高压非穿通P-i-N二极管等离子体抽取渡越振荡集总电路模型及封装抑制方法研究

高压非穿通P-i-N二极管反向恢复阶段产生等离子抽取渡越时间(plasma extraction transit time,PETT)振荡,对功率模块的驱动电路和设备EMC性能造成严重干扰。文中根据二极管PETT振荡阶段载流子运行特征将器件内部分为等离子区、漂移区和无源区3个区域并将各区域等效成电阻、电感和电容等集总电路参数,利用二极管等效电路与外围电路参数构建了PETT振荡集总电路模型。该模型可计算得到振荡阶段回路各阻抗的动态变化,复现PETT振荡失稳–自稳振荡现象。该集总电路模型表明PETT振荡出现根本原因是回路出现负阻,而负阻出现的原因是空穴渡越角位于π~2π之间,基于该模型解析得到回路寄生电感的优化范围,通过优化封装布局的方式可将空穴渡越角移出负阻出现的区间。最后,在模块内部通过优化绑定线布局将回路寄生电感调整至优化范围内,从而避免回路负阻以抑制PETT振荡的出现,实验证明了该封装抑制方法的有效性。

C波段高效率同轴渡越时间振荡器的仿真研究

C波段高功率微波产生器件在通信、雷达等领域具有重要的应用前景,工业部门对其紧凑化和轻量化的需求越来越迫切。本文采用理论分析和2.5维粒子模拟方法,设计了一个基于三腔调制双腔提取结构的C波段高效率同轴渡越时间振荡器(coaxial transit-time oscillator,CTTO),有利于实现低频段高功率微波器件的轻小型化。在调制腔前设计合适的反射腔可以有效预防横电磁波模式(transverse electromagnetic mode,TEM)反向传输到阴极区域,同时能预调制电子束,有效提升器件转化效率。经模拟优化后的典型结果表明:当二极管电压458 kV、电流9.6 kA及外加导引磁场1.05 T时,在中心频率6.37 GHz处获得了功率1.83 GW、转化效率41.6%的微波输出。

基于TM03模式的V波段同轴渡越时间振荡器设计

随着高功率微波源频率的提升,腔体尺寸会随着电磁波波长的缩短而减小,从而导致器件功率容量不足,增大了射频击穿、脉冲缩短的风险。为了提升高频器件的功率容量,提出了一种基于TM03模式的低表面场强V波段同轴渡越时间振荡器,通过引入TM03模式的方式在极高频下拓宽腔体的横向尺寸,从而降低表面场强,提升功率容量。为了激励TM03模式并使之成为器件主要工作模式,计算了束波互作用结构的色散曲线及耦合阻抗,通过腔体设计使TM03模式的相速度与电子速度同步并发生换能,从而获得较低的群速度以及较高的耦合阻抗,最终成功在慢波结构中建立起了TM03模式电磁场。随后的粒子模拟仿真表明,在二极管电压400 kV、电流5 kA的条件下,输出微波功率达440 MW,频率为62.25 GHz,转换效率为22%,最大表面场强为1.6 MV/cm。

并联IGBT芯片的等离子体抽取渡越时间振荡机理及其特性分析

大功率IGBT器件内部通常由多个芯片并联实现大电流。并联IGBT芯片在关断的拖尾阶段存在高频等离子体抽取渡越时间(PETT)振荡,这种振荡会对环境、驱动电路产生严重的电磁干扰。针对空穴注入空间电荷区后引起的空间电荷效应,首次分析空间电荷区的小信号特性,研究IGBT芯片自激振荡产生的原因,揭示高频PETT振荡的机理。其次,研究并联IGBT芯片之间寄生电感与产生PETT振荡时集射极电压的相互关系,基于理论方法计算振荡电压范围以及振荡频率的特点。最后,搭建IGBT开关特性测试平台,对并联IGBT芯片的PETT振荡特性进行测试。实验结果表明,PETT振荡不是随机产生,振荡产生的时刻与集电极电流具有一定的相关性;并联IGBT芯片振荡电压的范围与理论计算范围相吻合;并联IGBT芯片振荡频率的范围也与理论计算范围相吻合。因此,实验结果验证了对PETT振荡特性分析的正确性。

关断电流对高压IGBT等离子体抽取渡越时间振荡的影响

等离子体抽取渡越时间(plasma extraction transit time,PETT)振荡是一类发生在高压双极型器件中的自激振荡现象,在功率半导体器件的状态监测中具有重要的应用潜力。为了寻找与关断电流明显耦合的振荡特征参数并分析其物理机制,搭建了高压压接型IGBT芯片的PETT振荡特性实验平台,开展了两枚IGBT芯片的PETT振荡特性实验;定义了一系列典型的振荡特征参数,分析了关断电流对振荡特征参数的影响;提出了一种新的PETT振荡的等效电路与一种直观的图解分析方法。结果表明:振荡起始时间、振荡峰值时间和振荡终止时间与关断电流之间存在明显的单调耦合关系,且基本保持0.1μs/A的增长速率。图解分析方法可以有效解释实验规律,并推导出振荡起止时间与关断电流的对数之间呈一次函数关系,该推论得到实验结果的证实。

