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0.2nF,通过计算与仿真得到隔直电容的最优值为100pF。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680ps(20%~90%),电压幅值2kV,半高宽1.5ns。

基于漂移阶跃恢复二极管的超宽带探地雷达发射技术

在概述高功率半导体开关漂移阶跃恢复二极管(DSRD)的性能特点、工作原理的基础上,详细阐述了其快恢复物理特性的机理,并论证了快恢复过程需满足的条件。结合DSRD快速关断特性与电容电感储能特性,通过复杂可编程逻辑器件产生外触发时序控制信号,设计了一款质量轻(小于1.5 kg)、体积小(13cm×9 cm×8 cm)、性能稳定可靠(抖动小于1%)的高压窄脉冲超宽带雷达发射机。实验结果表明,单管电路所产生的脉冲幅度可达1 kV,半脉宽小于10 ns,重复频率高于10 kHz,可应用于超宽带无载波脉冲探地雷达系统中。

一种新型的漂移阶跃恢复二极管脉冲源设计

提出了一种基于漂移阶跃恢复二极管(DSRD)、结构简单的新型大功率脉冲源电路。论述了阶跃恢复二极管的快速开关特性,分析了该新型脉冲源电路的工作原理,并进行了实验测试。实验结果表明,脉冲源电路能够产生峰峰值为760 V、脉宽(10%-10%)8 ns的平衡输出脉冲信号,具有脉冲重频高、振铃小、波形质量高、无需高压供电等特点,适用于深层探测超宽带时域脉冲探地雷达系统。

漂移阶跃恢复二极管研究进展

简单介绍了漂移阶跃恢复二极管(DSRD)的物理特性以及工作机理。介绍了DSRD开关堆叠技术及两种典型电路,并分析其工作机理,且对比了多种半导体开关的参数。主要阐述了国内外漂移阶跃恢复二极管发展历程以及在脉冲功率技术中的应用。随着新材料的发展及新工艺、新结构的创新,展望了DSRD的发展方向。

新型阶梯变掺杂SiC漂移阶跃恢复二极管

漂移阶跃恢复二极管(DSRD)一般应用于超宽带脉冲信号源,可以将纳秒级高压脉冲换向负载,这对于输出脉冲的上升前沿有很高的要求。文章提出了一种具有基区变掺杂的新型宽禁带材料漂移阶跃恢复二极管,将传统的基区掺杂变为阶梯式的浓度分布,基区内形成由浓度差导致的内建电场,该内建电场在DSRD放电回路反向泵浦阶段调节载流子分布,并加速载流子抽取。利用Sentaurus TCAD进行了器件电路联合仿真。结果表明,在具有相同峰值的电压情况下,新结构器件的正向注入结束时空穴最大速度较传统结构提升了29%,电压上升率为19.7 kV/ns,较传统结构(15.8 kV/ns)提升了25%。新结构使反向泵浦阶段的时间降低,输出的电压脉冲前沿的上升率更大,且工艺流程只需调节外延时的气体剂量,工艺上可实现。

基于碳化硅等离子体器件的功率脉冲锐化技术

利用Sentaurus搭建了碳化硅漂移阶跃恢复二极管(DSRD)与雪崩整形二极管(DAS)全电路仿真模型,研究了碳化硅等离子体器件在脉冲锐化方面的能力,并且通过器件内部等离子浓度分布解释了这两种器件实现脉冲锐化的机制。借助碳化硅DSRD可以将峰值超过千伏的电压脉冲的前沿缩短到300 ps;碳化硅DSRD与DAS的组合可以输出脉冲前沿在35 ps、峰值超过2 kV的电压脉冲。仿真与实验发现当触发脉冲与碳化硅DAS匹配时,可以实现快速开启后快速关断,得益于碳化硅DAS这种神奇现象,可以将峰值在两千伏以上脉冲的半高宽缩小到百皮秒量级;通过频谱分析发现脉冲经过DAS整形后,其最高幅值−30 dB对应的频谱带宽扩大了37倍,达到7.4 GHz。

