基于SOS的脉冲功率源技术新进展

研制了基于SOS的胡杨200和胡杨700脉冲功率源。给出了胡杨200和胡杨700的电路原理、组成结构和实验波形。介绍了在SOS脉冲功率源上开展的高重复频率强流电子束产生、长寿命阴极实验、绝缘介质的高重复频率击穿实验和低引导磁场无箔二极管等实验研究进展。经测试,胡杨200在2 kHz重复频率、负载阻抗200Ω下,输出电压200 kV,脉冲宽度约35 ns,平均输出功率大于10 kW;在300 Hz条件下可连续运行。胡杨700同样为全固态脉冲功率源,其设计指标:输出电压700 kV,电流5 kA,脉冲宽度约40 ns;经初步调试在150Ω电阻负载上单脉冲输出指标达到660 kV,4.4 kA,脉宽约70 ns。

半导体断路开关SOS效应测试研究

基于SOS效应工作的半导体断路开关可以在纳秒级时间内关断大密度电流,因此可应用于电感储能的脉冲功率发生器。介绍了基于SOS断路开关的脉冲功率发生器结构和运行原理、SOS工作原理及典型的电流、电压波形。在简化的测试电路上对特制二极管和快恢复二极管进行了SOS效应测试实验,研究了两类二极管的反向过电压、泵浦条件和负载影响。结果表明,深扩散p基区的二极管可以产生SOS效应;泵浦条件是影响SOS特性的最主要因素,泵浦电压越高,所产生的反向过电压系数越高。

半导体断路开关(SOS)特性研究

本文描述了半导体断路开关(SOS)的制作及性能测试。制作方法采用普通二极管类似的扩散工艺,但其制作工艺的关键在于深结的扩散。在pn结足够深时才能产生SOS效应。描述了制作过程并采用脉冲电路测试了所研制的SOS器件的电学性能。测试结果表明所研制的样品性能达到了与国外水平。

基于SOS和LTD技术的高重复频率脉冲发生器

提出了磁饱和直线变压器驱动源(LTD)泵浦半导体断路开关(SOS)产生高重复频率短脉冲的技术路线。利用LTD初次级线圈为单匝同轴结构和磁芯可饱和的特点,实现快速反向泵浦SOS,通过多级LTD模块叠加获得高电压输出。采用射频金属氧化物场效应晶体管(RF MOSFET)作为LTD初级电路的主开关,将SOS正向泵浦电流脉冲时间降至数十ns,泵浦电流脉冲重复频率最高可达MHz。最终研制出一台基于SOS的10级磁饱和LTD型脉冲发生器,输出电压约11kV,电流220A,脉冲宽度约2ns,重复频率为20kHz。实验验证了磁饱和直线脉冲变压器泵浦SOS产生高重复频率短脉冲的技术路线可行。

基于SOS的高重频高压纳秒脉冲源设计

依据高重频高压纳秒脉冲输出的要求,基于半导体断路开关(SOS)的工作特点,设计了高重频高压纳秒脉冲源脉冲发生器线路。分析发生器线路的工作原理,对输出脉冲幅度50 k V/100Ω、脉宽约10 ns^20 ns和重复频率100 k Hz脉冲源的线路中关键器件的参数进行了计算。分析关键器件SOS、饱和脉冲变压器、副开关要求,给出了关键器件的选型参考。

半导体断路开关实验研究

介绍了半导体断路开关(SOS)特性参数测试平台和测试方法,并对半导体断路开关的截断阻抗、截断时间、电压增益、输出脉冲半高宽以及能量传递效率等参数进行了实验研究。结果表明,正、反向泵浦时间是影响半导体断路开关特性的最主要因素。实验获得了截断时间、电压增益和能量传递效率与正、反向泵浦时间的依赖关系以及SOS截断过程中的阻抗变化特性。

半导体断路开关及其应用

介绍了一种新型的半导体断路开关 ,它采用 P+ - P- N - N+ 的半导体结构 ,可完成亚 ns级的关断 ,关断电流达数 k A、承受反向电压达百 k V、重复频率达数 k Hz。在介绍SOS结构和主要特性的基础上 ,还介绍了基于

半导体断路开关数值模拟

为了研究半导体断路开关(SOS)的截断过程及其在脉冲功率系统中的工作特性,建立了半导体断路开关的电流控制模型,对p+-p-n-n+掺杂结构的半导体断路开关进行了数值模拟研究。通过数值模拟,给出了p+-p-n-n+型半导体断路开关在正、反向泵浦过程中的载流子及电场分布,并获得了电流截断效应。计算结果表明,半导体断路开关的截断过程首先发生在p区。

