首页
登录
注册
-
气体开关由于峰值功率高、导通时间快等优势被广泛用于各种脉冲功率源中[1–3], 随着电力电子、雷达、加速器、可控核聚变等技术领域的迅速发展, 对脉冲功率源系统及其开关技术提出更高的要求[1–3]. 由于半导体材料、工艺与技术的不断进步, 逐步产生了多种类型的新型半导体开关, 逐步替代传统的气体类开关. 以电力电子技术为牵引的这类器件, 主要以耐受直流电压为主, 包含晶闸管SCR[4]、光控晶闸管LTT[5,6]、集成门极可关断晶闸管IGCT[7]、绝缘栅双极性晶体管IGBT[8,9]、超级晶闸管SGTO[10–12]、场控晶闸管MCT[13]、金属氧化物场效应晶体管MOSFET[14,15]、雪崩三极管[16]等, 其功率容量与工作频率如图1所示, 这类器件峰值功率通过串联后, 峰值功率较高, 但导通速度不及传统气体开关.
以脉冲功率技术牵引的开关器件, 主要以耐受脉冲电压为主, 并包含断路型开关, 如半导体断路开关SOS[17]、光导开关PCSS[18,19]、反向开关晶体管RSD[20]、延迟击穿器件DBD[21]、快速离化二极管FID[22,23]、阶跃恢复二极管DSRD[24]等, 开关的功率容量与工作频率如图2所示, 这类开关导通速度较快, 峰值功率也较高, 但开通的脉冲宽度受到一定程度的限制, 且依赖于前级的特殊压缩电路或初级脉冲充电电路.
这些开关在部分技术指标上, 有着各自的优势, 但在高峰值功率、快导通速度、低功率充电这3个核心指标上相互制约, 在一个器件上, 难以同时实现. 功率半导体开关器件一般可以实现直流充电, 即低功率充电, 但难以实现快速导通, 当峰值功率较高时, 导通速度迅速降低. 高压固态开关部分是基于功率半导体开关串并联, 以增大器件的规模以提升峰值功率; 另一种主要依靠前级压缩, 开关进行放大开通时, 前级已经具备较高的充电功率, 从而实现后级更高的峰值功率. 分析开关器件的峰值功率限制因素, 发现其主要限制在于在同一个器件上, 难以实现较高的功率比值(输出功率与输入功率之比), 当提升峰值功率后导通速度降低或者依赖于高峰值功率充电; 当导通速度提升后, 器件峰值功率降低或依赖于高峰值功率充电. 如何结合各种器件的优势, 研制一款可同时实现高峰值功率、快导通速度、直流充电的固态器件, 对于重频长寿命脉冲功率系统的发展尤为重要.
-
晶闸管器件结构具有较高的峰值功率与较宽的导通时间, 光导开关具有较快的导通速度和较高的隔离电压, 在结合两者的优势基础上, 研制的高压光控脉冲晶闸管具备了较高的峰值功率和较快的导通速度. 但由于电流集中效应等限制, 导致开关di/dt指标限制在数十kA/μs. 为了弥补高压光控脉冲晶闸管[6,25]开关导通速度不足的缺陷, 提出并研制了光控多门极晶闸管, 其开关芯片结构如图3所示. 芯片结构为PNPN四层结构, 从最底部的P区直接引出正电极; 顶部的P区为多个独立的区域, 用于接收触发光能量; 顶部的N区被分割成不同区域但保持电连接, 从而引出负电极. 当激光照射时, 中间半导体层激发产生大量载流子, 相当于产生了较大的控制极电流, 器件就由阻断状态转换为导通状态; 由于多个门极同时注入激光, 从而多个区域同步开通, 使得导通速度成倍叠加; 另因激光照射激发产生载流子不受结电容的影响, 当输入激光前沿较快时, 开关的导通速率也非常快, 从而可实现高功率快前沿输出.
将器件设计成正向与反向均可耐受直流电压的对称结构, 半导体器件片厚为1400 μm, 所选择衬底材料电阻率为550 Ω·cm, 其中正压引出电极做满电极、负压引出电极宽度设计为400 μm, 光注入区域宽度设计为600 μm. 从衬底电阻率出发, 通过确定衬底材料掺杂浓度为8.06×1012 cm–3、P型基区与阳极区域表面掺杂浓度为6.3×1016 cm–3、N+区表面掺杂浓度为1.2×1019 cm–3、结合器件结构尺寸参数, 仿真计算得到器件耐压的电场分布与B-V特性曲线, 其中器件元胞结构尺寸与正向电场分布如图4所示. 仿真得到器件的正向耐压为7.8 kV, 反向耐压为7.9 kV, 其适用于在均匀掺杂衬底上进行扩散(高斯分布).
