晶闸管脉冲功率开关保护参数优化计算及其影响

晶闸管具有承受浪涌电流的特点,提出利用它构建强脉冲功率投切开关,代替传统切换开关。整个投切过程是在母线电流过零/电压过零时进行,因此冲击小、无电磁暂态过渡过程,且无拉弧现象。以ABB公司的5STP52U5200晶闸管为例,讨论工作于脉冲开关状态时它的反向恢复电流特点,并归纳出吸收电阻和电容的优化计算方法和设计准则。利用MATLAB的SIMULINK环境构建以晶闸管充当脉冲功率开关的整个试验回路的仿真建模,分析阻容吸收回路参数对晶闸管过电压的影响特性。该仿真模型能够正确反映晶闸管的开关暂态过程,具有良好的灵活性、与扩展性。试验验证了所提出的晶闸管的计算方法和设计准则的有效性,并有利于快速设计出满足工程需求的脉冲功率开关(阀)组件。

半导体脉冲功率开关RSD的开通电压特性研究

RSD(ReverselySwitchedDynistor)是一种晶闸管与晶体管相间排列的多元胞结构高速大功率半导体开关器件,该器件采用控制等离子体层触发的开通模式。文章从理论上推导出其最大开通电压,并研究了该电压与器件结构参数之间的关系,给出了降低器件功耗的方法。

基于晶闸管的脉冲功率开关热模型研究

晶闸管作为脉冲功率开关器件时,其短时导通电流往往数倍于它的通态平均电流,短时积聚的损耗会使晶闸管结区累积大量热量,造成其结温瞬间陡升,试验表明极易使得晶闸管因结区过温而击穿。因此如何优化设计晶闸管脉冲功率开关阀体结构、最大限度快速散热、降低结区温升,具有重要意义。介绍了基于ABB的5STP 52U5200型晶闸管所构建的脉冲功率开关阀体结构及其柯尔热阻抗模型,并利用Matlab的SimuLink构建脉冲功率开关阀体的热网络仿真模型,获取晶闸管耗散功率与其最高结温、晶闸管耗散功率与其壳温的可视化关系曲线,归纳了脉冲功率开关导电极的热阻与热容对晶闸管最高结温的影响规律,为晶闸管脉冲功率开关阀体结构的优化设计提供了依据,并得到了试验验证。

亚毫秒脉冲功率开关RSD的大电流放电试验

对应用于电磁发射脉冲功率电源的反向开关晶体管(Reversely Switched Dynistor,RSD)进行了大电流脉冲换流特性测试。介绍了RSD导通原理,分析了RSD的直接预充、谐振预充和变压器升压预充等三种预充电路。进行了9.5kV脉冲放电试验,试验脉冲电流的峰值为110kA,脉冲宽度为260μs,dit/dt为2.8kA/μs,由试验波形计算得到RSD开关的换流损耗为4.5kJ,占释放能量80kJ的5.6%。10.8kV试验的电流峰值、脉冲宽度、开通电压分别为150kA,350μs,8.2V。

油介质脉冲功率开关设计与仿真的研究

以有限元理论为基础,利用有限元分析软件Ansoft V12,建立油介质脉冲功率开关的数学模型。改变已建模型的相关参数,得到开关油介质气泡剖面的全场域电场分布仿真显示效果图,并进行相关分析,提出改善开关绝缘性能的可行性设计思路。

RSD重复频率脉冲功率电路的研制

研制了一种基于高速大功率半导体脉冲开关反向开关晶体管(Reversely Switched Dynistor,简称RSD)的重复频率脉冲功率电路,电路主要包括放电电容充电回路、主回路及RSD预充回路等部分。分析了脉冲功率电路及磁开关工作原理。设计了工作电压为2.4 kV时的电路及磁开关参数。试验结果表明,当重复频率为10 Hz时,RSD输出电流峰值为2.44 kA,脉宽为9μs,工作频率从10 Hz增加至60 Hz时,输出电流从2.44 kA下降至2.21 kA,变化率为4.5%。

