一種快速離化波開關及其在高壓脈沖源中的應用

(中國工程物理研究院 應用電子學研究所，四川 綿陽 621900)

1 引 言

高功率小型化全固態高重頻高壓納秒脈沖源在軍用民用領域具有廣泛的前景，例如，超寬帶(UWB)雷達、超寬帶通信、電磁壓制干擾、激光制導引信、加速器物理、等離子體化學、煙氣除塵、臭氣控制、微生物鈍化處理、材料表面處理、高壓電力傳輸與開關控制等[1-2]。

高壓納秒脈沖源早期使用的開關，如火花隙氣體開關、磁開關、閘流管等，其特點是功率容量大、重復頻率低、開關速度慢、穩定性差，難以滿足體積小、重量輕、全固態、重復頻率高、開關速度快、穩定性高的要求。SOS(Semicondutor Opening Switch)開關雖然固態化，功率容量中等，但開關速度慢，重復頻率低，難以滿足小型超寬帶脈沖源對快脈沖前沿、高功率容量、高重復頻率要求。階躍快恢復二極管、雪崩管雖然具有開關速度快、工作頻率高、體積小、重量輕的優點，但受器件工藝限制，高功率容量和壽命都受限。以上幾類開關既無法混合使用，使用時又無法互相取長補短。國內外許多研究機構和公司一直試圖通過各種技術手段解決這一問題，例如采用光導開關等，也因其高電壓大電流工作下工作壽命短、重復頻率低，使用受到局限，雖然這些技術有所發展，但都沒有達到所期望的結果。

本文結合該領域的最新研究成果和技術，即采用俄羅斯Igor F.Grekhov和Alexei Kardo-Sysoevs科學家在圣彼得堡約飛研究所(St.Petersburg of Russia Ioffe Institute)提出的基于快速離化波組件漂移階躍恢復二極管(Drift Step Recovery Diodes，DSRD )開關產生高壓高重頻納秒脈沖新方法[3]，給出了一個應用實例。該方法與傳統的高壓脈沖源MARX方法相比，具有較大技術突破和創新。用該方法和技術設計的全固態高重頻高壓納秒脈沖源具有全固態、高功率、高壓、高重頻、體積小、重量輕、長壽命、高可靠等特點。1999年以后美國空軍實驗室也用此方法來代替光導開關研究高功率高壓超寬帶納秒脈沖產生。

2 DSRD技術參數及工作原理

2.1 DSRD技術參數

DSRD的主要技術參數如表1所示。

表1 DSRD技術參數Table 1 DSRD technical specifications

2.2 DSRD工作原理

DSRD是1998年俄羅斯I.V.Grekhov教授等發明的、基于新的等離子體離化波高壓納秒開關器件。I.V.Grekhov教授等在研究類似硅PIN二極管結構時，意外發現該結構在反向高壓下會產生等離子體離化波現象，進一步深入研究，發明了離化波理論，設計了多層PN結構的半導體器件模型結構，并對該結構參數進行模擬計算和實驗研究。該等離子效應離化波理論的高壓半導體開關工作原理與傳統的高壓開關不同：首先，它具有復雜的多層PN結結構，其結構不同對高壓半導體開關性能有較大影響；其次，多層PN結結構的每層摻雜濃度不同，也影響高壓半導體開關性能。該高壓開關主要依靠體內PN結的自動恢復來切斷電流的，在電流切斷瞬間，開關體內的等離子體完全消失。

根據I.V.Grekhov教授等對類似硅PIN二極管結構中發明的離化波理論研究，DSRD開關通/斷工作原理如圖1所示。

圖1 DSRD開關工作原理圖Fig.1 Working principle of DSRD switch

在t1時間段內，流過開關的正向電流將電子-空隙等離子體注入開關的每層結構，隨后，在t2時間段內，由于電流方向逆轉，開關體內的等離子體逐漸被消除。在t2時間段的初始時間內，由于等離子體還沒有完全被消除，開關仍處于高電導率階段，因而其壓降很小(如圖1中虛線所示)。在t3時刻，開關體內的PN結恢復反向阻斷特性，其空間電荷區的電壓迅速升高，流過開關電流被切斷，開關的電壓迅速增大。

基于一種新型等離子體離化效應高壓全固態納秒開關特性，完成了一種DSRD核心開關器件研制，要求其在高功率條件下使用：脈沖電壓10 kV；脈沖電流100 mA;開關導通時間短(前沿Tr<1 000 ps)；體積小(φ5×3.5 mm)。

DSRD開關性能如下：

(1)該高壓開關器件具有特殊四層兩端n-p-n-p結構和特殊參雜濃度；

(2)峰值功率達幾十到幾百兆瓦；

(3)開關開啟時間為100～1 000 ps，且不依賴于加在它上的工作電壓和流過它的電流；

(4)工作電流超過10 kA時，電流上升率超過100 kA/ms。在50 Ω負載下，工作電流為500 A時，在0.2 ns的上升時間內，電流上升率達到2 500 kA/ms。

下面給出一個設計舉例。DSRD主要技術參數:直流工作電壓為10 kV/100 mA，正向開啟電壓為300 V/1 kA，脈沖電流為1 kA，脈沖寬度為1 ns，管子開關導通時間前沿Tr<300 ps)，管子的電壓上升速率大于1010V/s，圓片結構為φ5×3.5 mm，封裝形式為留出輸入、輸出焊接點。