非线性传输线在DSRD脉冲电源中的应用

加速器技术的发展,对注入引出系统的kicker脉冲电源提出了新的技术要求。注入引出系统冲击磁铁不仅要求脉冲电压高,底宽达到ns量级,还对波形的稳定性和前后残余电压有很高要求。漂移阶跃恢复二极管(DSRD)因其速度快、工作电流大等优点,在ns级脉冲电源中应用前景广泛,但其工作过程中会存在预脉冲等使脉冲波形偏离理想形态的因素。基于一种已有的DSRD脉冲电源,使用非线性传输线对脉冲进行整形,同时对脉冲的前后边沿进行锐化,缩短脉冲边沿的时间,大幅减小脉冲前后的残余电压,提高电源的性能。完成了一台电源样机的设计和实验,实验结果表明,该样机在50Ω负载上产生的脉冲幅值约10 kV,前后边沿时间(10%~90%)约2 ns,底宽(3%~3%)小于8 ns。

一种基于SIC DSRD脉冲功率系统的优化方法

从脉冲功率系统优化的角度,提出了漂移阶跃恢复二极管(drift step recovery diodes, DSRD)器件的最优面积选取方法,建立了单开关DSRD驱动电路的线性拟合解析模型;结合SiC材料短空穴寿命的特性,提出了SiC基DSRD驱动电路参数的优化方案;基于该方案研制了采用SiC DSRD的脉冲功率源。实验结果表明,匹配负载为50Ω时,研制的脉冲功率源能输出760 V的峰值电压,脉冲上升沿达810 ps,且不存在单脉冲下的多次触发现象。该脉冲功率源输出脉冲前沿在亚纳秒量级,且波形稳定性好,脉冲源体积小,能应用于小型化超宽带电磁脉冲发生器。

半导体脉冲功率开关器件综述

该文对应用于脉冲功率领域的特种半导体开关器件进行综述,具体包括反向开关晶体管(reversely switched dynistor,RSD)、漂移阶跃恢复二极管(drift step recovery diode,DSRD)和快速离化晶体管(fast ionization dynistor,FID)。上述半导体开关器件从时间尺度上分别对应微秒级、纳秒级和皮秒级,研制材料包括硅基(Si)和碳化硅基(SiC)。该文介绍相关器件的工作机理、关键技术和应用情况,以及部分研究进展,并对未来的发展趋势进行展望。

基于DSRD陡前沿固态脉冲源研制

本文对比了不同种类开关在脉冲功率源技术中的应用,介绍了半导体开关漂移阶跃恢复二极管(DSRD)的工作原理,建立了DSRD工作电路仿真模型,对电路参数进行了仿真分析,通过实验研究,研制了一台基于DSRD半导体开关的亚纳秒脉冲功率源,输出电压2k V、脉冲前沿680ps,可以稳定工作200kHz高重频下。

一种双回路驱动的纳秒快前沿高重复频率脉冲源

为满足电子设备在高重频、快前沿脉冲下的电磁损伤机理与工作防护技术研究的需要,本文利用漂移阶跃恢复二极管(DSRD)开断速度快、重复频率高等优点,基于正反向电流泵浦原理设计了一种新型双回路驱动的纳秒快前沿重复频率脉冲发生电路。首先计算了双回路驱动脉冲发生电路的主要元件参数,建立了DSRD的PSpice等效模型,通过仿真分析了脉冲电路输入电压、触发时间、负载电阻、DSRD寄生电容等对输出脉冲前沿、脉宽(半峰宽)、幅值的影响规律,并通过电路参数优化得到了预期的脉冲输出指标,所设计的双回路驱动脉冲发生电路有效提升了储能电感充放电效率,提高了脉冲源工作频率。根据所设计的电路参数,最终研制出一台输出前沿1.87 ns、脉宽8.3 ns、幅值1 kV、工作频率3 MHz的纳秒快前沿高重复频率脉冲电源,为研究脉冲功率环境下的电磁效应和防护提供了实验手段和技术支持。

高功率半导体开关器件DSRD的研究进展

高功率半导体开关器件是一类基于等离子体波理论的全固态、高压、快速打开或者切断电流的开关器件,具有体积小、可靠性高、寿命长、脉冲重复频率高和输出波形稳定等优点,在脉冲开关电路应用中有着独特的优势。简要介绍了超宽带脉冲技术及高功率半导体开关器件的概念,比较了一些常见开关器件与高功率半导体开关器件的差异,主要阐述了自20世纪80年代以来脉冲发生器中开关器件的发展过程,重点介绍了最重要的一种高功率半导体开关器件,即Si基漂移阶跃恢复二极管(DSRD)在国内外的发展历程及其在脉冲技术中的应用。随着新型半导体材料及半导体技术的发展,展望了未来DSRD的发展方向。

