《脈沖功率技術(shù)》結(jié)業(yè)報告

1、20132014學(xué)年度碩士研究生課程脈沖功率技術(shù)結(jié)業(yè)報告題目名稱半導(dǎo)體脈沖功率開關(guān)發(fā)展研究目錄1引言12 脈沖功率開關(guān)的發(fā)展22.1 傳統(tǒng)開關(guān)22.2 半導(dǎo)體開關(guān)22.3反向開關(guān)晶體管22.4 新型半導(dǎo)體開關(guān)22.5半導(dǎo)體斷路開關(guān)32.6脈沖晶閘管32.7功率場效應(yīng)晶體管32.8絕緣柵雙極晶體管33 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀及存在的問題43.1 存在的問題43.1.1提高耐受電壓等級43.1.2輸出快脈沖43.1.3提高脈沖電流峰值43.2關(guān)鍵技術(shù)43.2.1電壓提升技術(shù)43.2.2磁脈沖壓縮技術(shù)54總結(jié)與展望65參考文獻(xiàn)6半導(dǎo)體脈沖功率開關(guān)發(fā)展研究1引言脈沖功率技術(shù)是把相對長時間內(nèi)存儲的具有較高密度的

2、能量，以單次脈沖或重復(fù)頻率的短脈沖方式釋放到負(fù)載上的電物理技術(shù)。在空間上壓縮能量可以增加能量密度，在時間上壓縮能量可以提高輸出功率。隨著對脈沖功率技術(shù)研究的不斷深入，脈沖功率技術(shù)被越來越多地應(yīng)用到工業(yè)及民用領(lǐng)域。例如在環(huán)境工程領(lǐng)域，已有的應(yīng)用技術(shù)有脈沖電暈等離子體法凈化廢氣技術(shù)、脈沖靜電除塵、高壓脈沖放電廢水處理、臭氧的制取等；在生物醫(yī)療領(lǐng)域，已有的應(yīng)用技術(shù)有體外沖擊波碎石技術(shù)、產(chǎn)生脈沖電磁場研究對生物培養(yǎng)基的影響；其它領(lǐng)域還有礦井物探，和水下目標(biāo)探、對巖石鉆孔、高速x射線水下攝影、工業(yè)輻射源、快速加熱淬火等。一般的脈沖功率系統(tǒng)由以下幾個部分組成，如圖1-1所示。電源能量儲存單元負(fù)載脈沖形成回

3、路開關(guān)圖1-1 脈沖功率系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖其中，開關(guān)元件是脈沖功率系統(tǒng)的核心元件之一，特別對重復(fù)頻率脈沖功率系統(tǒng)，大功率高速開關(guān)的性能優(yōu)劣直接制約其發(fā)展的主要的瓶頸，因此開關(guān)技術(shù)的發(fā)展對于高功率脈沖技術(shù)來說至關(guān)重要。對于脈沖功率裝置來說，高壓脈沖功率技術(shù)中的開關(guān)具有如下特點(diǎn)：(1)電流非常大，可達(dá)幾十千安、幾百千安幾兆安或更大；(2)要求開關(guān)的閉合和斷開的時間極短，在毫微秒量級；(3)開關(guān)動作頻繁，要求能連續(xù)工作，特別是在重復(fù)頻率下運(yùn)行時；(4)高電壓下運(yùn)行，電壓等級從幾千伏到數(shù)百千伏。(5)結(jié)構(gòu)緊湊，體積小重量輕，便于維修?；谝陨弦?，特別是隨著高重復(fù)頻率，長壽命的脈沖功率源的研究，以往的大功率快

4、速換流開關(guān)都是通過用氣體放電器件來實(shí)現(xiàn)，由于此類器件存在原理上的缺陷，并且在很大程度上遇到了技術(shù)的瓶頸，無法很好的滿足對開關(guān)器件的要求，這也是由于氣體放電的性質(zhì)本身所決定的。電力電子技術(shù)及半導(dǎo)體工業(yè)的持續(xù)發(fā)展，使得半導(dǎo)體固體開關(guān)的耐壓等級和通流能力獲得了極大的提高，使其有可能應(yīng)用到高壓脈沖功率技術(shù)中。而如加速器、雷達(dá)發(fā)射機(jī)、高功率微波和污染控制等領(lǐng)域的高壓脈沖功率技術(shù)對高重復(fù)頻率固體開關(guān)的應(yīng)用需求。也促使人們對半導(dǎo)體開關(guān)技術(shù)在脈沖功率領(lǐng)域中的應(yīng)用進(jìn)行了大量的研究。2 脈沖功率開關(guān)的發(fā)展2.1 傳統(tǒng)開關(guān)在脈沖功率系統(tǒng)中，傳統(tǒng)的開關(guān)有引燃管、火花間隙開關(guān)、閘流管、真空管和爆炸式開關(guān)。其中火花間隙開

