半导体脉冲功率开关发展综述_梁琳

eo nt i s r v ersel sw i ed di de ( R S D ) , sem i ndu et oPen i g sw it (5 0 5 ) , p ulse t yr st , pow er M O S F E T , IG B T an e y teh o eo or n eh h i or
. 2 2
2
. 2 1
半导 体脉 冲功 率开 关
反向开关晶体管
R SD 属 于类 晶 闸 管 器 件 , 其 结 构 如 图 1 所 示 R SD 可 视 为 晶 闸 管 单 元 和 晶 体 管 单 元 的 并 联 结 构 , 导 通 过 程 依 赖 于 一 短 时 反 向 电流 在 器 件 全 面
L IA N G L in , Y U Y u e 一u i h
(H ~ h口 g n
n U 动r众 o s in s y f c cc
& T chn l口 , e o 邵尸
uha n
430 74 , C i a ) 0 h n
in tr d u e e d .lt o
A b tr a e t : T h e d e ve lo p m e n t a n d a p p lie a tio n o f se m ie o n d u e to r p u ls e d p o w e r s w ite h e s in r e e n t y e a rs a r s e e
关 的参 数 和 特 性 对 脉 冲 的上 升 时 间 幅 值 关 断 时 间等 产 生 最 直接 的 影 响 传统的脉冲功率开关多 为气 体放 电器 件 , 大 多具 有 很 高 的 电流 电压 容 量 然 而 由气 体 放 电本 身 性质 决 定 , 这类 器 件 存 在 使 用 寿 命 短 工 作 频 率 难 以提 高 等 问题
图 2 R SD 工作 电路
F ig . 2 O P e r t a in g e ir u it o f t e R S D c h
于 脉冲 功 率 的常 规 电力 电子 器件
R SD 于 20 世 纪 80 年 代 由俄 罗斯 1 V G rekhow 等人提出 目前 , 他 们 研 制 的 4 时 R S D , 最 高 通 过 峰 值 电流 500 kA 脉 宽 500 林 s[l 国 内研 制 的 3 时 S R D , 单 次脉 冲 工况 下 最 高 通 过 峰 值 电流 1 3 kA 7 脉 宽 33 0
deser b ed . e eng n eer n g resea eh a nd t e p ar m et s f r t e pulse thyr st r at h oo e and a br ad ar i h T j i r h a er o h i o o e
e r p or ed .T he pu l t sed pow er assem b l ies based on t e n or al pow er el t h m ee ronie sw i tehes pow er M O S FE T an d IG B T ar e
的 R sD 和 50 5 开 关的 结构 和工 作原 理 , 报 道 了 国内外 在脉冲 晶 闸管 方面 的工 程研 究及达 到 的 参数 , 介绍 了基
于 常见 电力 电子 开关 功率 M O SF T 和 IG BT 制成 的脉冲功 率装 置 , 并简 介 了基 于 宽禁带 半导 体材料 S C 制 成 的 E I
第 46 卷第 1 期 2
20 12 年 12 月
电 力 电子 技 术
o P w er E leet n i o r es
V ol 46 , N o.12
D ee e m b e r 2 0 1 2
半导体脉冲功率开关ຫໍສະໝຸດ 展综述梁 琳 , 余岳 辉
3 4 0 74 ) (华 中科技 大学 , 光 学与 电子信 息学 院 , 湖 北 武 汉
比气 体 开 关 高几 个 数 量 级
对 预 充 回 路 开 关 要 求 会 引入 脉 冲 变 压 器 ;主 回 路 电流较 大 时 , 会 采 用 小 直 径 R s D 触 发 大 直 径 R SD 等 总 而 言 之 , 预 充 回路 的 作 用 是 为 R SD 提 供 一 脉 宽 在 0 . 一 .5 协 的反 向 触 发 电流 , 以 便 在 器 件 5 2 s 集 电结 附 近 积 累 等 离 子 体 , 为 开通 过 程 向相 应 基 区注 入 多 子做 好 准 备 预 充 阶段 在 R SD 内积 累 的 电荷 量 存 在 一 临 界 值 , 其 大 小 与器 件 结 构 及 开 通 过 程 的 电流 上 升 率 有 关 , 要 确 保 实 际预 充 电荷 量 大于 该 临 界 值 , RSD 导 通 过 程才 不会 出 现 局 部 化 , 这 是 R SD 的 应 用 要 点之 一 主回路有一 个与 R S D 配 合 应 用 的 可 饱 和 磁 开关 , 用 于 预 充 过 程 隔 离 主 回 路 电压
