一种大功率光电导开关测试装置及其应用

摘要

本发明涉及一种大功率光电导开关测试装置及其应用，本发明的测试装置包括：脉冲激光器、光源引入部分、光孔、高压测量主体电路、高压电源、示波器、光电管；脉冲激光器产生的激光脉冲由光源引入部分接收后形成光斑，光源引入部分调整光路并调控光斑的单位面积光强；光斑被光源引入部分内设置的分光镜分为测试用光斑和参考用光斑；光孔接收测试用光斑，并调整测试用光斑的光强；光电管接收参考用光斑，并将参考用光斑转化为电信号后传输至示波器；高压测量主体电路将待测光电导开关经测试用光斑照射后产生的电信号输出；高压电源施加电压于高压测量主体电路；示波器分析和显示来自高压测量主体电路的电信号。

说明书

技术领域

本发明涉及一种大功率光电导开关测试装置及用此装置测试光电导开关的响应速度、动态电阻等参数的方法，属于高压光电器件测试技术领域。

背景技术

半导体光电导开关由于具有较好的稳定性，小的体积以及容易集成等优势，而受到大功率开关的研究人员关注。第一个光电导开关原型在1974年由贝尔实验室的D.H.Auston制备，材料采用高阻的Si，但Si禁带宽度小，临界击穿场强低，不能用于制备高耐压的开关；1976年第一个GaAs光电导开关由马里兰大学的Chi H.Lee制备，随后GaAs光电导开关成为此领域研究的焦点。虽然GaAs具有迁移率高的优点，但其散热性较差，临界击穿场强不够高，难以胜任大功率领域的应用，因此这些光电导开关都还处于实验室研究阶段。

随着宽禁带半导体材料制备技术的日益成熟，人们把制备大功率光电导开关的目光放到了这些宽禁带半导体材料上来。SiC作为宽禁带半导体的代表具有较其他宽禁带半导体材料更为突出的优势——高的临界击穿场强和热导率，而这两点正是之前Si和GaAs材料制备光电导开关所无法解决的瓶颈问题。然而，制备高性能的大功率光电导开关，需要高质量的半绝缘SiC晶片，而高质量半绝缘SiC单晶的生长技术直到2003年才成熟起来，因此，高性能SiC光电导开关的研究也直到2003年才开始开展起来。所谓高性能光电导开关主要体现在开关超快的上升沿时间(几个ns以下)、下降沿时间、输出的电脉冲宽度、电压脉冲幅值以及电流脉冲幅值。然而，高性能开关对其参数的测量提出了很大的挑战。要准确测量像SiC光电导开关这样工作在几十个千伏电压下，电流脉冲峰值可达几千安培，而脉冲宽度仅为几十ns，甚至几个ns的电脉冲，其对测试条件的要求非常高。整个测试系统里面哪怕某个元件存在不应出现的微小的电感或电容，连接线路存在阻抗不匹配问题，或者线路接口存在接触不良，引起趴电局部击穿的现象等，都会严重影响开关输出的电信号。因此，整个系统中各个部分的分布参数都是开关测试装置的设计研究中必须重点考虑的问题。

虽然精确的测量装置是准确充分地体现SiC光电导开关性质的基础之一，但作为一种有着极大应用潜力的新型开关，人们大多把目光集中在了开关本身性质的开发研究中，而对于这种新型开关测试装置的研究很少。浏览从最初的Si光电导开关至现今的GaAs、SiC光电导开关的相关文献资料，其中对开关测试装置介绍的极少，大多只给出了测试电路示意图的简单说明。在不同的研究机构中，根据各自的知识技术背景设计和搭建满足自己测试需求的测试装置，大多数集中于探索开关的几个特定的感兴趣的参数的测量，大多在某些参数的测量上对于相应的测试组件有着充分的思考和设计，但很可能存在着对其他一些方面不够重视的情况。众所周知，一个测试系统是一个统一的整体，一个好的测试系统更是需要从整体思考设计系统的同时，去调整每个测试的细节，因此要准确地测试新型的高性能SiC光电导开关，对于测试系统的细致研究是非常必要的。然而，至今还没有关于此类开关测试装置相关的专利或标准。

发明内容

本发明的目的在于提供一种准确测量大功率光电导开关各种参数的测试装置以及利用此装置测试光电导开关的各种参数的方法。

一种大功率光电导开关测试装置，包括：

脉冲激光器，脉冲激光器产生激光脉冲；

光源引入部分，光源引入部分接收脉冲激光器产生的激光脉冲后形成光斑，光源引入部分调整光路并调控光斑的单位面积光强；光斑被光源引入部分内部设置的分光镜分为测试用光斑和参考用光斑；

