《脉冲功率技术》结业报告

1、20132014学年度硕士研究生课程脉冲功率技术结业报告题目名称半导体脉冲功率开关发展研究目录1引言12 脉冲功率开关的发展22.1 传统开关22.2 半导体开关22.3反向开关晶体管22.4 新型半导体开关22.5半导体断路开关32.6脉冲晶闸管32.7功率场效应晶体管32.8绝缘栅双极晶体管33 国内外研究现状及存在的问题43.1 存在的问题43.1.1提高耐受电压等级43.1.2输出快脉冲43.1.3提高脉冲电流峰值43.2关键技术43.2.1电压提升技术43.2.2磁脉冲压缩技术54总结与展望65参考文献6半导体脉冲功率开关发展研究1引言脉冲功率技术是把相对长时间内存储的具有较高密度的

2、能量，以单次脉冲或重复频率的短脉冲方式释放到负载上的电物理技术。在空间上压缩能量可以增加能量密度，在时间上压缩能量可以提高输出功率。随着对脉冲功率技术研究的不断深入，脉冲功率技术被越来越多地应用到工业及民用领域。例如在环境工程领域，已有的应用技术有脉冲电晕等离子体法净化废气技术、脉冲静电除尘、高压脉冲放电废水处理、臭氧的制取等；在生物医疗领域，已有的应用技术有体外冲击波碎石技术、产生脉冲电磁场研究对生物培养基的影响；其它领域还有矿井物探，和水下目标探、对岩石钻孔、高速x射线水下摄影、工业辐射源、快速加热淬火等。一般的脉冲功率系统由以下几个部分组成，如图1-1所示。电源能量储存单元负载脉冲形成回

3、路开关图1-1 脉冲功率系统结构图其中，开关元件是脉冲功率系统的核心元件之一，特别对重复频率脉冲功率系统，大功率高速开关的性能优劣直接制约其发展的主要的瓶颈，因此开关技术的发展对于高功率脉冲技术来说至关重要。对于脉冲功率装置来说，高压脉冲功率技术中的开关具有如下特点：(1)电流非常大，可达几十千安、几百千安几兆安或更大；(2)要求开关的闭合和断开的时间极短，在毫微秒量级；(3)开关动作频繁，要求能连续工作，特别是在重复频率下运行时；(4)高电压下运行，电压等级从几千伏到数百千伏。(5)结构紧凑，体积小重量轻，便于维修。基于以上要求，特别是随着高重复频率，长寿命的脉冲功率源的研究，以往的大功率快

4、速换流开关都是通过用气体放电器件来实现，由于此类器件存在原理上的缺陷，并且在很大程度上遇到了技术的瓶颈，无法很好的满足对开关器件的要求，这也是由于气体放电的性质本身所决定的。电力电子技术及半导体工业的持续发展，使得半导体固体开关的耐压等级和通流能力获得了极大的提高，使其有可能应用到高压脉冲功率技术中。而如加速器、雷达发射机、高功率微波和污染控制等领域的高压脉冲功率技术对高重复频率固体开关的应用需求。也促使人们对半导体开关技术在脉冲功率领域中的应用进行了大量的研究。2 脉冲功率开关的发展2.1 传统开关在脉冲功率系统中，传统的开关有引燃管、火花间隙开关、闸流管、真空管和爆炸式开关。其中火花间隙开

5、关在脉冲功率技术中应用很广泛，其特点是速度快、可开关高电压大电流，但其寿命短，在低重复频率下只能工作半个小时，而且在重复工作时冷却问题也很难解决；引燃管的开关速度太慢，而且使用寿命也短；氢闸管的开关速度足够快，但要实现开关高电压大电流，需要很多个氢闸管串并联，成本很高，同时也需要很复杂的冷却系统。此外还有真空开关和爆炸式开关。2.2 半导体开关上面介绍的这些传统开关在脉冲功率系统中的应用十分广泛，而且在技术也已很成熟，同时它们都能满足大功率的要求。但是，它们也有很多难以克服的缺点。首先，工作寿命短，特别是爆炸式开关，一般只能使用几次，在工业中应用 成本太高，维修复杂，效率低。另外，这些开关的体

6、积都比较庞大，难于适应现代工业中设备小型化的要求，虽然很多人都在致力于将他们小型化，但还不够理想。最后，这些开关工作时同步性差，不稳定，易受外部因素干扰。因此，人们将目光投向了另一类开关半导体开关。半导体开关具有体积小，寿命长，工作稳定等突出的优点，呈现出全面取代传统开关的趋势 而且对半导体开关的研究各国都表现出前所未有的热情，各种新原理、新结构不断被提出来，从最早的晶闸管到后来的GTO、IGBT和功率MOSFET现在的半导体开关已发展成一个门类众多的大家族，且目前的发展趋势是大功率、快速化和模块化。一般地，这些半导体开关器件都是三端器件，工作时需要用复杂的电路给触发极提供触发信号。当很多器件