5、關(guān)在脈沖功率技術(shù)中應(yīng)用很廣泛，其特點(diǎn)是速度快、可開關(guān)高電壓大電流，但其壽命短，在低重復(fù)頻率下只能工作半個小時，而且在重復(fù)工作時冷卻問題也很難解決；引燃管的開關(guān)速度太慢，而且使用壽命也短；氫閘管的開關(guān)速度足夠快，但要實(shí)現(xiàn)開關(guān)高電壓大電流，需要很多個氫閘管串并聯(lián)，成本很高，同時也需要很復(fù)雜的冷卻系統(tǒng)。此外還有真空開關(guān)和爆炸式開關(guān)。2.2 半導(dǎo)體開關(guān)上面介紹的這些傳統(tǒng)開關(guān)在脈沖功率系統(tǒng)中的應(yīng)用十分廣泛，而且在技術(shù)也已很成熟，同時它們都能滿足大功率的要求。但是，它們也有很多難以克服的缺點(diǎn)。首先，工作壽命短，特別是爆炸式開關(guān)，一般只能使用幾次，在工業(yè)中應(yīng)用 成本太高，維修復(fù)雜，效率低。另外，這些開關(guān)的體

6、積都比較龐大，難于適應(yīng)現(xiàn)代工業(yè)中設(shè)備小型化的要求，雖然很多人都在致力于將他們小型化，但還不夠理想。最后，這些開關(guān)工作時同步性差，不穩(wěn)定，易受外部因素干擾。因此，人們將目光投向了另一類開關(guān)半導(dǎo)體開關(guān)。半導(dǎo)體開關(guān)具有體積小，壽命長，工作穩(wěn)定等突出的優(yōu)點(diǎn)，呈現(xiàn)出全面取代傳統(tǒng)開關(guān)的趨勢 而且對半導(dǎo)體開關(guān)的研究各國都表現(xiàn)出前所未有的熱情，各種新原理、新結(jié)構(gòu)不斷被提出來，從最早的晶閘管到后來的GTO、IGBT和功率MOSFET現(xiàn)在的半導(dǎo)體開關(guān)已發(fā)展成一個門類眾多的大家族，且目前的發(fā)展趨勢是大功率、快速化和模塊化。一般地，這些半導(dǎo)體開關(guān)器件都是三端器件，工作時需要用復(fù)雜的電路給觸發(fā)極提供觸發(fā)信號。當(dāng)很多器件

7、串并聯(lián)時，觸發(fā)電路將變得非常復(fù)雜，增加設(shè)備成本，也給使用和維護(hù)帶來困難；而且，如何保證這些器件在觸發(fā)時的同步，也是一個復(fù)雜的問題。2.3反向開關(guān)晶體管RSD屬于類晶閘管器件。導(dǎo)通過程依賴于一短時反向電流在器件全面建立的一層可控等離子體層，所以RSD曾一度被翻譯為/反向?qū)p晶復(fù)合管。可控等離子體層建立的過程稱為預(yù)充。因?yàn)轭A(yù)充在芯片全面積同時發(fā)生。不存在如普通晶閘管在門極附近先開通! 再擴(kuò)散到全面積的慢過程，故RSD可承受高di/ dt (理論為10，同時具有良好串聯(lián)同步特性。以上為RSD作為脈沖功率開關(guān)的最大優(yōu)勢。2.4 新型半導(dǎo)體開關(guān)前面所講的半導(dǎo)體開關(guān)器件，相繼被用在大功率脈沖和高頻技術(shù)中