光孔，光孔接收测试用光斑，并调整测试用光斑的光强；

高压测量主体电路，高压测量主体电路将待测光电导开关经测试用光斑照射后产生的电信号输出；

高压电源，高压电源施加电压于高压测量主体电路；

示波器，示波器分析和显示来自高压测量主体电路的电信号；

光电管，光电管接收参考用光斑，并将参考用光斑转化为电信号后传输至示波器。

所述光源引入部分，包括准直光栅、一组聚焦透镜、分光镜和一组用于改变光路方向的45度角反射镜，光栅、聚焦透镜、用于改变光路方向的45度角反射镜、分光镜顺次排列。激光先经过准直光栅，经聚焦透镜后再经多个用于改变光路方向的45度角反射镜到达分光镜，由分光镜分成测试光束和参考光束，参考光束进入光电管；通过这些元件可以在不同的测试环境下简洁快速地调整光路，并能通过聚集来实现对单位面积光强的调控。

所述光源引入部分，还包括扩束镜，扩束镜放置于激光器光出口与准直光栅之间；对于需要减弱光强的情况，可以通过扩束镜来实现对单位面积光强的衰减并可获得大尺寸的光斑。

所述光孔为一组具有多种形状的部件，可根据不同结构设计的光电导开关进行选择，以提供各种光电导开关所需的光强大小合适的光斑。

所述高压测量主体电路包括：开关放置基座、限流电阻、负载电阻、无感电容；开关放置基座与负载电阻串联后，两者再与无感电容并联；限流电阻与所述高压电源串联后，两者再与无感电容并联；光导电开关置于开关放置基座上接受测试用光斑的照射，当没有激光脉冲照射光导电开关时，光导电开关处于断开状态，这时高压电源输出的高压电信号经限流电阻后加在耐高压无感电容上对其充电，这时在负载电阻和光导电开关中都没有电流通过，光导电开关两端电压很大；当激光脉冲照射至光导电开关时，光导电开关处于导通状态，这时无感电容，负载电阻和光导电开关形成一个放电回路，电流流经光导电开关，使得其两端的电压变得很小。通过采集激光脉冲照射时光导电开关两端的电压信号和流经光导电开关的电流信号，并参照光电管采集的激光强度的时域信号，就可以很好的分析光导电开关的响应速度以及动态电阻等各个参数。

所述高压测量主体电路还包括：一号法兰盘、二号法兰盘、三号法兰盘、绝缘支撑杆和升降台；整个装置采用同轴设计，一号法兰盘、二号法兰盘、三号法兰盘之间顺次通过绝缘支撑杆支撑，一号法兰盘和二号法兰盘之间连有负载电阻，二号法兰盘和三号法兰盘之间连有开关放置基座，一号法兰盘和三号法兰盘之间连有无感电容；一号法兰盘顶面连有限流电阻，二号法兰盘上设有探头接口，三号法兰盘底面连有高精密电阻，高精密电阻底端连有BNC接口，开关放置基座上设有卡槽；升降台通过绝缘支撑杆支撑三号法兰盘。

所述负载电阻耐压值大于50kV，电阻值为25～100欧姆；所述无感电容耐压值大于50kV，容量为0.010～0.10μF；所述限流电阻耐压值大于50kV，电阻值为2～10兆欧姆。