基于半导体断路开关的8MW,10kHz脉冲发生器

功率器件半导体断路开关具有高重复频率工作能力。采用高速绝缘栅双极晶体管组件作为初级充电回路的主开关,建立了一台工作频率为10 kHz的脉冲发生器。脉冲发生器采用磁饱和脉冲变压器、磁开关及高压脉冲电容器组等固态器件进行两级脉冲压缩,产生小于100 ns的电流脉冲,对半导体断路开关进行泵浦,半导体断路开关反向截断泵浦电流在负载上产生高压脉冲输出。实验装置在电阻负载上得到了脉冲输出功率约为8.6 MW,脉冲宽度约10 ns,重复频率10 kHz的高压脉冲输出。

半导体断路开关截断过程模拟的缩比模型

在维持电路参数同比变化和通过半导体断路开关(SOS)的电流密度不变的基础上,提出了一种SOS截断特性模拟的缩比模型,并可在Silvaco ATLAS软件中应用。在以不同的缩比率选取等效SOS横截面积的情况下,将原电路中串联的100个二极管等效为若干个二极管,模拟得到了相同的二极管电流和电压波形。模拟结果表明,该模型不仅可以得到正确的SOS瞬态截断过程,而且可将计算速度提高近百倍。通过对SOS截断过程中载流子分布和电场分布变化过程的分析发现,SOS的截断过程发生在n-n+区。

纳秒脉冲空气辉光放电等离子体及应用

采用基于半导体断路开关的纳秒脉冲高压电源,在两个金属电极之间产生放电区间为1 600mm×100 mm×25 mm的常压辉光空气等离子体。等离子体发生器采用负高压针电极阵列与平板阳极结构,针电极的直径为1 mm,长度为20 mm,针电极之间的间隔为20 mm,针电极与平板零电位之间的距离为25mm,在每个负高压针电极末端周围同时形成圆锥形辉光放电,在平板地电极则形成大面积辉光放电。采用电压探针测量了该新型等离子体的放电特性,结果表明:放电脉冲的上升时间为26 ns,最高脉冲输出峰值电压为27 kV;利用该辉光等离子体对幅宽为1 000 mm聚四氟乙烯薄膜进行了表面改性处理,处理后其表面接触角由原来的124°降到69°,亲水性能大为提高。

基于可饱和脉冲变压器的多路同步技术及其应用

多路同步的高电压脉冲有广泛应用前景。为此,对基于可饱和脉冲变压器的多路同步技术路线进行了详细阐述,并开展了实验验证。在此基础之上,提出了多次级可饱和脉冲变压器多路同步控制的新型LC发生器。在该发生器中,可饱和脉冲变压器先后承4重功能,极大地减小了系统的复杂程度。实验中,初级输入电压为910V时,输出电压幅值达到110 k V,系统总的升压倍数达121倍。此外,引入半导体断路开关,可使实验中输出脉冲的上升沿在20 ns以内。同时将半导体断路开关与电感储能型脉冲形成线相结合,提出了低阻抗方波脉冲的产生方案。研究结果表明:提出的技术方案确实可行,对脉冲功率技术向固态化、小型紧凑化以及可重复频率运行方向发展具有较大的探索意义。

快速关断半导体开关工作特性及实验研究

介绍了快速关断半导体开关(DSRD)的工作原理,研究了开关内部的物理过程,分析了系统参数对开关输出特性的影响,研究发现:基区材料的击穿阈值越高、载流子饱和漂移速度越大输出电压上升速率越快;基区高的电场击穿阈值或低的掺杂浓度会增加器件关断时间和最大工作电压;考虑各参数的影响,基于高击穿阈值的DSRD是实现快脉冲输出的理想器件;缩短正向泵浦时间可有效抑制预脉冲,当正向泵浦时间小于200 ns时,输出脉冲波形基本不变;为了获得理想的脉冲前沿,反向电流应在达到峰值时完成对注入电荷的抽取。设计了单前级开关的DSRD泵浦电路,研制了基于DSRD的快脉冲产生系统,输出脉冲前沿约4 ns,电压约8 kV,电压上升速率约2 kV/ns,满足FID开关器件对触发电压的要求。