基于DSRD的纳秒级固态脉冲发生器的研制

采用新型半导体开关漂移阶跃恢复二极管(DSRD)研制了一种纳秒级固态脉冲发生器。通过建立DSRD仿真等效模型,模拟DSRD器件的真实输出波形;采用双极并联结构电路设计,满足DSRD工作所需的电流要求;构建发生器系统工作电路仿真模型,并分析了电路参数对DSRD脉冲发生器系统输出波形的影响。针对脉冲发生器小型化的问题,将部分模块集成设计制作,优化布局,有效减少体积,减轻重量。结果表明:其输出电压可达3.74 kV,脉冲前沿8.2 ns,在重复频率200 Hz条件下可以稳定工作。研制出的脉冲发生器实现了较好的波形输出,为进一步实现固态脉冲源的小型化打下基础。

高压SiC基DSRD器件结构设计及脉冲电路优化

针对SiC漂移阶跃恢复二极管难以满足超快脉冲开关高频、大功率的要求,研究了一种高压SiC漂移阶跃恢复二极管(DSRD)器件,建立了相应物理模型。该高压SiC DSRD基区掺杂浓度为5×10^(15) cm^(-3)、厚度为18μm,单片耐压超1800 V、开关时间约500 ps。同时,基于高压SiC DSRD器件等效模型,优化电路参数,在负载端分别实现了8.8 kW、开关时间约500 ps的高压(2.2 kV)脉冲。

一种基于磁饱和变压器的DSRD脉冲电源设计

漂移阶跃恢复二极管(DSRD)具有开关速度快、重频高、工作电流大等优点,在脉冲功率技术中很有应用前景。研究了一种基于磁饱和变压器的DSRD泵浦电路拓扑结构,具有体积小、重量轻、可靠性高等特点。根据DSRD的工作要求,采用功率MOSFET作为初级开关,结合磁饱和变压器的升压和磁开关特性,设计了DSRD的泵浦电路。利用Pspice软件对电路进行了仿真分析,验证了电路原理的正确性。在仿真分析的基础上,完成了一台原理样机的设计和电路实验。实验结果表明,该电源样机在前级充电电压800 V条件下,50Ω负载上产生的脉冲幅值大于7 kV,前沿小于4.2 ns(10%~90%),半高宽约10 ns。

基于DSRD的高重频固态脉冲源的研制

介绍了一种基于新型高功率超高速半导体断路开关—漂移阶跃恢复二极管(DSRD)和可饱和脉冲变压器的高电压高重频超高速全固态脉冲源。设计了脉冲源的电路拓扑结构,理论上分析了脉冲源电路的工作原理,研究获得了可饱和脉冲变压器匝数、磁芯截面积及负载阻抗等参数对脉冲源输出特性的影响的规律。实验结果表明:脉冲源在50 kΩ阻性负载条件下,输出脉冲峰值电压约38.2 kV,脉冲前沿约7.1 ns,脉冲宽度约14.1 ns,输出峰值功率约29.2 kW,可在400 kHz重复频率下稳定工作。

DSRD高功率超宽谱脉冲源及其功率合成初探

本文从高功率超宽谱对高速开关的基本要求入手引出了一种新的器件——漂移阶跃恢复二极管(DSRD),详细介绍了DSRD的基本结构、工作机理、典型电路,利用计算机对电路进行了模拟,对信号特点、系统响应进行了分析,并就超宽谱探测和干扰应用时的功率合成方法做了简单说明,最后对DSRD的发展方向进行了展望。

高速高功率半导体开关DSRD特性浅析

漂移阶跃恢复二极管（DSRD）是一种先进的全固态、高速、高功率半导体断路开关，是超宽带、高功率脉冲信号源的关键部件。对DSRD的工作原理和典型应用电路以及DSRD在纳秒级高功率脉冲发生器方面的应用做了介绍。DSRD的这些优点使其在超宽带和高功率微波等方面有广阔的应用前景。

DSRD级联高功率脉冲压缩技术

DSRD(Drift Step Recovery Diode)是超宽带高功率微波脉冲发生器的关键技术之一,介绍DSRD的工作原理和影响器件性能的电气参数,提出一种利用DSRD级联实现多级脉冲压缩的方法。建立器件在导通和截止状态下的等效电路模型,开展多级级联脉冲压缩仿真。搭建一个两级DSRD加SAS整形器的脉冲产生装置,通过桌面实验验证理论分析与仿真的正确性。