8、，表現(xiàn)出全面取代傳統(tǒng)開關(guān)的勢頭，但在應(yīng)用中也發(fā)現(xiàn)了一些問題。首先，對于半導(dǎo)體開關(guān)器件，所能承受的電流容量受導(dǎo)電區(qū)中電流流通面積限制，大功率的現(xiàn)代半導(dǎo)體開關(guān) 雙極晶體管和晶閘管類開關(guān) 在開通過程中都會出現(xiàn)導(dǎo)電區(qū)域局部化的現(xiàn)象，使得器件不可能建立大面積的導(dǎo)流通道，器件所能承受的電流容量有限，這一缺陷是原理性的。另外，晶閘管型器件的極限工作頻率受限于關(guān)斷過程和半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)中的損耗。在普通晶閘管中，開關(guān)損耗是主要的，它將器件的極限工作頻率限制在10 15kHz。最后，這些器件都是三端器件，將多個器件串并聯(lián)構(gòu)成組合器件時，觸發(fā)電路復(fù)雜，而且開通的同步性也難以保障。針對這些問題，上世紀(jì)80年代，前蘇聯(lián)阿法約

9、物理科學(xué)研究院的格列霍夫等人提出了兩種新的開關(guān)工作原理，一種是借助可控等離子層開通；另一種是借助于延遲沖擊電離波開通。依據(jù)這些新工作原理開發(fā)了一系列的新型器件，而且都是兩端器件。2.5半導(dǎo)體斷路開關(guān)1991 年，俄羅斯電物理所的 S.K.Lyubutin 等人在用 SDL 高壓二極管作整流實(shí)驗(yàn)時發(fā)現(xiàn)，使一定持續(xù)時間的正向電流及一定持續(xù)時間的反向電流（電流密度高達(dá)幾十 kA/cm2，電流通過時間為幾百個納秒）依次通過整流二極管，反向電流的衰減時間降到了幾十個納秒。這種大電流密度在納秒級時間被截?cái)嗟默F(xiàn)象稱之為 SOS效應(yīng)。因此隨后的工作致力于研制一種特殊的二極管，它并不是作為一種整流器，而是作為一

10、種快速截?cái)喾聪螂娏鞯难b置。也就是說這種 SOS 二極管代表著一種新型的全固態(tài)的大電流密度納秒級斷路開關(guān)由于這種新型的二極管能夠提供更具價值的截?cái)嚯娏饕约敖財(cái)鄷r間，其能量轉(zhuǎn)換效率也比 SDL 二極管有很大的提高。因此，SOS 二極管被廣泛用來提高脈沖功率裝置的能量轉(zhuǎn)換效率、脈沖重復(fù)頻率以及其使用壽命。2.6脈沖晶閘管脈沖晶閘管也叫做放電管，應(yīng)用于由它迅速導(dǎo)通放電而產(chǎn)生的脈沖電路中，脈沖可以是獨(dú)立的，也可以是連續(xù)的，與其他晶閘管相比，它在開通過程中可以產(chǎn)生很高電流上升率的大電流脈沖，而動態(tài)壓降又很低，1千伏左右的器件由于其晶片薄，關(guān)斷時間又可做得很短，因此可工作在較高頻率下，相反高壓器件工作頻率較

11、低。由于晶閘管芯片可以做得很大，能通過數(shù)萬安培的脈沖電流，而電壓又可以做到數(shù)千伏，因此可以產(chǎn)生超強(qiáng)功率的脈沖電流，從而提高了整機(jī)的可靠性與壽命，可以替代閘流管與引燃管。對其他小電流器件，也有在點(diǎn)火。雷達(dá)。中小功率激光等電路中。2.7功率場效應(yīng)晶體管作為壓控型多子器件，MOSFET在所有電力電子器件中的開關(guān)速度是最快的，Si基功率MOSFET的開關(guān)頻率很容易做到100kHz以上。該特點(diǎn)決定了它更適用于重頻較高的脈沖功率應(yīng)用場合，例如廢氣廢水處理、高功率脈沖激光器、粒子加速器等。有報道將功率MOSFET用于Marx發(fā)生器，充電電壓900V，16個功率MOSFET同時在負(fù)載上產(chǎn)生15kV脈沖電壓，重