7、串并联时，触发电路将变得非常复杂，增加设备成本，也给使用和维护带来困难；而且，如何保证这些器件在触发时的同步，也是一个复杂的问题。2.3反向开关晶体管RSD属于类晶闸管器件。导通过程依赖于一短时反向电流在器件全面建立的一层可控等离子体层，所以RSD曾一度被翻译为/反向导通双晶复合管。可控等离子体层建立的过程称为预充。因为预充在芯片全面积同时发生。不存在如普通晶闸管在门极附近先开通! 再扩散到全面积的慢过程，故RSD可承受高di/ dt (理论为10，同时具有良好串联同步特性。以上为RSD作为脉冲功率开关的最大优势。2.4 新型半导体开关前面所讲的半导体开关器件，相继被用在大功率脉冲和高频技术中

8、，表现出全面取代传统开关的势头，但在应用中也发现了一些问题。首先，对于半导体开关器件，所能承受的电流容量受导电区中电流流通面积限制，大功率的现代半导体开关 双极晶体管和晶闸管类开关 在开通过程中都会出现导电区域局部化的现象，使得器件不可能建立大面积的导流通道，器件所能承受的电流容量有限，这一缺陷是原理性的。另外，晶闸管型器件的极限工作频率受限于关断过程和半导体结构中的损耗。在普通晶闸管中，开关损耗是主要的，它将器件的极限工作频率限制在10 15kHz。最后，这些器件都是三端器件，将多个器件串并联构成组合器件时，触发电路复杂，而且开通的同步性也难以保障。针对这些问题，上世纪80年代，前苏联阿法约

9、物理科学研究院的格列霍夫等人提出了两种新的开关工作原理，一种是借助可控等离子层开通；另一种是借助于延迟冲击电离波开通。依据这些新工作原理开发了一系列的新型器件，而且都是两端器件。2.5半导体断路开关1991 年，俄罗斯电物理所的 S.K.Lyubutin 等人在用 SDL 高压二极管作整流实验时发现，使一定持续时间的正向电流及一定持续时间的反向电流（电流密度高达几十 kA/cm2，电流通过时间为几百个纳秒）依次通过整流二极管，反向电流的衰减时间降到了几十个纳秒。这种大电流密度在纳秒级时间被截断的现象称之为 SOS效应。因此随后的工作致力于研制一种特殊的二极管，它并不是作为一种整流器，而是作为一

10、种快速截断反向电流的装置。也就是说这种 SOS 二极管代表着一种新型的全固态的大电流密度纳秒级断路开关由于这种新型的二极管能够提供更具价值的截断电流以及截断时间，其能量转换效率也比 SDL 二极管有很大的提高。因此，SOS 二极管被广泛用来提高脉冲功率装置的能量转换效率、脉冲重复频率以及其使用寿命。2.6脉冲晶闸管脉冲晶闸管也叫做放电管，应用于由它迅速导通放电而产生的脉冲电路中，脉冲可以是独立的，也可以是连续的，与其他晶闸管相比，它在开通过程中可以产生很高电流上升率的大电流脉冲，而动态压降又很低，1千伏左右的器件由于其晶片薄，关断时间又可做得很短，因此可工作在较高频率下，相反高压器件工作频率较

11、低。由于晶闸管芯片可以做得很大，能通过数万安培的脉冲电流，而电压又可以做到数千伏，因此可以产生超强功率的脉冲电流，从而提高了整机的可靠性与寿命，可以替代闸流管与引燃管。对其他小电流器件，也有在点火。雷达。中小功率激光等电路中。2.7功率场效应晶体管作为压控型多子器件，MOSFET在所有电力电子器件中的开关速度是最快的，Si基功率MOSFET的开关频率很容易做到100kHz以上。该特点决定了它更适用于重频较高的脉冲功率应用场合，例如废气废水处理、高功率脉冲激光器、粒子加速器等。有报道将功率MOSFET用于Marx发生器，充电电压900V，16个功率MOSFET同时在负载上产生15kV脉冲电压，重

12、频200Hz。最近，脉冲功率领域内对LTD概念进行了特别多的研究工作，LTD实质上是将高功率脉冲分担为多个低功率脉冲的同步叠加，这有助于器件负担的分散化。大型LTD针对兆瓦至太瓦功率等级开发，开关基本限于气体开关火花隙 2.8绝缘栅双极晶体管IGBT属于混合型电力电子器件，结构上等效于一个功率MOSFET控制的厚基区PNP晶体管，所以有单极型和双极型器件两者的优点。这项优势在脉冲功率领域有同样的体现:晶闸管有高阻断电压和大电流容量，但上升时间慢；功率MOSFET开关速度快，但功率容量小；IGBT则可兼顾高功率等级和高工作频率。据报道，将3个15kV IGBT模块串联可得到50kv脉冲电压，单次

13、脉冲工况下电流不超过500A。在6.5kV，3.3kV和1.7kV电压等级的IGBT中选择1.7kV，由15个串联组成一个模块。最外层为IGBT器件，内层为驱动及保护电路，其中心为铁心。该装置可构建Marx发生器，在超宽带领域应用。3 国内外研究现状及存在的问题3.1 存在的问题3.1.1提高耐受电压等级晶闸管类型的开关，最高正向阻断电压为6kV，GTO、IGBT和MOSFET的额定电压水平更低，要想开断脉冲功率系统几十千伏甚至几百千伏的高压，单个器件显然不能胜任，必须考虑升压技术。3.1.2输出快脉冲常规大功率半导体开关中的IGBT和MOSFET，在不超出额定电压、电流的工作范围内，单个器件