根据该结构, 按照台面工艺, 流片完成了多种尺寸的光控多门极晶闸管芯片, 直径分别为23, 38, 50 mm等, 如图5所示. 其中门极区域设计按照1, 7, 19进行排列、芯片直径为38 mm和50 mm时, 采用7个门极区域进行排列.
-
为了研究触发参数与器件峰值功率及导通速度的关系, 首先关注了工程上容易获得的多种激光波长对器件导通的影响, 主要有1064, 905, 808, 532 nm等, 这几种典型波长均可以使开关触发导通, 其中Si材料的吸收系数随典型光波长的变化而变化. 为了获得更经济、更高的吸收效率, 注入激光采用波长为1064 nm, 针对性开展了不同激光能量固定脉宽下, 器件的开通性能研究. 采用芯片直径为23 mm, 光斑直径为10 mm, 芯片接受窗口直径与光斑直径一致. 在固定电压为4.5 kV下, 采用低电感脉冲电容器, 较低电阻负载对其输出电流、输出电流前沿、电压下降沿、输出与激光之间的延迟时间等进行测试. 电路如图6(a)所示, 测试电路照片如图6(b)所示, 采用电容容量为2 μF, 负载电阻为0.37 Ω.
将注入的光参数、输出的电参数、开关峰值功率、开关的功率比值(输出电功率与注入激光功率比值)等进行测试与统计计算, 数据如表1所示, 其中发现了一部分特殊的导通特性, 其与晶闸管器件和光导开关器件的规律均有所不同.
根据实验数据分析, 器件注入的激光功率 从4.8 kW—2.16 MW变化时, 开关的峰值功率从 35—47 MW, 没有明显的线性变化关系, 其导通特性主要与晶闸管一致. 而注入激光功率与开关的di/dt呈现出明显的线性关系, 其导通特性与光导开关的线性模式一致, 如图7所示. 当注入的激光功率过高时, 其di/dt受限于饱和、回路等限制, 不再线性上升. 另外, 当激光峰值功率较低时, 开关延迟时间较大, 并随着峰值功率的上升而降低, 当降低到一定程度时, 导通延迟时间固定, 不再发生变化.
将开关的输出峰值功率和注入激光功率进行比较, 功率比值随着注入峰值功率的升高而降低, 其与光导开关的非线性模式过渡到线性模式的 特点一致, 如图8所示, 但与光导开关不同, 在整个导通过程中, 并不会出现光导开关的非线性模式的损伤效应. 另外, 激光峰值功率与开关功率比值的关系中, 呈现一个明显拐点, 当注入光功率到达一定值后, 功率比值发生急剧变化, 表现出完全不同的规律特征.
-
综合研究数据分析, 初步设想光控多门极晶闸管存在多种工作模式, 其中注入激光功率与di/dt为线性关系, 将其称为光致线性导通模式(简称A模式), 可获得较高的di/dt指标, 其中主要物理机制为: 光照射半导体材料, 产生光生载流子, 从而降低器件结构的导通电阻, 实现线性导通. 而当注入光功率阈值大幅度降低时, 开关功率比值急剧上升, 延迟时间急剧上升, 呈现出另一种非线性关系, 将其称为场致非线性导通模式(简称C模式), 其可获得更高的功率比值, 但其di/dt指标显著下降, 其中主要物理机制为: 在强电场作用下, 载流子的产生与输运不再与光照射成线性关系, 载流子通过电场获得足够的能量, 可以撞击晶格中的原子, 产生新的电子-空穴对, 导致器件表现出非线性特性, 其中主要为雪崩倍增效应而非击穿. 另外在这两个模式中间, 应该存在一个导通初期符合光致线性导通规律、导通后期存在场致非线性导通规律的模式(简称B模式), 其中主要物理机制为: 开关在导通初期主要依托光生载流子的贡献, 使器件快速开通, 当载流子浓度还未降低时, 依托电场的加速作用, 发生雪崩倍增效应, 从而实现快的开通时间和宽的导通时间, 同时伴随有传统晶闸管的正反馈放大过程. 多种工作模式的设想及典型特征如图9所示.
为了探究开关器件的导通特性, 建立了光控多门极晶闸管的模型, 开展其开通机制研究. 将对称结构的光控多门极晶闸管, 门极注入波长1064 nm, 脉宽10 ns、能量2 mJ(门极分成19点, 每个门极注入约0.1 mJ)、工作电压5 kV, 电容C = 42 nF, 电感L = 15 nH的电路中, 对其进行瞬态仿真, 并且在关键节点对器件的参数进行观测. 其中图10为对称结构芯片在电路参数中仿真的电流电压曲线图. 当激光快速注入时, 开关快速导通, 正极电压迅速下降; 当激光注入结束后, 开关正极电压呈现出上升趋势, 开关的导通过程与注入激光直接相关, 与实验现象一致.
