三种新型两端半导体开关的快速脉冲产生电路研究

摘要

输出脉宽在微秒、亚微秒直至纳秒级范围的快速脉冲功率技术在高功率微波、低温等离子体、生物医学等领域有着广泛应用，半导体开关有着体积小、重量轻、可靠性高、开关速度快等优势，已成为产生快速脉冲的重要器件。本文重点研究了漂移阶跃恢复二极管DSRD(Drift Step Recovery Diode)、反向阻断双端固态闸流管RBDT(Reverse Blocking Diode Thyristor)、反向开关晶体管RSD(Reversely Switched Dynistor)这三种功率半导体器件的快速脉冲产生电路。它们均为四层结构的两端型器件，串联均压性能好，具有低功耗和高功率的特点。其中DSRD为断路开关，RBDT和RSD为闭合开关。 首先系统地研究了基于DSRD的快速脉冲产生电路的设计方法，根据电感储能脉冲发生器原理建立SPICE仿真模型，并根据仿真结果确定电路最佳工作参数，并搭建测试平台进行实验研究。通过测试实验室自主研发的硅基DSRD，表明DSRD被有效触发，同时在负载上输出峰值160V，上升时间6.66ns的脉冲电压，验证了电路设计的可行性。 针对RBDT器件提出了其基于Marx发生器的触发电路，根据电路仿真结果设计了其主电路板、控制板和驱动电路板。实验结果表明，基于Marx发生器的触发电路能够产生超过10kV/μs的高dv/dt，成功触发RBDT器件，输出快速脉冲电流。论文同时分析了主回路电压和触发脉冲dv/dt对器件开通损耗的影响。 针对RSD器件研究了其集成化模块化技术，以降低回路寄生参数，实现更快速的短脉冲输出。设计的PCB集成模块可在5kHz重复频率下工作，并稳定输出脉冲电流。论文还测试不同主回路电压和重复频率工作条件下的模块热积累，确定了限制集成模块输出水平的因素主要是预充回路IGBT和电容。 综上，本文主要基于DSRD、RBDT、RSD等三种半导体脉冲功率器件研究了相关快速脉冲产生技术，为相关领域提供参考。

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