所述法兰盘与绝缘支撑杆通过螺纹连接，所述升降台与绝缘支撑杆也通过螺纹连接，且所述法兰盘采用铜或铝制成，所述绝缘支撑杆采用聚四氟乙烯、玻璃纤维或尼龙制成。

所述卡槽设于聚四氟乙烯制成的开关放置基座上，可为两组相隔距离大于15mm的双弹簧压片卡槽。

所述高压电源为直流或脉冲高压源，其提供的输出电压范围为0～60kV；测定进行时，高压源输出电压大于光电导开关的最大测试电压10kV。

所述示波器带宽大于512兆赫兹，且至少具有3个以上的通道。

一种大功率光电导开关的测试方法，采用所述大功率光电导开关测试装置按以下步骤进行：

1)将高压电源的接地线连接好实验现场的地线；

2)将高压电源的正极端和接地端分别与高压测量主体电路上的相应接口连接；

3)将光电导开关两电极插入卡槽的接口；

4)连接电压和电流信号高压探头至示波器；

5)将光源引入部分置于脉冲激光器和高压测试主体电路之间，调整各个元件，使输出光斑大小合适且均匀准直；

7)调整升降台高度，使测试用光斑准确照射到光电导开关的有源区；

8)通过分光镜从光路末端分出参考用光斑至光电管，以采集激光脉冲的光强的时域信号；

9)开启示波器，调节各个设置，进行信号的采集准备；

10)开启激光器，确认光斑大小和位置正确；

11)开启高压电源，调节电压至所需测试电压；

12)对示波器采集的信号进行分析和记录。

测试前先将待测光电导开关置于卡槽中，由于光电导开关工作在高压大电流下，因此光电导开关的稳固连接非常重要。安装光电导开关时，先将光电导开关的两个电极引脚按与卡槽匹配的尺寸弯折，然后将光电导开关的两只管脚插入卡槽内，每个电极都由两个弹簧压片压紧，以保证电极和测试电路的良好接触，这种设计方便各种结构的光电导开关的接入，并且能保证在高压，大电流下稳定可靠的接触。

高压测量主体电路是本发明的核心部分，其主要特点是采用同轴设计，各个元件都分布在同轴的金属法兰盘电极间。测试中，当光电导开关处于断开状态时，高压电源提供的外界高压施加于光电导开关的两端；当激光脉冲激发光电导开关处于导通状态时，外界高压施加于负载电阻两端。因此，考虑到测试时这两种不同状态下高压的分布，本发明采用了三块导电良好的金属法兰盘，并使其保持同轴，在光电导开关导通时，高压加在一、二号法兰盘间；光电导开关断开时，高压加在二、三号法兰盘之间。在这种设计结构下，不管光电导开关处于何种状态，法兰盘之间的电场始终处于均匀场强下，避免了场强集中引起的预击穿。

光电导开关信号通过两个高压探头采集。高压探头采集光电导开关两端的实时电压信号，高压探头的接口插或者挂在二号法兰盘上专门开凿的探头接口上，然后连接至示波器；高精密电阻一端与光电导开关串联，另一端接地，高精密电阻两端的电压信号输出采用BNC接口，通过BNC接口的同轴电缆线连接至示波器，从而可以计算得到通过光电导开关的电流信号。测试中使用的示波器带宽大于512兆赫兹，以保证能采集到开关快速响应的真实信号；示波器至少具有3个以上的通道以分布采集激光脉冲光强的时域信号、光电导开关两端的电压信号以及流经光电导开关的电流信号。

本发明的有益效果是：(1)结构紧凑、测量准确；(2)应用面广，能满足硅(Si)、砷化镓(GaAs)、碳化硅(SiC)、金刚石(C)、硒化锌(ZnSe)等大多数高压光电导光电导开关测试需求；(3)升降台的设置，使得光斑能够得到精确的对准；(4)较大的法兰盘间距保证装置能在空气中承受高压，同时同轴的法兰盘间电场均匀，避免了局部场强引起的击穿，从而使整个装置具有非常好的耐高压性能。

附图说明

图1为本发明测试装置的模块图；

图2为本发明高压测量主体电路结构图；

图3为本发明高压测量主体电路原理图；

图4为本发明装置的工作流程图。

附图标记：

1：一号法兰盘

2：二号法兰盘

3：三号法兰盘

4：限流电阻

5：负载电阻

6：探头接口

7：光电导开关放置基座

8：卡槽

9：绝缘支撑杆

10：高精密电阻

11：BNC接口

12：升降台

13：无感电容

具体实施方式

以下将结合附图对本发明的测试装置及测试方法进行详细说明，本领域的技术人员应当理解在不脱离本发明的范围和精髓的前提下，本发明还可具有多种不同的形式。以下具体实施方式的提出是为了使公开更加彻底和完备，以便将本发明的范围完全传递给本领域的技术人员。

如图1所示，本发明的大功率光电导开关测试装置，包括：脉冲激光器、光源引入部分、光孔、高压测量主体电路、高压电源、光电管、示波器；根据待测试光电导开关的光电特性选择合适的脉冲激光器，脉冲激光器产生的激光脉冲由光源引入部分接收后形成光斑，光源引入部分调整光路并调控光斑的单位面积光强；光斑被光源引入部分内设置的分光镜分为测试用光斑和参考用光斑；光孔接收测试用光斑，并调整测试用光斑的光强；根据光电导开关的结构调整光源引入部分和光孔，获得合适的测试用光斑。光电管接收参考用光斑，并将参考用光斑转化为电信号后传输至示波器，作为光电导开关电信号的参考。高压测量主体电路内设有放置光电导开关的部件，该部件接受测试用光斑的照射；测试用光斑准确照射至光电导开关的有源区控制光电导开关的关断；高压电源施加电压于高压测量主体电路，高压电源和主体电路都须良好接地；示波器通过高压探头和高精密电阻采集来自高压测量主体电路的电压和电流信号，并对这些信号进行分析和显示，从而构成一套完整的测试系统。