水中脉冲放电振荡特性分析及抑制方法研究

水中脉冲功率放电过程中产生的电路振荡,会延长放电时间,降低储能电容寿命。为了对电路振荡进行抑制,首先根据脉冲功率放电装置工作环境,利用COMSOL仿真软件,建立了二维轴对称高压放电模型,模拟了11 kV下电极间隙为4 mm下的高压击穿过程,并分析了等离子通道电导率变化趋势。然后建立等离子通道二维阻抗模型,对电极上的实际放电波形进行了非线性回归分析,得到其电阻和电感分别为0.439Ω和19.8729μH。最后根据负载特性提出了用脉冲功率晶闸管来抑制电路振荡的策略,并进行了脉冲功率放电实验。实验表明,通过理论阻抗计算得到的电极电压与实际放电电压相符合,且使用晶闸管脉冲功率开关可有效地抑制电路振荡,使振荡时间由220μs降低到36μs,降低了83.6%。

2021年第10期“大容量脉冲功率电源关键技术”专辑征文启事

为了更好地促进“大容量脉冲功率电源关键技术”相关的研究与应用,本刊拟将2021年第10期辟为“大容量脉冲功率电源关键技术”专辑,专题主要征文范围包括:①脉冲功率储能技术;②脉冲功率开关技术;③脉冲形成线和眛冲调制技术;④绝缘材料技术;⑤新型大电流脉冲源和高功率微波源技术;⑥各类林冲功率应用技术。

2021年第10期“大容量脉冲功率电源关键技术”专辑征文启事

本刊拟将2021年第10期辟为"大容量脉冲功率电源关键技术"专辑,热切欢迎从事大容量脉冲功率电源关键技术研发工作的专家学者和青年科技工作者踊跃投稿。专题主要征文范围包括:①脉冲功率储能技术;②脉冲功率开关技术;③脉冲形成线和脉冲调制技术;④绝缘材料技术;⑤新型大电流脉冲源和高功率微波源技术等。

高速SiC-MOSFET叠层封装结构设计及性能评估

作为脉冲系统的核心部件,开关承担着脉冲成形、功率调制等重要作用,开关通断速度往往决定脉冲上升时间,高速开关是纳秒短脉冲形成的关键。提出一种高速SiC-MOSFET叠层封装结构,整体布局无引线、无外接,具有极低寄生电感。开展了电磁场仿真研究,揭示了脉冲形成过程中封装多介质界面电磁场分布规律,明确了封装结构电磁薄弱环节,为进一步绝缘优化提供指导。搭建双脉冲测试平台,对研制的SiC-MOSFET叠层封装开关与同芯片商用TO-263-7封装开关的动态性能进行测试。结果表明,大电流工况下,所提封装电流开通速度提升48%,关断速度提升50%,开通损耗降低54.6%,关断损耗降低62.8%,实验结果验证了所提叠层封装结构对开关动态性能的改善。

半导体碳化硅在伪火花放电高能开关中的应用

伪火花放电开关 (PSS)的寿命主要由大电流下的电极烧损决定 ,其机理为金属电极产生的蒸汽电弧改变了原有均匀辉光放电所致。半导体碳化硅 (Si C)可以维持伪火花开关电极表面的均匀辉光放电 ,抑制电弧产生 ,使电极烧损大大减小 ,还解决了开关在小电流下奇异放电问题 (电流猝灭和暂态阻抗降低 )。简述了金属钼电极与 Si C电极的放电过程和特点后简要分析了 Si C电极抑制电弧的原理 。

SiC基反向开关晶体管RSD关键工艺概述

本文首次概述了采用宽禁带半导体材料4H-SiC制备脉冲功率开关反向开关晶体管(RSD)所涉及到的关键工艺。包括选择性刻蚀、选择性掺杂、欧姆电极制备以及台面终端造型等在内的多步主要工艺均与Si基RSD完全不同,采用氟基气体感应耦合等离子体(ICP)刻蚀得到了合适的刻蚀速率、表面粗糙度及形貌,采用多次氮离子注入及高温退火完成选择性掺杂,采用Ni/Ti/Al多层金属配合适当退火温度完成欧姆电极制备,采用机械切割斜角完成台面终端造型,最终得到了合理的器件正反向阻断特性。

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7.6cm的堆体在12kV主电压下成功通过峰值电流173kA,传输电荷32C。

单级赝火花开关耐受电压的研究

对影响单级赝火花开关耐受电压的主要因素，如工作气体、气压、极间隙和孔径等进行了系统的研究。结果表明：氦气是较理想的工作气体，空气与氮气相近，氩气不适合作工作气体；耐受电压随电极孔径减小而增大，但因孔径太小，空心阴极的作用减弱，孔径不应小于２ｍｍ；耐受电压随极间隙减小而增大，对每一间隙有一最大值，该最大值随极间隙减小而减小。