一種新型等離子體離化效應高壓全固態納秒開關如圖2所示。

圖2 一種快速離化波高壓半導體納秒開關(DSRD)Fig.2 A fast ionization wave high voltage semiconductor switch (DSRD)

2.3 DSRD超快速物理特性

當一外加正向電流作用在DSRD的PN結上,其等離子體泵浦開始,載流子擴散區域(Diffuse Region，DR)出現在PN結附近,該區域寬度為

Wd=Dτ

(1)

式中，D為擴散系數,τ為等離子體泵浦脈沖寬度。來自擴散區域DR的漂移載流子進入n層, 其飽和載流子速率VSCR為

(2)

式中，j為空間電荷區(SCR)擴展達到的最大雪崩電流密度,q為電子電荷,Nd為N層涂料參雜濃度。

當電流變化方向以相反方向泵浦時其載流子速率仍由式(2)決定。當等離子體泵浦PN結空間電荷區SCR,空間電荷區SCR擴展, SCR上電壓增加。SCR上電壓(雪崩電壓)上升速率du/dt理論最大值為

(3)

式中，WSCR為SCR寬度，VSCR為載流子速率，εr為相對介電常數。從式(2)、式(3)可以看出,DSRD上PN結發生快速延遲雪崩,高密度的雪崩倍增電流密度(j)出現在空間電荷區(SCR),致使SCR場強增加及擴展邊緣,其PN結上產生了快速上升電壓du/dt。

2.4 DSRD的超快開關特性

當DSRD的PN結等離子體泵浦空間電荷區(SCR)時,其開啟時間ton稱作飛躍時間或者叫做開關時間,可以表示為

(4)

式(4)表明:DSRD的開關時間ton與WSCR成正比, 而WSCR與DSRD上的雪崩模塊電壓成正比。當WSCR越寬,即能產生并承受更高電壓時,ton所需更多開啟時間。當雪崩產生載流子速率VSCR足夠高,ton所需更多開啟時間主要與VSCR有關,WSCR退居起次要作用。

3 DSRD應用實例

一種基于快速離化波高壓半導體開關的全固態高重頻高壓納秒脈沖源如圖3所示。

圖3 全固態高重頻高壓納秒脈沖源電路Fig.3 Circuit of all solid-state high PRF high voltage ns pulser

圖3所示電路在外觸發脈沖期間,開關管TW、TP導通給貯能電容CW、CP充電,CW、CP、LW、LP、LN中貯存能量,完成高功率超寬帶脈沖產生所要求的能量貯存。由于隔離二極管DS的隔離作用,開關管TW給CW、LW、LN的充電電流僅僅通過電感LW、LN。開關管TP給CP、LP、DSRD的充電電流在外觸發脈沖使開關TP導通期間,DSRD上的電流持續增加,即DSRD完成等離子體泵浦過程。當開關管TW、TP斷開, LW、LP中電流iW、iP改變方向,開始在DSRD的靠近PN結參雜濃縮區抽取電子-空穴等離子體載流子,直到DSRD截止斷開為止,此時貯存在CW、LW、LN中能量快速轉移到負載RL上,并在負載RL上產生高壓超寬帶脈沖(UTRM、UTRN為外觸發脈沖, TW、TP為作開關用的開關, CW、CP為貯能電容,T1、T2為輸入隔離變壓器,CW、LW、LN為貯能電感, DS為隔離二極管, DSRD為快速離化波開關二極管,RL為負載)。

一種全固態高重頻高壓納秒脈沖源主要技術指標為：輸出功率為100 kW；脈沖寬度為1 ns；重復頻率為300 kHz；抖動小于50 ps；尺寸為300 mm×300 mm×100 mm。圖4為全固態高重頻高壓納秒脈沖源輸出電壓波形。

圖4 全固態高重頻高壓納秒脈沖源輸出電壓波形Fig.4 Output voltage wave form of all solid-state high PRF high voltage ns pulser

4 結 論

本文利用近年來國內外新開發的一種先進的全固態、高壓、高功率半導體開關技術，針對傳統非固態高壓開關的缺點，研究了一種先進快速離化波DSRD的開關特性及工作原理，結合全固態高重頻高壓納秒脈沖源設計要求及其全固態、高功率輸出、高電壓、高重頻、體積小、重量輕等特點,提出了一種先進全固態高重頻高壓納秒脈沖源電路設計實現方法。該設計方法與傳統的MARX方法相比,其高壓納秒脈沖源綜合技術指標有較大提高，并且該研究方法與研究方向具有較大的發展潛力和應用前景。

參考文獻：

[1] Fontana R J. Recent System Application of Short-pulse UWB Technology[J].IEEE Microwave Theory and Technology, 2004,52(9):2087-2096.

[2] Sergey V,Zaoulin. High Repletion Frequency Picosecond Pulse Generation[C]//IEEE Conference Record of Power Modulator Symposium.[s.l.]:IEEE,2002:403-405.

[3] Igor V Grekhov. Physical Basis for High Power Semiconductor Nanosecond and Subnanosecond Switches[J]. High-Voltage Engineering, 1998(11): 1318-1320.