通过对开关不同时刻的电子浓度仿真计算, 开关的电子浓度在10 ns时较高, 而70 ns时由于外部注入的激光结束, 电子浓度在局部位置出现了一定程度降低, 如图11所示, 说明开关整体导通电阻出现上升, 开关导通过程与激光注入线性相关, 与实验中测试得到的光致线性导通规律一致.
为了分析开关其他的工作模式, 改变仿真参数, 将对称结构的光控多门极晶闸管接入门极注入波长980 nm, 脉宽200 ns、能量100 μJ(门极分成19点, 每个门极注入约5 μJ)、工作电压5 kV, 电容C = 220 nF, 电感L = 800 nH的电路中, 对其进行瞬态仿真, 并且在关键节点对器件的参数进行观测. 其中图12为对称结构光控多门极晶闸管在电路参数中仿真的电流电压曲线图. 当激光注入时, 开关快速导通, 正极电压迅速下降; 随着输出电流的上升, 开关电压出现上升, 并伴随时间的延长, 开关电压又出现一定程度的降低, 直至电路中的电容器储能全部释放, 与实验现象一致.
通过对开关不同时刻的电子浓度仿真计算, 开关的电子浓度在80 ns时逐步上升, 而600 ns时, 激光注入已经完全停止, 电子浓度逐步升高, 如图13所示, 说明开关整体导通电阻逐步降低, 开关导通过程与场致载流子倍增相关, 开关的导通过程与注入激光不直接相关, 出现与激光不一致的非线性模式, 与实验中测得的场致非线性导通规律一致.
通过两种典型电路的仿真计算分析可知, 当注入激光较强时, 可形成快前沿输出特性的光致线性导通模式; 当回路中有较大电容储能时, 电压较高, 可形成场致非线性导通模式. 将产生两种模式的条件进行叠加, 使两个导通过程连续, 在导通初期过程满足A模式特征, 在导通后期过程满足C模式特征.
-
为了结合仿真结果、导通模式的初步设想, 进一步开展验证开关的A模式导通特性的验证. 采用23 mm光控多门极晶闸管芯片, 匹配高峰值功率光源, 采用紧凑型低电感回路进行开关的短路测试. 其中电容量选择8 kV, 7 nF低电感陶瓷电容器进行并联, 构成的42 nF与开关形成同轴结构, 脉冲电流探测器置于内部回路, 结构如图14所示. 光控多门极晶闸管工作在8.5 mJ较强激光功率驱动下, 电压5.2 kV、电流8.1 kA、开通时间(10%—90%)为 18.4 ns, di/dt指标达到440 kA/μs, 如图15所示, 呈现出典型的与激光线性相关的A模式导通特性.
实验数据(如表2所列)表明, 激光能量与开通速度呈正比关系, 当激光低于一定阈值时, 即平均照射激光功率低于一定阈值时, 器件工作导通模式发生变化. 激光能量从0.9—8.5 mJ变化时, 固定激光脉宽为10 ns, 开关的di/dt随着激光能量的变大而线性上升, 光控多门极晶闸管进入光致线性导通模式.
-
为了结合仿真结果、导通模式的初步设想, 进一步开展开关C模式导通特性的验证. 采用23 mm光控多门极晶闸管芯片, 匹配激光二极管光源, 采用电路进行开关的短路测试. 其中电容选择电压8.5 kV、容量为53 nF的反铁电陶瓷电容器, 脉冲电流探测器置于回路中, 结构如图16所示. 光控多门极晶闸管工作在能量为250 μJ、脉宽为210 ns的激光驱动下, 电压8.5 kV、电流6.0 kA、开通时间110 ns, di/dt指标为55 kA/μs, 如图17所示, 呈现出典型的导通过程与电场直接相关的C模式导通特性.
实验数据(如表3所列)表明, 当开关电压工作电压上升时, 导通电流逐渐增加、开通上升时间不断减小, 相对应的di/dt指标逐渐增大. 器件在高工作场强下表现出更优异的性能. 开关的di/dt随着电压的增大而线性上升, 光控多门极晶闸管进入场致非线性导通模式.
