脉冲功率发生器的特点和应用领域

据报道，NGK Insulator.Ltd最新研制出一种SITH器件，它的特点是大功率、高速并且寿命长，电流从SITH栅极抽出时的速度可以很快。可以用这种SITH来开发一种主要应用在汽车上的特别紧凑的脉冲功率发生器，如图3-159所示。下面就SITH在功率脉冲发生器中的应用做简单介绍。

图3-159 脉冲功率发生器电路示意图

这是一个电感储能电路（Induction Energy Storage circuit，IES），是由两级电感储能组成的。第一级由FET₁控制，当它闭合时，能量储存在电感L₁，断开时L₁反向给C₂充电。第二级由FET₂控制，当C₂到达最大电压时，FET₂关断，因为VD₁的作用，能量不能从C₂返回C₁，从而使能量从C₂转移到L₂。当L₂存储的能量达到最大值，FET₂打开，迫使L₂的电流从SITH的栅极和VD₂流出，使SITH的载流子迅速抽出导致沟道耗尽进而使电流截止。虽然开关是由FET₁、FET₂控制的，但是SITH在开关和保持输出电压上的作用显得更重要。并且，L₂还是一个变压器。它的迅速关断使一次绕组产生了一个很短电流，从而在二次绕组上产生大的电压。

典型的波形如图3-160～图3-162所示。12V直流电压先对C₁充电，C₁容量必须足够大才能保证实验中的电压恒定。在FET₁的导通时间内，L₁的电流上升到30A，当FET₁关断，L₁电感储能转移到C₂，导致C₂电压达到200V。当FET₂导通，L₂的电流上升并且达到150A。最后，SITH的导通导致它上面的电压达到3kV。

图3-160 L₁的电流和C₂的电压波形

图3-161 L₂电流和输出电压波形

有研究表明，这种脉冲产生器能产生高达15kV的高脉冲电压和约200ns的脉冲宽度。对1kΩ的负载电阻，在一定条件下重复频率最高能达到50kHz。如果用12V（车用蓄电池）驱动，通过一个限幅器，重复频率可以达到2kHz，效率可以达到约40％

IES电路是专门为脉冲功率应用而研制的，它能使SITH关断时产生高上升率的电压脉冲，du／dt是采用开关电路技术的常规换流器的几十倍。并且，采用SITH的IES具有很可观的优点，如开通时的栅电压驱动能力、关断时的栅电流驱动能力、低的脉冲损耗、高的正向阻断电压等。IES的等效电路及SITH的工作模型如图3-163所示。

图3-162 C₂电压和L₂电流波形

(www.xing528.com)

图3-163 IES电路工作示意图

a）SITH中从导通到关断载流子行为示意图 b）从导通到关断的波形示意图 c）基本IES电路图

开始，SITH的阳极加正电位，当栅压为正电位时SITH开通，不需要特别的栅极驱动电路。一旦FET₁导通，对于常开型SITH，沟道的栅压降低，从阳极注入的空穴和从阴极注入的电子向相反的方向运动，主电流上升率与电路电感L₀成反比，与电压U_E成正比，即

dI_a／dt∝U_E／L₀

从上式可知导通电流是线性上升的，直到达到峰值I_a。随后关断FET₁，主电流马上改从栅极流出（原来是从阴极流出）。衬底的空穴被抽出，此时主栅压U_a迅速上升，然而电子在衬底还保持耗尽层外靠近阳极的地方，关断电流流经二极管和L₀，由于二极管的反向恢复和LRC共振，栅电流方向改变，这时，栅电流从栅极向阳极流出。

在IES电路，LC电路决定了脉冲的性能。脉冲宽度（pw）有如下规则：

pw≈π（L₀C_d）^1／2

应用埋栅型SITH的IES电路典型特性如图3-164所示。L₀约为2.2μH。FET₁和二极管都是耐压几百伏的器件。U_E为150V，峰值电流I_a为250A，电流宽度（t_w）大约为3500ns。所产生的脉冲具有如下特性：峰值电压为3.4kV，脉冲半宽为140ns。峰值电压上升率为55kV／μs。U_E越大，I_a越大，输出的脉冲峰值电压U_a和du／dt就越大。

图3-164 应用埋栅型SITH的IES电路典型特性

SITH也可以应用在加速器领域和高频电感储能功率调节方面，以及作为高功率开关用在速调管脉冲调制器上。SITH是理想的高功率固态半导体开关器件，应用在回旋加速器的冲击磁铁（Kicker Magnet），电流上升率可以达到100kA／μs，用它做脉冲形成线，有实验证明可以达到20kV／120ns。

SITH还应用在放电光源。用高压SITH作为主要开关器件做成的重复脉冲功率调制器已经被设计和建立。放电光源的调制器的主要组成是一个20级的脉冲形成网络（PFN）、一个磁开关的恢复电路和堆体半导体开关。堆体半导体开关是由3个高压SITH连在一起组成的。电感储能的栅极驱动可以获得高的di／dt，在短的上升时间内提供大的栅电流。SITH的特点是它具有非常低的导通压降，从而能量损失可以很少。当PFN加压到9kV，电流上升时间只有203ns，效率达到91％。