F J E T 器件 的高 温封 装技 术
关键 词 :半导 体 ; 开关 ; 脉冲 功率 ; 重复 频率
中图 分 类 号 : 3 N T 1 文献 标 识 码 :A 文章 编号 :100 一 o X (20 12 )1 一 4 2 一 0 lo 2 00 4 0
R e v e w o n D e v elo P m e n t o f S em ie o n d u e to r P u lsed P o w er S w itc e s i h
半 导 体 脉 冲 功 率 开 关 实质 上 是 在 脉 冲 功 率 领
域 内应 用 的 功 率半 导体 器 件 , 或 称 电力 电子 器 件 , 但 为适 应 脉 冲 功率 的 工 况 , 需满 足 高 的 电流 上 升 率 高 的 峰值 电流 高 的 断 态 重 复 峰 值 电压 等 要 求 ; 微 秒 至 纳米 窄 脉 宽 下 器 件 可 安 全 通 过 的 电流 峰值 是 需要 探 索 的 问题 ; 强 电场 极 端 条 件 下 固态
1
引
言
冲 电磁场 以作 武 器 或模 拟 试 验 模 拟 雷 击 效 应 电
磁 发 射 冷 战 结束 后 , 研 究 人 员 将 目光 转 向工 业 和 民用领域 , 例如合成 纳米 材料 处理废 气废水 电 磁成 形 超高 速打孔 粉 碎人 体结 石 产 生 N O 用 于 医疗 等 正 因 为 脉 冲 功 率 技 术 对 于 国 防 安全 和 国 民经 济 方面 的重要意义 , 这 门仍然 年轻 的学科在 国 内 外 的发展 都极 为活跃 从 197 6 年起 , 由 I E E 主 E 同 办 的 国 际 脉 冲 功 率 会 议 每 两 年 组 织 召开 一 次
基 金 项 目 : 国 家 自 然 科 学 资 金 资 助 项 目( 0 0 0 5 ) 中 央 5 9 7 2 ;
样 由 IE E E 主 办 的 功 率 调 节 器 和 高 电压 国 际 会 议 也 是每两年 召开一 次 , 该 会议更 关注 紧凑型脉 冲 功率系统 我 国 自 20 世 纪 60 年 代 开 始 , 建 成 了
摘 要 :介 绍 了近年 来 半 导体 脉冲 功率 开关 的发 展和应 用情 况 , 具体 包括 反 向开关 晶体 管 (R SD ) 半 导体 断 路 开 关 (50 5 ) 脉冲 晶 闸管 功 率 M O SFET 绝 缘栅 双极型 晶体 管 (I BT )和 SIC 一 ET G F J 描述 了 专门用 于脉 冲功 率领域
F o 助 da 廿 n o
P ro eet :Su PPor ed by N at j t ional N ar 司 Se五 enee F un dati o on of C h i a ( N o .50 90 70 25 ) ;F un dam enr n al
R esear h F und s f r t e C en飞 U n i ite (N o . 0 12Q N 15o ) c o h ra l ver i 2
比较 而 言 ,
半导体开关寿命长 ,关断速度更快 , 最高工作频率 尤其 随着 近 年 来 脉 冲 功 率 的应 用 领 域 从 军 用 向 民用 的扩 展 , 对 脉 冲 重 频 提 出 了越 来 越 高 的要 求 , 更加 凸 显 出 半 导 体 脉 冲 功 率 开 关 的优 势 例 如 , 以 lo H : 重 频 连 续 工 o 作 一 年 , 脉 冲 数 在 3x 护 l
脉冲功 率技术是指将 能量在相对较长 的时间 内储 存 起 来 , 然 后 通 过 快速 开 关 将 此 能 量 在 很 短 的时 间释 放 到 负载 上 , 产 生 高 功 率 电脉 冲 脉 冲 功 率 技 术 产 生 于 2 世 纪 3 年 代 , 1938 年 美 国 的科 0 0 学 家 第 一 次 提 出用 高 压 脉 冲 电源 放 电产 生 微 秒 级 脉 宽 的 闪光 X 射 线 196 年 , 英 国 的科 学 家 成 功 2 地 将 已有 的 M ar 发 生 器 与 传 输 线 技 术 相 结 合 , 产 x 生 了 持 续 时 间为 纳 秒 级 的大 功 率脉 冲 , 为 脉 冲 功 率 学 科 的形 成 奠 定 了基础 脉 冲 功 率 技 术 最 初 的 研 究 吸 引 力 来 自军 事 方 面 的应 用 , 例 如 产 生 强流 粒 子 束 或 闪 光 X 射 线 惯 性 约 束 聚 变 研 究 泵 浦 强 激 光 器 激 励 产 生 强脉
各 种大 型脉 冲功 率装 置 , 脉 冲 功率 学科 被 中国 电气 工 程 大 典 收 录 , 被 国 务 院 定 为 二 级 学科 中
国 核 学 会 脉 冲 功 率 技 术 及 其 应 用 分 会 己在 国 内 成 功 主 办 了两 届 全 国脉 冲 功 率 会 议 及 脉 冲 功 率技术暑期培训班 脉 冲 功 率 系 统 由储 能单 元 脉 冲 压 缩 单 元 开 关和 负载 组 成 , 其 核 心 为 储 能 器 件 和 开 关器 件 开