的设计和应用难点。

常规MCT器件内部PNPN结构引入的寄生NPN和PNP三极管如果发生同时导通则会导致器件进入闩锁状态，因此MCT在栅压为零时耐压能力低，必须通过外加负栅压使关断沟道PMOS开启，将NPN晶体管的基极与发射极短接，器件具有PNP晶体管的耐压能力。MCT无法零栅压关断的缺点使常规MCT器件在实际应用中需要负压驱动，这无疑增加了驱动设计难度与功耗，也对系统的可靠运行带来了挑战。如图5所示，具有阴极短路结构的MOS栅控晶闸管^[5]（CS-MCT）通过在阴极中间引入阴极短路接触区，人为的将N-well区断开，从而使得阴极金属和P-well区短路。阴极短路区的引入使得CS-MCT在零栅压情况下也具备耐压能力，大大降低了驱动设计与实现难度。如图6所示，CS-MCT在栅压为零时具备与传统MCT（con-MCT）栅压为负时一样的耐压能力以及相同的脉冲电流峰值和上升率。此外，实际脉冲应用中系统中往往存在着各类干扰信号，CS-MCT的阴极短路结构除了带来零栅压耐压特性，还实现了更强的抗${{{\text{d}}v} \mathord{\left/ {\vphantom {{{\text{d}}v} {{\text{d}}t}}} \right. } {{\text{d}}t}}$误触发能力，有效提升了脉冲功率半导体开关器件的抗干扰能力，增强了器件可靠性。

对于高压MCT器件，传统的非穿通（NPT）型耐压层设计已经无法满足应用需求，此时必须采用场截止（FS）型耐压层结构。FS型耐压层使耐压时器件内部的电场由三角形分布变为梯形分布，可以在较薄的漂移区上实现高耐压。然而，高浓度FS层的引入会显著降低阳极PN结浓度差，从而降低器件阳极注入效率，导致较弱的电导调制效应。为了提高FS型MCT器件的电导调制效应，人们提出了一种具有高效注入阳极的FS型MCT^[6]（HiA-MCT），它采用高浓度、大结深P⁺阳极工艺，如图7所示。

高效阳极注入的工艺显著提高了阳极注入效率，大大增加了导通时非平衡载流子浓度，从而增强了器件的电导调制效应。图8给出了HiA-MCT与传统MCT（con-MCT）脉冲能力的对比以及导通时器件内部载流子浓度分布^[7]。在相同元胞结构与外延层厚度下，HiA-MCT实现更高的脉冲峰值电流与${{{\text{d}}i} \mathord{\left/ {\vphantom {{{\text{d}}i} {{\text{d}}t}}} \right. } {{\text{d}}t}}$，具备更强的脉冲放电能力。

阴极短路区的引入使MCT器件获得了零栅压关断的优势，但同时引发了器件不均匀开启的问题。在导通过程中，由阳极注入的电流优先由阴极短路区流向阴极，这会导致靠近短路区的位置优先开启，而后开启区域逐渐向栅极拓展。在实际应用中，脉冲前沿往往在数十纳秒，如此短的时间器件的开启区域无法完全拓展至整个元胞，从而降低了有效导通面积。为了改善这一问题，在常规CS-MCT的阴极短路区处引入肖特基接触（Schottky contact）形成一种具有高效阴极注入肖特基势垒型MCT^[7]（Schottky barrier MCT, SB-MCT），如图9所示。肖特基势垒起到空穴阻挡的作用，在阴极短路区处形成空穴积累，从而抬高P-well处电势。凭借阴极短路区处抬高的P-well电势，SB-MCT中更大的P-well区域可以导通。仿真结果显示，SB-MCT在脉冲过程中比常规CS-MCT具备更大的导通面积，同时随着肖特基势垒的提升，导通面积会进一步增加，如图10所示。

压控型脉冲功率半导体器件的应用包括雷达、激光器、微波源、粒子加速器等需要产生单次或周期性的高功率脉冲的系统。一方面用于储能电容器或脉冲形成网络（PFN）的能量储存和释放，另一方面用于开关状态变化时的电路控制和保护。由于其高效、可靠的性能，压控型脉冲功率半导体器件在这些应用中发挥着重要作用。

单次脉冲放电通常用于需要单个高能量脉冲的场景^[8-9]。例如，在雷达系统中，单次脉冲用于发送信号并接收目标返回的回波，从而确定目标的位置和速度。在激光器中，单次脉冲用于产生高能量的激光脉冲，用于科学研究或材料加工等应用。压控型脉冲功率半导体器件在单次脉冲放电中有着重要的应用，图11给出了MCT器件在1 100 V电压下0.47、1、2 μF电容单次脉冲放电波形。

在雷达系统中，需要产生高能量、高功率的脉冲信号来探测目标。压控型脉冲功率半导体器件可以用于控制雷达发射机中的脉冲放电系统，产生所需的脉冲信号。在医学成像领域，如CT扫描、MRI等，需要使用脉冲放电来产生X射线或磁场。压控型脉冲功率半导体器件可以用于控制这些成像设备中的脉冲放电系统，实现高效能量转换和精确控制。在激光加工等材料加工领域，需要使用脉冲激光来进行精细加工。压控型脉冲功率半导体器件可以用于控制激光器中的脉冲放电系统，实现对激光输出功率和脉冲频率的精确调节。在电力设备中，如高压开关柜、雷电防护设备等，需要使用脉冲放电来实现设备的正常运行或保护。