14、能达到百纳秒以内的开通和关断速度。但是如果应用在脉冲功率系统中，必然是很多个器件的串并联使用，这会导致系统体积增大，回路杂散电感和分布电容增加。杂散电感会严重影响负载上的脉冲电压和电流的上升率；分布电容与杂散电感一起，不仅会引发脉冲前沿振荡，还会减慢脉冲电压的下降沿。此外，多个半导体开关开通和关断的不同步性，也会减慢脉冲上升沿和下降沿。所以，基于常规半导体开关的脉冲功率系统，随着输出功率的增大、开关数量的增加，开关的整体性能呈下降趋势，有必要增加额外的脉冲陡化和压缩电路，以获得较理想的脉冲输出波形。3.1.3提高脉冲电流峰值IGBT、BJT、MOSFET和SITh等器件的额定电流都在数百安培量

15、级，即使对于短脉冲情况，这些开关可以通过的瞬时峰值电流也在千安培。要想在高功率微波和大面积等离子体放电等要求大电流脉冲放电的场合应用以上器件，开关的并联技术就显得非常重要。然而，大功率半导体开关并联面临的问题是脉冲情况下各个器件电流分配不均和由此导致的热击穿，这会降低系统的可靠性。SCR、GTO和IGCT等晶闸管类型的开关具有较强的通流能力，最大额定电流已经达到3kA以上，非重复浪涌电流则高达20kA左右。不过，这些开关主要应用于电力系统、高功率逆变器和机车牵引等中低频领域，是为长脉冲(通常大于1ms)的工作状况而设计。它们被认为不适合于脉冲功率应用，不能直接在脉冲功率系统中作为主放电开关。生

16、产厂家所给出的参数范围也主要针对宽脉冲甚至工频条件，对大功率脉冲条件下（微秒脉宽以下）半导体开关应用特性几乎没有涉及。如果通过晶闸管的电流上升率超过某个临界值，那么器件将会遭到永久性的损坏。3.2关键技术3.2.1电压提升技术（1）串联开关技术为了产生高压脉冲，最直接的办法就是把多个半导体开关串联使用，以隔离直流高压电源和负载。基本的电路拓扑结构如图3-1所示。这种结构简单，但是可实现性不高，如果某几个开关开通过快或关断过慢，剩余的开关会承受超过器件额定值的高压，有连锁击穿的危险。图3-1 串联开关技术的电路拓扑为了克服这个问题，不仅需要选择开关特性尽量一致的半导体器件，还必须对各个开关的门极

17、驱动信号进行检测和反馈控制，以达到动态均压效果。（2）脉冲变压器技术为了避免使用高压固态开关，可以使用脉冲变压器进行升压变换。原边电压控制在半导体开关的额定电压以内(lkV到6kV)。如图3.2所示。图3-2脉冲变压器技术的电路拓扑（3）感应电压叠加技术使用一个脉冲变压器输出高电压时，其原边并联的半导体开关会存在电流分配不均的可能，而采用变压器级联结构可以从根本上避免这个问题，图3-3 感应电压叠加技术的电路拓扑3.2.2磁脉冲压缩技术当常规的大功率半导体开关应用在高压脉冲功率系统中时，往往需要数十个甚至数百个开关串联或者并联使用。数量的增加不仅意味着体积的增大、杂散电感和分布电容的增加，还导

18、致半导体器件开关动作的一致性降低、时问分散性增加，这些因素叠加在一起，抑制了输出脉冲波形的上升沿，通常都在us量级。为此，研究人员提出了磁脉冲压缩技术，使基于大功率半导体开关构建的脉冲功率源输出的慢脉冲，经过一级或多级磁开关(MagneticSwitch)的压缩作用后，变成宽度很窄、上升沿很陡的高压脉冲。磁脉冲压缩把半导体开关良好的可控性与磁开关的快速开通特性巧妙结合在一起，所构成的全固态高压纳秒脉冲电源不仅在理论上具有纳秒级的快脉冲输出能力，而且可靠性高，基本免于维护，寿命长。由于磁开关是利用电感饱和来实现工作状态的转换，没有消电离问题，也没有电极烧蚀问题，因此在要求高重复频率运行和长寿命开关应用场合，具有很大优势。4总结与展望本文主要是简单地介绍了脉冲功率技术中多种常用的半导体开关的相关特性与原理，从概念上对脉冲功率技术中的开关器件有大致的了解，并提出了两种新型的半导体开关SOS和RSD开关，从三端器件过渡到两端器件，取得了很大的成功，在一定程度上提高了脉冲功率开关的性能，基本满足了对重复频率的高速开关的要求。作为当代高新技术研究的重要技术基础之一，脉冲功率技术中开关技术的发