K波段同轴渡越时间振荡器研究

为增大高频段器件的输出功率,基于电子束调制深度与器件功率容量两个因素,设计了一种K波段高功率同轴渡越时间振荡器。采用高外观品质因数Qe值的三间隙矩形调制腔与低Qe值单间隙梯形调制腔级联的两级调制结构,提高了电子束调制深度;采用双通道分布式能量提取结构,增大了器件功率容量。利用粒子模拟软件对所设计的器件进行了仿真和优化,仿真结果表明:在二极管电压为500 kV,二极管电流为10 kA,外加导引磁场磁感应强度为0.74 T的条件下,获得了2.2 GW的微波输出功率,束波功率转换效率达44%,输出微波频率为18.55 GHz,且频谱纯净。

径向三腔渡越时间振荡器数值模拟

基于渡越辐射机理结合径向结构的低阻抗特性,提出了一种新型的低阻抗高功率微波器件——径向三腔渡越时间振荡器,它由3个等间距的边耦合同轴腔组成,径向运动电子束与谐振腔中的角向均匀模式场相互作用。采用PIC粒子模拟程序进行了模拟研究。在电子束能量450 keV、束流60 kA且无外加引导磁场的条件下,当结构参数网长为4.8 cm,腔间距为1.4 cm,电子发射面为0.8 cm,内径为8 cm时,获得了平均功率7.4 GW,频率4.1 GHz的微波输出,效率达27.4%,阻抗7.5Ω。通过粒子模拟给出了束波互作用效率随电子束电压、电流以及谐振腔间距的变化曲线,电子束电压对输出微波频率的影响曲线以及不同谐振频率与最佳谐振腔间距的对应曲线,这些曲线表明该器件具有渡越时间效应的基本特征,属于渡越辐射器件,且具有对电子束质量要求不高的特点。

径向渡越时间振荡器的数值模拟

用 2 .5维 PIC程序对径向渡越时间振荡器进行了数值模拟 ,给出了产生微波的详细物理图像 ,得出了输出微波功率与提取口大小、腔的径向间距、场模式之间的关系。模拟得到了峰值功率约5 0 0 MW,频率 5 GHz的 TEM1波 ,起振时间 1 5 ns,峰值效率大于 30 %

新型径向边加载渡越时间振荡器

根据渡越时间效应3维理论研究,设计了一种工作于6.1 GHz的新型径向边加载渡越时间振荡器。为增强电子束在谐振腔中的横向摆动,部分加大了高频结构中金属圆筒端部的宽度,以增大横向电场的的分布区域。3维理论分析表明,该器件的效率可以超过50%。粒子模拟研究表明,该器件在170 kV,18 kA的电子束激励下,平均输出功率达到1.6 GW,束波互作用效率为52.3%。

一种新型的高功率高频率同轴渡越时间振荡器

提出了一种高频率和高功率的渡越时间振荡器,并且对其进行了理论和数值研究。这种振荡器采用同轴结构,功率容量大,不需要外加引导磁场聚焦电子束,波束相互作用区短,保持了传统渡越时间振荡器在结构上的简单性和输出信号的稳定性;运用电压为225kV和电流为11kA的电子束进行模拟,在X波段获得了峰值功率为1.4GW,频率为8.335GHz的微波输出。

径向三腔渡越时间振荡器高频特性分析

研究了径向三腔渡越时间振荡器的高频特性,提出了一种近似求解方法,获得了各模式的频率以及场分布特性,并进行了数值模拟验证。近似求解所得的谐振模式的频率与数值模拟的结果基本一致,而模式场的振幅有误差。对近似方法进行了误差分析,结果表明:场振幅的误差随谐振腔径向长度与平均半径之比的减小而减小,该比值小于0.3时,场振幅的相对误差小于5.4%,比值大于1时,该方法不适用。

C波段三腔渡越时间振荡器的数值模拟

用2.5维PIC程序对三腔渡越时间振荡器进行了数值模拟,给出了产生微波的详细物理图像。模拟表明:三腔渡越时间振荡器能调制强流电子束并输出微波,微波频率符合理论设计值。模拟得到了输出微波功率随栅网间距,随反向二极管轴向间距以及提取口径向间距变化的规律。输出微波功率与栅网间距的关系与线性理论基本相符。在电子束电压400kV,电流4kA的条件下,模拟得到的结果为微波峰值功率约600MW,频率5GHz,起振时间约3.5ns,峰值功率效率大于37%。