如图2所示，高压测量主体电路包括：一号法兰盘1、二号法兰盘2、三号法兰盘3、限流电阻4、负载电阻5、探头接口6、开关放置基座7、卡槽8、绝缘支撑杆9、高精密电阻10、BNC接口11、升降台12和无感电容13；整个装置采用同轴设计，一号法兰盘1、二号法兰盘2、三号法兰盘3之间顺次通过绝缘支撑杆9支撑，一号法兰盘1和二号法兰盘2之间连有负载电阻5，二号法兰盘2和三号法兰盘3之间连有开关放置基座7，一号法兰盘1和三号法兰盘3之间连有无感电容13；一号法兰盘1顶面连有限流电阻4，二号法兰盘2上设有探头接口6，三号法兰盘3底面连有高精密电阻10，高精密电阻10底端连有BNC接口11，开关放置基座7上设有卡槽8；升降台12通过绝缘支撑杆9支撑三号法兰盘3。

负载电阻5耐压值大于50kV，电阻值为25～100欧姆；无感电容13耐压值大于50kV，容量为0.010～0.10μF；限流电阻4耐压值大于50kV，电阻值为2～10兆欧姆。

各法兰盘与绝缘支撑杆9通过螺纹连接，升降台12与绝缘支撑杆9也通过螺纹连接，且法兰盘采用铜或铝制成，绝缘支撑杆9采用聚四氟乙烯、玻璃纤维或尼龙制成。

卡槽8设于聚四氟乙烯制成的开关放置基座7上，为两组相隔距离大于15mm的双弹簧压片卡槽8。

高压电源为直流或脉冲高压源，其提供的输出电压范围为0～60kV；测定进行时，高压源输出电压大于光电导开关的最大测试电压10kV。

示波器带宽大于512兆赫兹，且具有3个通道以分布采集激光脉冲光强的时域信号、光电导开关两端的电压信号以及流经光电导开关的电流信号。

如图3所示，开关放置基座7与负载电阻5串联后，两者再与无感电容13并联；限流电阻4与高压电源串联后，两者再与无感电容13并联；光导电开关置于开关放置基座7上接受测试用光斑的照射，当没有激光脉冲照射光导电开关时，光导电开关处于断开状态，这时高压电源输出的高压电信号经限流电阻4后加在耐高压无感电容13上对其充电，这时在负载电阻5和光导电开关中都没有电流通过，光导电开关两端电压很大；当激光脉冲照射至光导电开关时，光导电开关处于导通状态，这时无感电容13，负载电阻5和光导电开关形成一个放电回路，电流流经光导电开关，使得其两端的电压变得很小。通过采集激光脉冲照射时光导电开关两端的电压信号和流经光导电开关的电流信号，并参照光电管采集的激光强度的时域信号，就可以很好的分析光导电开关的响应速度以及动态电阻等各个参数。

光电导开关信号通过高压探头采集。高压探头采集光电导开关两端的实时电压信号，高压探头的接口插或者挂在二号法兰盘2上专门开凿的探头接口6上，然后连接至示波器；高精密电阻10一端与光电导开关串联，另一端接地，高精密电阻10两端的电压信号输出采用BNC接口11，通过BNC接口11的同轴电缆线连接至示波器，从而可以计算得到通过光电导开关的电流信号。

如图4所示，本发明的测试方法按以下步骤进行：

(1)将高压电源的接地线连接好实验现场的地线，确保正确接地，以保证测试的安全；

(2)将高压电源的正极端和接地端分别与高压测量主体电路上的相应接口稳固连接，连接好电压和电流信号测试探头至示波器；

(3)将光电导开关两电极插入卡槽8的接口，确保良好接触；

(4)将光源引入部分置于脉冲激光器和高压测试主体电路之间，调整各个元件，使输出光斑大小合适且均匀准直；调整升降台12高度，使测试用光斑准确照射到光电导开关的有源区；采用分光镜从光路末端分出参考用光斑至光电管，以采集激光脉冲的光强的时域信号；

(5)开启示波器，调节各个设置，进行信号的采集准备；

(6)开启激光器，确认光斑大小和位置正确；

(7)开启高压电源，调节电压至所需测试电压；

(8)对示波器采集的信号进行分析和记录。