全固态脉冲功率源驱动Ka波段相对论返波管振荡器

利用基于SOS的固态脉冲功率源进行了Ka波段相对论返波管振荡器（RBWO）的实验研究。该固态脉冲功率源工作电压200-360 kV,工作电流约2.6 kA,脉宽约20 ns,脉冲上升前沿约9 ns。SOS固态脉冲功率源驱动Ka波段BWO的实验结果为：微波频率36-38 GHz,脉宽约10 ns,峰值功率约50 MW,重复频率10 Hz。

半导体断路开关电路-流体耦合数值模拟

为了研究掺杂结构为p+-p-n-n+的半导体断路开关的ns脉冲截断机理,根据流体力学方程和全电流方程推导出半导体断路开关内部载流子运动满足的电流-电压关系表达式,提出了一种外电路方程和载流子流体力学方程联立求解的1维耦合数值模型。采用该模型对半导体断路开关的ns脉冲截断过程进行了数值模拟,模拟结果表明:在截断过程中,n-n+结处的载流子数密度首先开始明显降低,并出现高电场,随后p+-p结处也出现类似现象,随着载流子的抽取,高电场区域向p-n结处快速移动,最终在p-n结处完成截断,而基区载流子数密度在截断前后无明显变化。

脉冲压缩开关DBD研究

延迟击穿器件(DBD)是一种新型的半导体导通式开关,它具有重复工作频率高、体积小、重量轻、稳定性好等优点。利用此种开关对基于半导体断路开关(sem iconductoropening switches,SOS)开关输出的高重复频率的脉冲波形进行压缩,可制作出高重复频率的超宽带脉冲源。介绍了DBD开关的基本工作原理和研制结果,给出了在相同测试条件下,与国外同类开关的测试结果对比波形,结果表明,研制的DBD开关和国外开关的指标基本相同,其中某些指标优于国外开关水平。

半导体断路开关输出脉冲宽度的参数影响规律

采用Silvaco TCAD软件,对P+-P-N-N+SOS结构输出脉冲宽度的参数影响规律进行了一维数值模拟研究,包括N+区扩散深度、有效横截面积、外电路参数等。模拟结果表明:随着N+区扩散深度、有效横截面积的增加和外电路电阻的增大,输出脉冲的宽度减小。通过参数优化,获得了脉宽约为4 ns的输出脉冲。

基于半导体断路开关的脉冲功率源及其应用

半导体断路开关效应的发现促进了能连续重复频率运行的半导体断路开关和基于这种开关的高平均脉冲功率源的发展和应用,与其它应用于脉冲功率源的传统器件相比,基于SOS的脉冲功率源更简单、可靠,其脉冲重复频率可达到kHz。介绍了SOS和基于SOS的脉冲功率源的基本工作原理和特性,并总结了基于SOS的脉冲功率源最新的研究进展和应用。

半导体断路开关输出预脉冲的产生机理及其参数影响规律

半导体断路开关的输出电压中的预脉冲现象,严重影响了整个系统的输出脉冲前沿陡度和重复频率。针对半导体断路开关在反向截断过程中预脉冲产生的过程和机理进行了研究。利用Silvaco Atlas仿真软件对半导体断路开关正反向泵浦过程中载流子的迁移和电场的变化过程进行了详细考察,发现预脉冲的产生是由双边截断过程中N-N^+结截断所引起的脉冲前沿变缓现象,其长短主要取决于P型轻掺杂区内的少子电子的迁移率,而脉冲前沿的陡度则取决于双边截断过程中的PN结截断过程。同时,对具有不同基区长度的器件,对其在不同泵浦电流密度下的情况进行了模拟和对比,发现器件基区越窄,脉冲前沿越陡,而预脉冲基本相等;低电流密度条件下只发生N-N^+结单边截断,大电流密度条件下则发生双边截断,而双边截断的延迟更长,但脉冲前沿拐点更陡,截断更快。

新型纳秒脉冲电源的参数设计与实验研究

提出了一种新型的高压纳秒脉冲电源,该装置输出电压和频率可调,控制极为方便;输出波形稳定,谐波分量小;工作稳定,可靠性高。电源主要采用省去磁芯复位电路的两级磁脉冲压缩技术与运行可靠的半导体断路开关技术,该电源应用广泛,可用于对一些气体、液体、固体介质的放电研究和其他需要高压电源的场合。详细分析了该电源的工作原理,并测得各种实验电压波形。着重介绍了磁脉冲压缩网络的参数设计,得出了电源在获得较高输出电压峰值时的磁开关(MS)和可饱和变压器的具体参数,并通过一系列对比实验验证了参数设计的准确性。结果表明,相关元件参数固定后,非线性磁芯的饱和都有一个最佳时刻。