-
为了进一步验证开关导通初期具有光致线性导通的A模式, 开关导通后期具场致非线性导通的C模式, 且两个模式可以叠加形成混合模式. 采用38 mm直径的光控多门极晶闸管芯片, 匹配高峰值功率光源, 采用光纤进行耦合馈入, 采用串入电阻负载的电路进行测试, 其中电容总容量为20 μF, 回路中电阻为0.5 Ω, 脉冲电流探测器置于回路中, 结构如图18所示. 采用能量10 mJ、脉冲宽度为20 ns的激光功率注入, 驱动峰值功率为0.5 MW, 开关工作电压为4.6 kV, 输出电流为8.5 kA, 脉冲宽度为11.9 μs, 电流上升前沿达到65.7 ns, di/dt指标为129 kA/μs, 如图19所示.
实验数据表明, 当注入激光能量较大、主回路储能较大, 开关可获得快的导通速度、较高的峰值功率、较长的导通时间. 同时满足A模式和C模式两种优点, 具有混合导通模式(B模式)特征.
-
将光控多门极晶闸管, 针对不同的应用场景, 进行了封装, 结合开关A模式、B模式、C模式的特点, 开展了不同场景下的应用. 基于小型化高功率光源模块、光纤耦合与23 mm芯片串联压接, 封装的具有A模式导通特征的15 kV, 5 kA的开关, 如图20(a)所示. 基于小型化高功率光源模块、光纤耦合与50 mm芯片压接, 封装的具有B模式导通特征的8 kV, 40 kA的开关, 如图20(b)所示. 基于LD光源、23 mm芯片一体化封装, 具有C模式导通特征的8 kV, 5 kA的开关, 如图20(c)所示.
在完成封装的开关基础上, 基于具有A模式导通特性, 具有快前沿、窄脉冲的特点的器件, 开展了氢闸流管替代验证, 初步实现了全固态化的加速器脉冲电源; 基于具有B模式导通特性, 既满足快前沿, 也兼顾宽脉宽特点的器件, 将其应用于KDP光开关的驱动中, 初步实现了高平定度的脉冲驱动源; 基于具有C模式导通特性, 满足小体积、宽脉宽特点的器件, 将其应用于大电流起爆中, 实现了多路同步固态起爆器、脉冲源如图21所示.
-
光控多门极晶闸管在不同的光注入条件下, 体现出不同的导通特性. 结合典型电路下不同激光注入参数下的对比实验、对光控多门极晶闸管及注入参数进行建模仿真、开展不同典型电路结构下的模式验证, 确认了开关在不同的光注入和电路结构下, 表现出不同的导通模式, 并可应用于不同的场合.
1)在A模式时, 注入激光能量为8.5 mJ、脉宽为10 ns, 峰值功率为0.85 MW条件下, 电压工作在5.2 kV、输出电流8.1 kA、开通时间(10%—90%)为18.4 ns, di/dt指标达到440 kA/μs, 其主要表现特征为开关的di/dt与注入激光能量线性相关, 可实现快前沿的输出, 体现出光致线性导通模式, 该种模式适合用于高功率、窄脉冲、快前沿的应用场景, 如高功率微波功率源等, 特性与气体开关近似.
2)在C模式时, 设置触发激光能量为250 μJ, 脉宽为210 ns , 峰值功率为1200 W条件下, 开关工作电压8.5 kV, 短路电流达到6 kA, 电流上升前沿达到110 ns, di/dt指标超过55 kA/μs. 其主要表现特征为开关的di/dt与注入激光能量不线性相关, 与施加在开关两端的电场线性相关, 可实现大电流宽脉宽的工作特性, 体现出场致非线性导通模式. 该种模式适合用于高功率、宽脉冲、较慢前沿的应用场景, 如大电流起爆、电磁驱动等, 特性与引燃管、触发光近似.
3)在B模式时, 设置触发激光能量为10 mJ, 脉宽为20 ns, 峰值功率为0.5 MW条件下, 开关工作电压4.6 kV, 短路电流达到8.5 kA, 电流上升前沿达到66 ns, di/dt指标超过129 kA/μs. 其主要表现特征为开关导通前期满足光致线性导通模式、开关导通后期体现出场致非线性导通模式, 既满足了快前沿输出特性、也兼顾了大电流宽脉宽的工作特性, 体现出混合的导通模式. 该种模式适合用于高功率、宽脉宽的应用场景, 如加速器电源等, 特性与氢闸流管、伪火花开关近似.