基于B-dot探针的旋弧开关电弧运动速度测量

针对一个轴向磁场控制的旋转电弧脉冲功率开关,借助B-dot探针研究了开关中的电弧在常压下空气中的运动特性。B-dot探针是一个基于电磁感应原理的小线圈,其感应电压随电弧距线圈位置而变化。为研究电弧运动速度随电流变化的规律,在一周内均匀布置6个探针。探针被放置在电极间隙的正下方,其轴向与电弧运动方向平行,且在同一高度上。计算电弧速度时,近似认为探针信号过零点对应于电弧经过探针正上方。实验中采用一个多模块放电回路,通过时序放电,在开关上得到近似梯形状的电流波形。根据探针信号计算得到在该电流波形下电弧速度的变化,在电流为20kA时,电弧速度约为550m/s。

一种大功率晶闸管触发电路设计

根据晶闸管门极特性曲线和开关装置主回路特性，计算出触发脉冲幅值、频率、上升时间等关键参数；设计隔离驱动电路，对脉冲结束时变压器初、次级电路进行分析，给出了初、次级等效电路模型和触发电路参数的选取公式。实验验证表明：利用该触发电路可对脉冲功率开关在-40℃～100℃的宽温度范围内实现可靠触发，得到脉宽为30肛s、脉冲前沿小于3弘s、项降小于3％的脉冲波形，该实验结果和理论分析基本一致。

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di/dt下,增大电流峰值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di/dt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。

高电压大电流晶闸管组件的热特性

晶闸管具有控制特性好、寿命长、噪声小等优点,目前在脉冲功率技术应用中,利用大功率晶闸管代替传统气体开关是研究趋势。晶闸管在高电压、大电流、重复频率工作条件下使用,需要对开关组件进行仔细的选型和组合。基于晶闸管的失效机理,对晶闸管组件在高电压、大电流、高di/dt,高du/dt、重复频率工作下的发热问题进行了理论分析、仿真计算和试验研究,对晶闸管组件在重复频率脉冲功率系统中的使用条件给出了理论依据。随着晶闸管工作电压、电流、频率增大,晶闸管的热损耗也越大,晶闸管的发热也越严重。为保证晶闸管安全稳定地工作,需要结温保持在安全范围内,不能长时间在重复频率下工作。

金属氧化物半导体控制晶闸管的di/dt优化

金属氧化物半导体控制晶闸管（MCT）相比于绝缘栅双极型晶体管（IGBT）具有高电流密度、低导通压降和快速开启等优势,在高压脉冲功率领域具有广阔的应用前景。作为脉冲功率开关,MCT开启过程对输出脉冲信号质量有很大影响。采用理论分析并结合仿真优化重点研究了MCT开启瞬态特性。通过对MCT开启过程进行详细地理论分析推导,给出了MCT开启过程中阳极电流和上升时间的表达式。结合Sentaurus TCAD仿真优化,将MCT开启过程中电流上升速率（di/dt）由40 kA/s提升至80 kA/s,极大地改善了器件开启瞬态特性。最后,总结提出了提高器件开启瞬间di/dt的设计途径。

神龙一号电子束束参数测量系统猝发式的精确触发方式研究

为了准确了解电子束随时间变化的性能,在神龙一号直线感应加速器上进行电子束束参数测量时要求测量系统精确地同步于电子束的产生和输运．其功率系统开关放电波形后沿幅度高达250kV,下降时间约20m,并且从该下降沿到电子束打靶的时间有145m,抖动1-2ns,非常稳定;如果以陡峭的后沿作为测量时间基准,则可以获得与其抖动相同量级的同步精度．因此通过对其波形的下降沿进行微分来获取测量系统的触发信号,选择合适的微分参数可以得到对应于下降沿约n8级精度的测量时间基准,通过采用光纤驱动电路完全消除了高压开关对低压测量系统的干扰,保证测量系统正常工作．该方法消除了传统触发方式因延时长、精度低、抖动大等对确定测量时间基准的不利影响,满足了使用高速测量设备准确获取电子束不同时刻的束参数波形的精确触发要求．