径向渡越时间振荡器的初步实验研究

对径向渡越时间振荡器进行了实验研究,在非最优化条件下得到了辐射功率大于30MW、主频为3.66GHz的微波,同时研究了微波功率随电压、电流的变化,所得结果和规律与理论分析和数值模拟基本相符。

行波提取型同轴渡越时间振荡器模拟

提出了一种行波提取型同轴渡越时间振荡器,器件的提取腔采用了类膜片加载的扩展互作用腔结构,具有束波作用效率高,电子束空间电势能低等优点。提取腔的电场结构为3π/2模,与传统的类π模结构相比,提高了微波群速度,有利于微波能量的提取。通过引入前置反射腔,提高了调制腔的品质因数,显著降低了起振时间。利用数值模拟软件对所设计的器件进行了模拟和优化,在二极管电压530kV,二极管电流12.8kA,外加导引磁场0.7T的条件下,得到了2.41GW的输出功率,微波频率7.76GHz,束波功率转换效率达到35.5%。

径向渡越时间振荡器互作用特性的流体理论分析

用线性流体理论分析了径向渡越时间振荡器谐振腔中电子束与高频场的相互作用,通过数值求解得到了其中束 场能量交换等随直流渡越角的变化规律。与单电子模型的分析结果相比较,流体模型所得结果更具有普适性。

渡越时间振荡器的注入式锁相研究

针对空间功率合成中多个微波源的锁相问题,设计了一种带有注入结构的Ku波段同轴渡越时间振荡器。在输入腔与三腔结构的调制腔之间,加入了效率99.9%以上的反射腔以防止功率向输入腔和发射端泄露。射频信号沿磁场方向注入同轴波导,既保证了磁场线圈的连续,又抑制了器件中的不对称模式。粒子模拟结果表明,当注入比为0.1、频率差为67MHz时可实现锁相。研究还发现,高功率的注入信号能使器件提前饱和,并且得到更高的输出功率。另外,相比Adler经典锁相理论,仿真结果得到了更大的锁相范围。

带螺线盘线圈的Ku波段径向渡越时间振荡器模拟研究

径向渡越时间振荡器(transit-time oscillator,TTO)相较于轴向渡越时间振荡器,其电子束电流密度更低,空间电荷效应更弱,从而其束波转换效率更高,所需要的引导磁场也更低,因此是目前最有潜力的径向高功率微波(HPM)器件之一。传统径向渡越时间振荡器通常采用金属栅网实现对径向传输电子束的引导,但是金属栅网的熔蚀直接限制了器件的工作寿命和重复频率。在利用径向螺线盘线圈产生的磁场满足径向电子束稳定传输的条件下,开展了带螺线盘线圈的Ku波段径向渡越时间振荡器的整管粒子(PIC)模拟。在电子束电压300 k V、电流20 k A的模拟条件下,器件实现微波功率为2.07 GW、频率14.86 GHz、效率达34.5%的输出。

X波段五腔渡越管振荡器的理论与实验

随着脉冲功率技术和等离子体物理的不断发展，出现了一类基于电子束在谐振腔中的渡越时间效应的渡越辐射机制来产生高功率微波的器件。该类微波器件的起源是单腔管(TTO)，近年来，美国科学家提出了分离腔振荡器(SCO)，后来又研制出超级后加速振荡器（Super-Reltron)（通过对这些器件的研究，提出并仔细研究了基于渡越时间效应的渡越管振荡器。

C波段新型渡越管模拟研究

在三腔渡越管的基础上设计了一种工作在C波段的新型低阻轴向六腔渡越管,其阻抗为15Ω左右,采用同轴输出。该器件采用大面积发射阴极,无须外加磁场,结构简单紧凑。采用2.5维PIC软件对该器件进行了2维数值模拟,在输入电压为483 kV、电流为32.5 kA的条件下,输出微波平均功率达到3.0 GW,主频为3.75 GHz,微波模式为TEM模。微波功率效率大于19%,比普通低阻抗器件有明显提高。

径向速调管振荡器的理论设计与数值模拟

分析了一次性微波源—基于渡越时间效应的径向速调管振荡器的微波产生和起振条件。进行了 GW级功率输出径向速调管振荡器的理论设计和数值模拟 ,得到 1 .6× 2 GW( f =6.0 GHz)的峰值功率微波输出 (周期平均 ) ,在给定的电压脉冲条件下 ,微波脉冲宽度约为 4 0 ns( FWHM)。