-
本文研究的新型光控多门极晶闸管结构, 既保留了光导开关较快的导通速度和较高的隔离电压特性, 又延续了晶闸管的高峰值功率与宽脉宽导通特性. 本研究中针对性提出了开关具有多种工作模式的设想, 并通过对比实验、建模仿真、实验验证等方法进行了验证, 发现并证实了开关具有3种工作模式, 分别为光致线性模式(A模式)、场致非线性模式(C模式)、混合放大模式(B模式), 3种模式各具有特点, 可形成不同类型的器件. A模式主要依赖于高功率激光注入时快速产生的光生载流子机制作用; C模式主要依赖于载流子通过电场获得的正反馈放大及雪崩倍增效应; B模式主要将光致线性模式和场致非线性模式的机制在一个导通周期时间内进行了结合, 导通过程实现了连续. 在此认识的基础上, 根据开关不同导通模式的特点, 封装了多种器件模块, 并开展了不同的应用验证. 研究结果表明, 该开关可部分替代传统气体开关, 具有良好的应用与发展前景.
感谢电子科技大学集成电路学院陈万军教授和刘超副教授在仿真方面的讨论和帮助.
光控多门极晶闸管的多种工作模式
Various operating modes of optically controlled multi-gate thyristors
-
摘要: 为了提升半导体开关的峰值功率与导通速度, 针对光控多门极晶闸管结构开展了系列实验研究, 重点探讨了不同光注入参数对开关特性的影响. 研究发现, 在不同激光峰值功率条件下, 开关芯片展现出不同的导通特性. 通过建立开关模型, 并对注入光参数及电路参数进行对比分析, 本工作提出了光控多门极晶闸管的3种工作模式设想: 光致线性模式(A模式)、场致非线性模式(C模式)和混合放大模式(B模式). 为验证这些工作模式, 我们进行了针对性的验证测试, 结果证实了该光控多门极晶闸管具有不同导通特性的工作模式. 开关多工作模式的发现与验证, 大幅度提升了功率半导体开关器件的导通速度(di/dt)水平和峰值功率. 在23 mm直径芯片上, A模式获得了4 kV, 8 kA, 440 kA/μs的窄脉冲; C模式获得了8.5 kV, 6.0 kA, 55 kA/μs的宽脉冲; 在38 mm直径芯片上, B模式获得了4.6 kV, 8.5 kA, 129 kA/μs的宽脉冲. 这些成果为超高峰值功率半导体开关组件的研发奠定了坚实的理论与实验基础.Abstract:
In order to meet the switching requirements of high-frequency pulsed-power systems and further enhance the peak power and turn-on speed of solid-state switches, comparative experiments on the structure of optically controlled multi-gate thyristors and the parameter of injected light are investigated in this work. The research results show that semiconductor chips based on the multi-gate thyristor structure exhibit different conduction characteristics under varying laser injection conditions, resulting in unique inflection point curves. By establishing a switching model and changing the injected light parameters and circuit parameter models, three conceptual operating modes for the optically controlled multi-gate thyristor are proposed, they being photonic linear mode (Mode A), field-induced nonlinear mode (Mode C), and hybrid amplification mode (Mode B). Based on these concepts, the experimental validation tests are conducted, and the three distinct operating characteristics of the optically controlled multi-gate thyristor are confirmed. In Mode A, the conduction process is mainly related to the injected light power parameters, which is similar to the scenario in the linear mode of traditional light-guided switches, thus Mode A is suitable for the narrow pulse width applications. Mode C mainly focuses on carrier multiplication after injection, resembling the conduction characteristics of super thyristors (SGTO), and this mode is suitable for wide pulse width and high current applications. In Mode B, its initial conduction is related to the injected light parameters, while the later carrier multiplication continues from the earlier photonic linear mode, achieving characteristics of both fast rise time and wide pulse width, effectively integrating the advantages of light-guided switches and SGTOs. In Mode A, when injected laser energy is 8.5 mJ, a pulse width is 10 ns, and peak power is 0.85 MW, the switch operates at a voltage of 5.2 kV, an output current of 8.1 kA, turn-on time (10%–90%) of 18.4 ns, with a di/dt value reaching 440 kA/μs. The main characteristic is that the di/dt of the switch is linearly related to the injected laser energy, thereby achieving a fast rise time output, which reflects the photonic linear conduction mode. This mode is suitable for high-power, narrow-pulse, and fast-rise-time applications, such as high-power microwave sources, and its characteristics are similar to those of gas switches. In Mode C, when triggering laser energy is set to 250 μJ, a pulse width is 210 ns, and peak power is 1200 W, the switch operates at a voltage of 8.5 kV, a short-circuit current of 6 kA and a current rise time of 110 ns, achieving a di/dt value exceeding 55 kA/μs. The key characteristic is that the di/dt of the switch is unrelated to the injected laser energy but is related to the electric field applied across the switch, thus it can operates at large current and wide pulse width, which reflects the field-induced nonlinear conduction mode. This mode is suitable for high-power, wide-pulse, and slower-rise-time applications, such as large current detonation and electromagnetic drives, and its characteristics are similar to those of igniter tubes and triggered light. In Mode B, when triggering laser energy is set to 10 mJ, a pulse width is 20 ns, and peak power is 0.5 MW, the switch operates at a voltage of 4.6 kV, with a short-circuit current reaching 8.5 kA and a current rise time of 66 ns, achieving a di/dt value exceeding 129 kA/μs. The main characteristic is that the initial conduction of the switch satisfies the photonic linear conduction mode, while the later conduction exhibits the field-induced nonlinear conduction mode, thus achieving both fast-rise-time output and the capability for large current and wide pulse width, reflecting a hybrid conduction mode. This mode is suitable for high-power and wide-pulse applications, such as accelerator power supplies, its characteristics are similar to those of hydrogen thyratrons and pseudo-spark switches. The discovery and validation of multiple operating modes for the switch significantly enhance the di/dt and peak power of power semiconductor switching devices, laying a theoretical and experimental foundation for the development of semiconductor switches with ultra-high peak power. Additionally, the switching devices are packaged according to their different operating modes and have been used in accelerator power supplies, solid-state detonators, and high-stability pulse drive sources, achieving positive results. -
Key words:
- pulsed power /
- optically controlled switch /
- multi-mode /
- turn-on speed .