12、頻200Hz。最近，脈沖功率領(lǐng)域內(nèi)對LTD概念進(jìn)行了特別多的研究工作，LTD實(shí)質(zhì)上是將高功率脈沖分擔(dān)為多個低功率脈沖的同步疊加，這有助于器件負(fù)擔(dān)的分散化。大型LTD針對兆瓦至太瓦功率等級開發(fā)，開關(guān)基本限于氣體開關(guān)火花隙 2.8絕緣柵雙極晶體管IGBT屬于混合型電力電子器件，結(jié)構(gòu)上等效于一個功率MOSFET控制的厚基區(qū)PNP晶體管，所以有單極型和雙極型器件兩者的優(yōu)點(diǎn)。這項(xiàng)優(yōu)勢在脈沖功率領(lǐng)域有同樣的體現(xiàn):晶閘管有高阻斷電壓和大電流容量，但上升時間慢；功率MOSFET開關(guān)速度快，但功率容量?。籌GBT則可兼顧高功率等級和高工作頻率。據(jù)報道，將3個15kV IGBT模塊串聯(lián)可得到50kv脈沖電壓，單次

13、脈沖工況下電流不超過500A。在6.5kV，3.3kV和1.7kV電壓等級的IGBT中選擇1.7kV，由15個串聯(lián)組成一個模塊。最外層為IGBT器件，內(nèi)層為驅(qū)動及保護(hù)電路，其中心為鐵心。該裝置可構(gòu)建Marx發(fā)生器，在超寬帶領(lǐng)域應(yīng)用。3 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀及存在的問題3.1 存在的問題3.1.1提高耐受電壓等級晶閘管類型的開關(guān)，最高正向阻斷電壓為6kV，GTO、IGBT和MOSFET的額定電壓水平更低，要想開斷脈沖功率系統(tǒng)幾十千伏甚至幾百千伏的高壓，單個器件顯然不能勝任，必須考慮升壓技術(shù)。3.1.2輸出快脈沖常規(guī)大功率半導(dǎo)體開關(guān)中的IGBT和MOSFET，在不超出額定電壓、電流的工作范圍內(nèi)，單個器件

14、能達(dá)到百納秒以內(nèi)的開通和關(guān)斷速度。但是如果應(yīng)用在脈沖功率系統(tǒng)中，必然是很多個器件的串并聯(lián)使用，這會導(dǎo)致系統(tǒng)體積增大，回路雜散電感和分布電容增加。雜散電感會嚴(yán)重影響負(fù)載上的脈沖電壓和電流的上升率；分布電容與雜散電感一起，不僅會引發(fā)脈沖前沿振蕩，還會減慢脈沖電壓的下降沿。此外，多個半導(dǎo)體開關(guān)開通和關(guān)斷的不同步性，也會減慢脈沖上升沿和下降沿。所以，基于常規(guī)半導(dǎo)體開關(guān)的脈沖功率系統(tǒng)，隨著輸出功率的增大、開關(guān)數(shù)量的增加，開關(guān)的整體性能呈下降趨勢，有必要增加額外的脈沖陡化和壓縮電路，以獲得較理想的脈沖輸出波形。3.1.3提高脈沖電流峰值IGBT、BJT、MOSFET和SITh等器件的額定電流都在數(shù)百安培量

15、級，即使對于短脈沖情況，這些開關(guān)可以通過的瞬時峰值電流也在千安培。要想在高功率微波和大面積等離子體放電等要求大電流脈沖放電的場合應(yīng)用以上器件，開關(guān)的并聯(lián)技術(shù)就顯得非常重要。然而，大功率半導(dǎo)體開關(guān)并聯(lián)面臨的問題是脈沖情況下各個器件電流分配不均和由此導(dǎo)致的熱擊穿，這會降低系統(tǒng)的可靠性。SCR、GTO和IGCT等晶閘管類型的開關(guān)具有較強(qiáng)的通流能力，最大額定電流已經(jīng)達(dá)到3kA以上，非重復(fù)浪涌電流則高達(dá)20kA左右。不過，這些開關(guān)主要應(yīng)用于電力系統(tǒng)、高功率逆變器和機(jī)車牽引等中低頻領(lǐng)域，是為長脈沖(通常大于1ms)的工作狀況而設(shè)計(jì)。它們被認(rèn)為不適合于脈沖功率應(yīng)用，不能直接在脈沖功率系統(tǒng)中作為主放電開關(guān)。生