重复脉冲放电用于需要连续产生脉冲信号的场景^[10-11]，图12给出了MCT器件在1 100 V电压下0.2 μF电容重复脉冲放电波形，重复频率3 Hz，峰值电流达2 kA。在雷达系统中，重复脉冲用于持续监测目标，并提供连续的跟踪信息。在激光器中，重复脉冲用于连续产生激光束，例如在激光雷达中用于测距或目标识别。在压控型脉冲功率半导体器件的应用中，对于单次脉冲放电，其主要考虑因素包括脉冲能量的储存和释放控制，以及对脉冲形状和宽度的精确控制；而对于重复脉冲放电，除了上述因素外，还需要考虑器件的稳定性和可靠性，以及对脉冲重复频率的要求，主要体现在以下几个方面：

高速重复性：压控型脉冲功率半导体器件具有快速的开关速度和响应时间，能够实现高速重复脉冲放电。这种特性保证了脉冲放电系统能够在短时间内连续产生一系列脉冲信号。

稳定性和可靠性：压控型脉冲功率半导体器件具有良好的稳定性和可靠性，能够在长时间工作的情况下保持稳定性。这种特性使得器件能够在重复脉冲放电过程中保持高效、稳定的工作状态。

能量转换效率：压控型脉冲功率半导体器件能够高效地将电能转换为脉冲能量，减少能量的浪费。这种高效能量转换特性使得重复脉冲放电系统能够在能源有限的情况下实现高效能量输出。

精确控制：压控型脉冲功率半导体器件具有良好的控制特性，能够实现对脉冲放电参数的精确控制，如脉冲能量、频率等。这种精确控制能力使得重复脉冲放电系统能够满足不同应用场景的需求。

脉冲形成网络（PFN）作为一种用于储存和释放高能量脉冲的关键装置，在粒子加速器、激光器、通信和雷达系统等领域扮演着重要角色。在这些系统中，PFN通常用作脉冲功率放大器中的能量存储和释放装置，其设计性能直接影响着系统的整体性能和效率。图13给出了基于MCT的PFN电路脉冲放电波形^[12]。压控型脉冲功率半导体器件负责控制PFN电容器的充放电过程，能够在极短的时间内完成开关操作，从而确保脉冲能量能够在需要时迅速释放；通过控制开关动作的时间和频率，还可以具有控制脉冲输出、调节脉冲形状和宽度等重要功能，以满足不同脉冲形状的应用需求。压控型脉冲功率器件的稳定性和可靠性，对于减少PFN系统的维护成本和确保长期稳定运行至关重要。

直流输电系统中的高压直流断路器用于保护电网免受故障和过载的影响，压控型脉冲功率半导体器件在其中扮演着关键角色^[13-15]。除了基本的可靠性要求，器件还应具有足够的耐压能力和开关速度，以承受数千伏甚至更高的电压，确保系统的安全可靠运行，能够在故障发生时迅速断开电路，将故障能量快速释放，保护电网设备免受损坏。图14给出了一款基于MCT的高压直流断路器原理图和原型照片，该断路器可工作在4 00 V直流电网中，可靠短路电流超300 A^[16]。

随着脉冲器件耐压等级的提升，耐压层厚度增加会导致导通时的电阻增加，这会对脉冲峰值和脉冲前沿的特性产生重要影响。为了优化导通电阻，可以采用FS电场截止层的结构，但随着器件耐压等级超过4 500 V，硅材料已接近其极限。碳化硅（SiC）材料是最适合高压领域的硅替代材料，具有10倍于硅的临界击穿电场和3倍于硅的热导率，意味着在高压SiC器件的导通电阻将远小于硅，并具有极高的热可靠性。SiC可关断晶闸管器件（GTO）受到广泛研究，制造出了10 kV、15 kV甚至22 kV超高耐压等级的器件^[16-17]。SiC GTO器件结构简单，避免了栅氧可靠性等问题，但其电流控制型特性导致驱动功耗较高，增加了驱动设计的复杂性。虽然当前广泛应用于硅材料的MCT结构工艺仍需进一步深入研究，但可以预见的是，随着SiC器件工艺的成熟，高压SiC器件将逐步扩大其影响力，成为更高效、更可靠的半导体开关新选择。

此外，在诸如电磁弹射等高压脉冲功率领域应用中，需要将多个MCT进行串并联以提高模块耐压与脉冲电流能力。随着MCT性能一致性和稳定性不断提升，因其支持电压控制、易于大规模串并联的优势，以MCT为代表的压控型脉冲功率半导体器件有望在更高功率容量脉冲功率系统中得到应用，从而推动脉冲功率技术进一步发展创新。

本文综述了脉冲功率半导体器件的演进历程、研究进展及典型应用。阐述了目前广泛应用的压控型MOS栅控晶闸管脉冲功率器件，详细介绍了MCT器件在设计、工艺和可靠性等方面的研究进展，以及基于MCT器件的PFN和高压直流断路器的工业应用实例，分析了MCT在可靠性和新材料方面的发展趋势，为脉冲功率半导体器件领域的技术发展提供参考。