-
-
图 4 器件元胞结构尺寸与正向电场分布图
Figure 4. Cell structure dimensions and forward electric field distribution diagram of the chip.
图 6 光控多门极晶闸管测试电路及照片 (a)测试电路原理图; (b)测试电路照片
Figure 6. Optically controlled multi-gate thyristor test circuit and photos: (a) Schematic diagram of the test circuit; (b) photo of the test circuit.
图 7 触发激光峰值功率与开关di/dt、导通延迟时间的关系图
Figure 7. Graph of the relationship between trigger laser peak power and switch di/dt, turn-on delay time.
图 8 注入激光峰值功率与开关输出峰值功率比值关系图
Figure 8. Graph of the ratio relationship between injected laser peak power and switch output peak power.
图 9 多种工作模式的设想及典型特征
Figure 9. Conceptual designs and typical characteristic diagrams of various operating modes.
图 10 电路仿真的光控多门极晶闸管电流电压曲线图
Figure 10. Simulated current-voltage curve of an optically controlled multi-gate thyristor.
图 11 电路中光控多门极晶闸管在0, 10, 70 ns时电子浓度分布
Figure 11. Electron concentration distribution in the optically controlled multi-gate thyristor at 0, 10, and 70 ns in the circuit.
图 12 电路仿真的光控多门极晶闸管电流电压曲线图
Figure 12. Simulated current voltage curve diagram of an optically controlled multi-gate thyristor.
图 13 电路中光控多门极晶闸管在0, 80, 600 ns时电子浓度分布图
Figure 13. Electron concentration distribution diagrams of the optically controlled multi-gate thyristor at 0, 80, and 600 ns in the circuit
图 20 基于不同模式特征完成的3种封装 (a) A模式特征器件封装; (b) B模式特征器件封装; (c) C模式特征器件封装
Figure 20. Three packages based on different mode characteristics: (a) Mode A characteristic device package; (b) Mode B characteristic device package; (c) Mode C characteristic device package.
图 21 基于开关的多模式特征研制的器件开展的典型应用验证 (a)多路同步固态起爆器应用; (b) KDP光开关驱动脉冲源应用
Figure 21. Typical application verification of devices developed based on multi-mode switch characteristics: (a) Multi-channel synchronous solid-state initiator application; (b) KDP optical switch drive pulse source application.
表 1 激光参数与开关典型参数实验数据表
Table 1. Experimental data table of laser parameters and typical switch parameters.
