脉冲功率源及半导体开关技术综述

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1、中国电工技术学会电力电子学会第十届学术年会论文集脉冲功率源及半导体开关技术综述1112余岳辉邓林峰梁琳吕炳科1)2)华中科技大学电子科学与技术系，武汉430074西电技所，西安710048Email：yuyuehui@mail.hust..edu.cn摘要简要介绍了脉冲功率技术的发展及应用领域、研究现状，提出了脉冲功率源面临的若干关键技术问题，分析了作为核心元件之一的半导体开关在脉冲功率技术领域的优势，介绍了GCT，IGCT，IGBT，功率MOSFET的最新发展。论述了利用可控等离子体工作的功率器件RSD以及利用延迟冲击－电离波工作的超高速半导体开关DS的基本工作原理

2、。展望了功率半导体开关在脉冲功率领域的巨大发展潜力。关键词脉冲功率源，超高速，大功率，半导体开关，RSD1．前言为在技术上唯一可能实现的手段。然而这类器件存在脉冲功率技术是研究能产生各种强电脉冲功率输原理上的缺陷，这是由气体放电的性质本身决定的。出的发生器技术，该发生器称为脉冲功率源。一般由I.V.Grekhov基于可控等离子层换流原理，首先提初级能源、脉冲功率源、发射装置组成，具有高功率、出了大功率超高速半导体开关RSD（Reversely长脉冲、高重复率的特点和体积小、重量轻、紧凑化SwitchingDynistor）的新器件结构，它可实现数百KA的优势。可以将很

3、高的能量（通常为几百千焦耳至几大电流、数十KV高电压、微秒纳秒级开通三者完美[1]十兆焦耳）储存在储能元件中，然后通过快速开关将的统一。资料报道了芯片直径φ76mm的12只串联此能量在很短的时间内释放到负载上，以得到极高的高压RSD堆，在25kV的工作电压下，峰值电流达到瞬时输出功率。250kA（脉宽为50μs），最大di/dt达到60kA/μs；高频脉冲功率技术最初的吸引力来自它在军事方面的RSD，脉冲的重复频率达到33kHz，器件工作面积2应用，它是许多新概念武器的技术支持。电能通过某3.5cm，开关电压800V，关断时间4μs，正弦半波的种方式转换成电磁能或热能

4、，以强大的电磁力或热压底宽为7.5μs。力加速弹丸而获得超高速，目前电磁力可将几克重的美国军方研究实验室（U.S.ArmyResearch弹丸加速到10km/s。美国研制的小型集成化脉冲成形Laboratory）也做了RSD应用的实验：1kHz的重复脉3网络（PFN）模块容量250kJ，储能密度达1.2MJ/m。冲下，12只φ24mm的RSD串联（每只的耐压为轨道炮研究的10MJ脉冲功率源装置由200个50kJ的1300V），工作电压为13.76～20kV，di/dt可达脉冲功率模块组成，以晶闸管作主开关，工作电压24.5kA/μs；单次脉冲实验中，使用的是单只耐压3

5、.1～10.75kV，输出50kA的脉冲电流，脉冲功率源储能密3.5kV、直径φ80mm的元件，在27.2kV的电压下，峰3度为1.4MJ/m。德国研制的脉冲功率源使用晶闸管开值电流达到101.5kA（脉宽50μs），di/dt达到8.2kA/μs[2]关，储能100kJ，工作电压20kV，输出15kA电流，。3储能密度1MJ/m。满足高的平均功率和峰值功率、高的重复频率条件的强激光源必须是脉冲功率源。据估2．脉冲功率应用技术及主要研究课题算，要将1kg小卫星发射到近地轨道，所要求的激光（1）大电流脉冲应用领域器功率达1MW，脉冲能量1kJ，重复频率1kHz。①核聚变

6、（数百kA峰值电流、μs时间的脉宽）；开关元件是脉冲功率系统的核心元件之一，特别②轨道炮（电磁发射）加速到10km/s，瞬间可对重复频率脉冲功率系统，大功率高速开关目前已成产生超过300万大气压的超高压；为制约其发展的主要的瓶颈。以往大功率快速换流通③加速器大型加速器的微波源用15只SITh串常都用气体放电器件来实现，这曾经在很大程度上成联作成45kV的开关，开关电流6kA、di/dt达到中国电工技术学会电力电子学会第十届学术年会论文集10kA/μs，脉宽6μs，峰值输出功率136MW；②绝缘栅器件的驱动。不能通过提高驱动电压，④断路开关用于电气铁道供电系统、加速器负

7、故减小电感成分是重要的。对IGBT、MOS一类器件，载短路保护、电力系统抑制事故电流的限流器、汽车为改善开通特性，单胞的微细化/集成化、栅电荷注入制动能量再生系统。速度增大时单胞间特性的弥散是重要的研究课题。高（2）高电压脉冲应用领域速开通或关断时，弥散损坏器件导致寄生振荡、电流高压应用中一般脉宽较窄，如10-50μs并有一定集中。重复频率的要求，通常为2Kpps或更高，主要的应用③器件固有的开通特性。研究结果表明：从触发有：开始到器件导通开始的延迟时间同阳极电压无关，只①工业应用：激光脉冲电源、大功率微波源、金取决于初期投入的电荷；而下降时间和di