探析新型半导体脉冲功率器件的应用与优势

随着现代电力半导体器件技术的不断完善，脉冲功率开关已逐渐半导体化。但是常见的半导体开关按其工作原理的不同，只在功率或频率其中一方面见长，如电流控制型的晶闸管、GTO的功率处理能力很强而频率较低，电压控制型的功率MOSFET、SITH开关速度很快而通流能力较低，即使作为混合型器件的IG-BT，与能通过几百千安大电流的脉冲功率应用的需求相比，其功率容量仍显得有限，图4-1表示了这种关系。所以，在这些半导体开关中，还找不到一种可同时满足几十千伏高电压、几百千安大电流、10¹⁰～10¹¹A／s电流上升率的兼顾功率与频率的理想器件。此外，由于上述都为三端器件，串并联组成堆体时触发电路复杂，同步开通问题难以解决。

图4-1 不同半导体器件功率与频率的关系(www.xing528.com)

20世纪80～90年代，俄罗斯科学家进行了艰巨的研究工作，创立了几种新型电力半导体器件，专门用于脉冲功率领域，它们在快速性和换流功率方面的特性都是独一无二的。漂移阶跃恢复二极管（Drift Step Recovery Diode，DSRD）、半导体断路开关（Semiconductor Opening Switch，SOS）和反向开关晶体管（Reversely Switched Dynistor，RSD）都是借助可控等离子层换流原理建立的，且同为二端器件，易组成堆体，触发电路相对简单，易于同步导通。其中前两种为断路开关，对应电感储能方式，开关时间在纳秒范围；后一种为闭合开关，对应电容储能方式，开关时间在微秒范围。

除上述3种专门应用于脉冲功率领域的新型固态开关外，还有一种基于半导体光电导效应和超短激光脉冲技术而研制的一种具有皮秒甚至飞秒量级响应速度的新型超高速光电开关器件，称为光电导开关（PhotoConductive Semiconductor Switch，PCSS）。它具有开关速度快、触发无晃动、寄生电感电容小、重复频率高、光隔离好、不受电磁干扰和结构简单紧凑等优点。PCSS在超短脉冲发生器、超高速超高功率脉冲产生、超快光电采样、光控毫米波和超高功率微波产生等领域得到广泛的运用。国内研制的PCSS已达到如下性能：耐压强度为35kV／cm，最高偏置电压为8000V，最大输出峰值电流为560A，最短电脉冲宽度为200ps。目前非线性大功率PCSS走向实用化的最大障碍是其输出电脉冲的稳定性和开关寿命。