激光功率
/MW激光能量
/mJ充电电压
/kV电压下降
时间/ns电流峰值
/kA电流上升
时间/ns导通延迟
时间/ns电流脉冲
宽度/ns开关峰值
功率/MW功率
比值 Ndi/dt/
(kA·μs–1)2.16 21.6 4.5 44.3 10.54 67.2 13.5 652 47.4 22 157 1.92 19.2 4.5 44.6 10.54 67.3 12.6 654 47.4 25 157 1.68 16.8 4.5 45.4 10.48 65.3 12.1 665 47.2 28 160 1.47 14.7 4.5 45.4 10.42 66.4 11 667 46.9 32 157 1.32 13.2 4.5 46.3 10.34 64.3 10.1 661 46.5 35 161 1.08 10.8 4.5 48.6 10.35 68 8.88 663 46.6 43 152 0.87 8.7 4.5 50.2 10.07 71.6 10.2 684 45.3 52 141 0.678 6.78 4.5 46 9.71 65.1 13.7 742 43.7 64 149 0.6 6 4.5 47.4 9.71 65.1 13.5 742 43.7 73 149 0.54 5.4 4.5 52.5 9.41 62.7 13.5 765 42.3 78 150 0.46 4.6 4.5 60.3 9.17 63.3 13.4 795.6 41.3 90 145 0.39 3.9 4.5 68 8.62 63 14.1 832 38.8 99 137 0.3 3 4.5 128 8.52 70.5 15.4 829 38.3 128 121 0.24 2.4 4.5 158.4 8.48 95.8 18.6 835 38.2 159 89 0.162 1.62 4.5 196 8.39 130.4 25.9 842 37.8 233 64 0.072 0.72 4.5 221 8.13 222 52.6 857 36.6 508 37 0.057 0.57 4.5 254 8.23 199 96 848 37.0 650 41 0.0474 0.474 4.5 249.7 8.23 202 102 850 37.0 781 41 0.0438 0.438 4.5 263 8.22 197.8 108 869 37.0 845 42 0.0372 0.372 4.5 265 8.19 208.9 119 858 36.9 991 39 0.0312 0.312 4.5 278 8.17 218 133 852 36.8 1178 37 0.0252 0.252 4.5 252 8.16 212 153 874 36.7 1457 38 0.0186 0.186 4.5 251 8.13 203 181 878 36.6 1967 40 0.0126 0.126 4.5 271 7.97 212 276 897 35.9 2846 38 0.0048 0.048 4.5 351 7.78 245 406 955 35.0 7294 32 
下载: 导出CSV
表 2 器件驱动激光能量、短路电流、开通前沿的关系
Table 2. The relationship between device drive laser energy, short-circuit current, and turn-on edge.
激光
能量/mJ工作
电压/kV短路
电流/kA电流
前沿/ns电流
脉宽/nsdi/dt
/(kA·μs–1)0.9 4 1.88 66.8 75.0 28 2.1 4 3.42 40 49.0 86 2.6 4 3.75 36.6 46.0 102 3.6 4 5.65 20.4 36.7 277 4.6 4 5.84 18.8 36.0 311 5.4 4 6.48 18.9 38.0 343 6.3 4 7 18.7 37.7 374 7.4 4 7.3 18.6 38.7 392 8.5 4 7.91 18.6 38.3 425
下载: 导出CSV
表 3 不同电压下开关的导通特性
Table 3. The conduction characteristics of the switch at different voltages.
激光
能量/μJ工作
电压
/kV短路
电流/kA电流
前沿
/nsdi/dt
/
(kA·μs–1)200 5.0 2.0 128 16 200 6.0 2.8 121 23 200 7.0 3.9 118 33 200 8.0 5.4 111 49 200 8.5 6.0 110 55
下载: 导出CSV
-
[1] 刘锡三 2005 高功率脉冲技术(北京: 国防工业出版社) 第367页 Liu X S 2005 High Pulsed Power Technology (Beijing: National Defense Industry Press) p367 [2] 周前红, 董志伟, 简贵胄, 周海京 2015 物理学报 64 205206 doi: 10.7498/aps.64.205206 Zhou Q H, Dong Z W, Jian G Z, Zhou H J 2015 Acta Phys. Sin. 64 205206 doi: 10.7498/aps.64.205206 [3] 施卫, 田立强, 王馨梅, 徐鸣, 马德明, 周良骥, 刘宏伟, 谢卫平 2009 物理学报 58 1219 doi: 10.7498/aps.58.1219 Shi W, Tian L Q, Wang X M, Xu M, Ma D M, Zhou L J, Liu H W, Xie W P 2009 Acta Phys. Sin. 58 1219 doi: 10.7498/aps.58.1219 [4] 王公堂, 刘秀喜 2010 物理学报 59 1964 doi: 10.7498/aps.59.1964 Wang G T, Liu X X 2010 Acta Phys. Sin. 59 1964 doi: 10.7498/aps.59.1964 [5] Loquai S, Bölting M, Kellner U, Fischer J, Poisel H 2015 The 24th International Conference on Plastic Optical Fibers Nuremberg, Germany, September 22-24, 2015 p193 [6] 王凌云 2018 