16、產(chǎn)廠家所給出的參數(shù)范圍也主要針對寬脈沖甚至工頻條件，對大功率脈沖條件下（微秒脈寬以下）半導(dǎo)體開關(guān)應(yīng)用特性幾乎沒有涉及。如果通過晶閘管的電流上升率超過某個臨界值，那么器件將會遭到永久性的損壞。3.2關(guān)鍵技術(shù)3.2.1電壓提升技術(shù)（1）串聯(lián)開關(guān)技術(shù)為了產(chǎn)生高壓脈沖，最直接的辦法就是把多個半導(dǎo)體開關(guān)串聯(lián)使用，以隔離直流高壓電源和負(fù)載?；镜碾娐吠?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖3-1所示。這種結(jié)構(gòu)簡單，但是可實(shí)現(xiàn)性不高，如果某幾個開關(guān)開通過快或關(guān)斷過慢，剩余的開關(guān)會承受超過器件額定值的高壓，有連鎖擊穿的危險。圖3-1 串聯(lián)開關(guān)技術(shù)的電路拓?fù)錇榱丝朔@個問題，不僅需要選擇開關(guān)特性盡量一致的半導(dǎo)體器件，還必須對各個開關(guān)的門極

17、驅(qū)動信號進(jìn)行檢測和反饋控制，以達(dá)到動態(tài)均壓效果。（2）脈沖變壓器技術(shù)為了避免使用高壓固態(tài)開關(guān)，可以使用脈沖變壓器進(jìn)行升壓變換。原邊電壓控制在半導(dǎo)體開關(guān)的額定電壓以內(nèi)(lkV到6kV)。如圖3.2所示。圖3-2脈沖變壓器技術(shù)的電路拓?fù)洌?）感應(yīng)電壓疊加技術(shù)使用一個脈沖變壓器輸出高電壓時，其原邊并聯(lián)的半導(dǎo)體開關(guān)會存在電流分配不均的可能，而采用變壓器級聯(lián)結(jié)構(gòu)可以從根本上避免這個問題，圖3-3 感應(yīng)電壓疊加技術(shù)的電路拓?fù)?.2.2磁脈沖壓縮技術(shù)當(dāng)常規(guī)的大功率半導(dǎo)體開關(guān)應(yīng)用在高壓脈沖功率系統(tǒng)中時，往往需要數(shù)十個甚至數(shù)百個開關(guān)串聯(lián)或者并聯(lián)使用。數(shù)量的增加不僅意味著體積的增大、雜散電感和分布電容的增加，還導(dǎo)

18、致半導(dǎo)體器件開關(guān)動作的一致性降低、時問分散性增加，這些因素疊加在一起，抑制了輸出脈沖波形的上升沿，通常都在us量級。為此，研究人員提出了磁脈沖壓縮技術(shù)，使基于大功率半導(dǎo)體開關(guān)構(gòu)建的脈沖功率源輸出的慢脈沖，經(jīng)過一級或多級磁開關(guān)(MagneticSwitch)的壓縮作用后，變成寬度很窄、上升沿很陡的高壓脈沖。磁脈沖壓縮把半導(dǎo)體開關(guān)良好的可控性與磁開關(guān)的快速開通特性巧妙結(jié)合在一起，所構(gòu)成的全固態(tài)高壓納秒脈沖電源不僅在理論上具有納秒級的快脈沖輸出能力，而且可靠性高，基本免于維護(hù)，壽命長。由于磁開關(guān)是利用電感飽和來實(shí)現(xiàn)工作狀態(tài)的轉(zhuǎn)換，沒有消電離問題，也沒有電極燒蝕問題，因此在要求高重復(fù)頻率運(yùn)行和長壽命開關(guān)應(yīng)用場合，具有很大優(yōu)勢。4總結(jié)與展望本文主要是簡單地介紹了脈沖功率技術(shù)中多種常用的半導(dǎo)體開關(guān)的相關(guān)特性與原理，從概念上對脈沖功率技術(shù)中的開關(guān)器件有大致的了解，并提出了兩種新型的半導(dǎo)體開關(guān)SOS和RSD開關(guān)，從三端器件過渡到兩端器件，取得了很大的成功，在一定程度上提高了脈沖功率開關(guān)的性能，基本滿足了對重復(fù)頻率的高速開關(guān)的要求。作為當(dāng)代高新技術(shù)研究的重要技術(shù)基礎(chǔ)之一，脈沖功率技術(shù)中開關(guān)技術(shù)的發(fā)