硕士学位论文(成都: 电子科技大学) Wang L Y 2018 M. S. Dissertation (Chengdu: University of Electronic Science and Technology of China [7] 王彩琳, 高勇, 马丽, 张昌利, 金垠东, 金相喆 2005 物理学报 54 2296 doi: 10.7498/aps.54.2296 Wang C L, Gao Y, Ma L, Zhang C L, Kim E, Kim S 2005 Acta Phys. Sin. 54 2296 doi: 10.7498/aps.54.2296 [8] Wang Y N, Ren L Y, Yang Z H, Shen S K, Deng Z C, Yuan Q, Ding W D, Ding Z J 2024 High Volt. 9 2 doi: 10.1049/hve2.12322 [9] 刘宾礼, 刘德志, 罗毅飞, 唐勇, 汪波 2013 物理学报 62 057202 doi: 10.7498/aps.62.057202 Liu B L, Liu D Z, Luo Y F, Tang Y, Wang B 2013 Acta Phys. Sin. 62 057202 doi: 10.7498/aps.62.057202 [10] Sanders H, Glidden S, Dunham C 2012 IEEE International Power Modulator and High Voltage Conference (IPMHVC) San Diego, CA, USA, June 3–7, 2012 p335 [11] Waldron J, Brandmier K 2017 IEEE International Conference on Plasma Science (ICOPS) Atlantic City, NJ, USA, May 21–25, 2017 p1 [12] Waldron J , Brandmier K , Temple V 2015 Pulsed Power Conference. IEEE Austin, Texas, USA, May 31–June 4, 2015 p7296986 [13] Chen W J, Liu C, Shi Y J, Liu Y W, Hong T, Liu C F, Zhou Q, Li Z J, Zhang B 2017 IEEE Trans. Electron Dev. 64 4206 doi: 10.1109/TED.2017.2736529 [14] He D Z, Sun W J, Liao Y X, Zhang P H, Yu L, Dong S L, Yao C G, Liu X 2023 High Volt. 8 698 doi: 10.1049/hve2.12285 [15] M Junaid, Yu W Q, Cao S Z, Yu X L, Yu D S, Zong W L, Wang J H 2023 High Volt. 8 1275 doi: 10.1049/hve2.12332 [16] 袁雪林, 张洪德, 徐哲峰, 丁臻捷, 俞建国, 浩庆松, 曾搏, 胡龙 2010 固体电子学研究与进展 30 64 doi: 10.3969/j.issn.1000-3819.2010.01.013 Yuan X L, Zhang H D, Xu Z F, Ding Z J, Yu J G, Hao Q S, Zeng B, Hu L 2010 Res. Prog. SSE 30 64 doi: 10.3969/j.issn.1000-3819.2010.01.013 [17] Rukin S N 2020 Rev. Sci. Instrum. 91 011501 doi: 10.1063/1.5128297 [18] 田立强, 潘璁, 施卫, 潘艺柯, 冉恩泽, 李存霞 2023 物理学报 72 178101 doi: 10.7498/aps.72.20230711 Tian L Q, Pan C, Shi W, Pan Y K, Ran E Z, Li C X 2023 Acta Phys. Sin. 72 178101 doi: 10.7498/aps.72.20230711 [19] 桂淮濛, 施卫 2018 物理学报 67 184207 doi: 10.7498/aps.67.20180548 Gui H M, Shi W 2018 Acta Phys. Sin. 67 184207 doi: 10.7498/aps.67.20180548 [20] 洪武, 梁琳, 余岳辉 2012 物理学报 61 058501 doi: 10.7498/aps.61.058501 Hong W, Liang L, Yu Y H 2012 Acta Phys. Sin. 61 058501 doi: 10.7498/aps.61.058501 [21] 米彦, 万佳仑, 卞昌浩, 姚陈果, 李成祥 2017 电工技术学报 32 244 Mi Y, Wan J L, Bian C H, Yao C G, Li C X 2017 Trans. China Electrotech. Soc. 32 244 [22] Rodin P, Ivanov M 2020 J. Appl. Phys. 127 044504 doi: 10.1063/1.5097831 [23] 梁琳, 颜小雪, 黄鑫远, 卿正恒, 杨泽伟, 尚海 2022 中国电机工程学报 42 8631 Liang L, Yan X X, Huang X Y, Qing Z H, Yang Z W, Shang H 2022 Proc. CSEE 42 8631 [24] Lyublinsky A G, Korotkov S V, Aristov Y V, Korotkov D A 2013 IEEE Trans. Plasma Sci. 41 2625 doi: 10.1109/TPS.2013.2264328 [25] 王凌云, 刘宏伟, 袁建强, 谢卫平, 颜家圣 2024 电工技术学报 39 7566 Wang L Y, Liu H W, Yuan J Q, Xie W P, Yan J S 2024 Trans. China Electrotech. Soc. 39 7566 -
计量
- 文章访问数: 73
- HTML全文浏览数: 73
- PDF下载数: 0
- 施引文献: 0