基于SOS的纳秒重复脉冲发生器方案优化

形成脉冲所需能量开始存储于晶闸管充电单元（Thyristor Charging Unit，TCU），脉冲及时被磁压缩器（Magnetic Compressor，MC）压缩，基于SOS的电流断路开关作为一个输出脉冲放大器在发生器输出端形成纳秒脉冲。

发生器箱内部在结构上分为两个基本单元，充满空气单元包括TCU的低压组成器件、主存储电容、测试电路、信号电路、诊断电路、控制电路，以及置于充满变压器油的容器中的高压MC和SOS二极管。箱子的前面板有一个洞，使绝缘子穿通以输出高压。TCU使用风冷或水冷，MC单元和SOS二极管使用油冷，外壳流过冷却水以移去容器中的热量。

不用气体放电开关的发生器放宽了对脉冲重复率的限制。在长时间运行模式下，重复率由发生器和主磁开关铁心的热负载限制。当发生器以短时间脉冲触发方式运行，重复率由TCU的频率性能决定，特别是晶闸管恢复时间和主存储电容的充电时间。

脉冲触发模式，发生器运行持续时间从几十秒到几分钟，频率和输出功率都比额定值高好几倍，这对于某些工业应用和在实验室条件下发展和模拟新技术是非常重要的。出于这个原因，为了更好地发挥发生器的频率性能，TCU基于需要1min能量存储时间设计，根据脉冲触发模式下绝热升温的计算结果选择发生器。改进的发生器使得脉冲重复率和输出功率提高了5～10倍，脉冲模式下持续时间30～60s。

表4-18给出了俄罗斯电物理研究所研制出的SOS发生器的特性参数。作为实例，CM-3H发生器的外观图如图4-84所示，小型的台式CM-3H发生器有完全的水冷系统，脉冲重复率为300Hz，功率高达3kW，2kHz下工作30s，输出功率高达16kW。

图4-84 CM-3H发生器的外观图

表4-18 俄罗斯SOS发生器特性参数

相比于以前的小型发生器模型，这个TCU使用了最新的聚丙烯存储电容。它运行在脉冲重复率为几千赫兹、放电时间20μs下不需要强制冷却。因此，只有充电扼流圈和晶闸管开关这两个TCU器件需要水冷却系统。

发生器的另一个特征是中间储能、预充电容、高压模块的SOS堆体结构上都包含两个独立的单元，这使得我们有两个相同脉冲能量、输出电压分别为200kV和400kV的发生器变型。在第一种模式下，中间存储单元、反向预充电容和SOS二极管为并联，SOS有两个并联支路，每个支路由3只二极管串联而成；在发生器模式下，输出电压翻倍，电流减小一半，前述单元为串联，电容值是原来的1／4，电感的匝数增加了2倍（伏秒积分和饱和状态的电感分别增加了2倍和4倍），SOS由6个SOS二极管串联而成。脉冲压缩模式下的时间特性仍然没有改变。图4-85a所示为一个典型的通过SOS二极管断路开关的电流波形，电流关断时间为4ns，图4-85b为输出电压波形。

具有更高输出功率的C-5H发生器已被研发，输出电压为1MV，在连续运行模式下平均功率为30kW。它与小型发生器的设计类似：装有高压磁压缩器和SOS的充满变压器油的容器置于箱内，TCU置于箱内充满空气的部分。TCU的半导体器件、电感线圈、装满油的容器均是用流水冷却。

图4-85 CM-3H发生器中SOS的反向电流和输出电压示波图

a）CM-3H发生器中断路开关SOS二极管的反向电流示波图

b）电阻负载为200Ω时发生器的输出电压示波图 注：水平方向10ns／格。

TCU初级储能130J，充电时间为300μs，晶闸管开通后，脉冲在一个低压水平进行初级压缩。通过脉冲变压器传输到容器的能量为36μs，电压达到124kV。正向预充磁开关的电压在约5μs时间内上升到240kV。预充电容通过自耦变压器在700ns时间内充电到450kV。进一步的电压倍增发生在SOS关断电流时。

KBИ高压陶瓷电容用于储能，铁心由50HП坡莫合金制成，用作磁元件。设备运行的脉冲重复率为500Hz，平均输出功率为30kW。

SOS包含80个二极管：8个并联支路，每个支路由10只二极管串联，工作电压120kV。SOS二极管冷却器的表面在变压器油中可移去16kW的功率。在脉冲重复率为1kHz下，最大关断电流和传输到负载的功率分别为8kA和60kW。SOS堆体重20kg。

因为SOS二极管内电流关断过程与结构中的过剩电子-空穴等离子体动力学有关，所以决定着过剩载流子的浓度分布的预充条件对SOS二极管的关断特性也有影响。下面列出反向预充时间为10～40ns、反向电流密度上升率为10¹¹A／（cm²·s）数量级条件下SOS关断特性的研究结果。(www.xing528.com)

图4-86 SOS泵浦电路原理图和电流示波图

a）二极管泵浦电路实验原理图

b）通过SOS₂的总电流示波图

注：垂直方向235A／格，水平方向5ns／格

图4-86a为实验电路，包括充电发生器和SOS的预充回路。CM-2H发生器作为充电单元，可获得电压为100～140kV，电流为200～400A，持续时间为30～40ns，重复率高达5kHz的脉冲。所研究SOS的预充回路包括存储电容C、磁开关MS、存储电感L和负载电阻R₁。

电路有以下的特性和参数范围：C为一套低电感陶瓷电容器，总电容为40～100pF；L由高压导线绕制而成，电感值为100～400nH；MS为磁开关，包括一个作为同轴套的单线圈和一个铁氧体环形磁心；SOS₂是所研发的SOS，长55mm，包括76个P^＋-P-N-N^＋结构串联，面积为0.75cm2，焊接到铜散热器上；R1为TBO-2碳电阻，阻值0.2～2kΩ，功率为20W。所有的电路元器件置于一充满变压器油的金属箱内，流过SOS₂和负载R₁的电流均由正常上升时间不超过500ps的低电感欧姆分流器和通频带为500MHz的TDS520A示波器记录。

电路按以下方式运行：当正向预充电流流过充电发生器的SOS₁，一部分电流分流流过磁开关MS，根据所需方向使铁心磁化反向。充电发生器运行时，一个反向脉冲使电容C在25～40ns内充电到30～60kV。在这个过程中，幅值为100～400A的电流流过SOS₂，并对其正向预充。当铁心MS饱和后，电容C通过SOS₂放电，并把能量传给L。这样通过选取L和C的参数就可以控制注入SOS₂二极管的反向电流上升率和流过的时间。SOS₂关断此电流导致电流转换到负载，并在R₁上形成一个短高压脉冲。

图4-86b为SOS二极管的电流波形图。正向预充电流（反向半波）为350A，持续25ns，反向预充电流达到750A（3kA／cm²），时间为12ns。图4-87为电流关断时间t₀与反向预充时间t_p的函数关系，t₀为测量电流在0.1～0.9倍幅值之间的时间，t_p为测量二极管电流过零线和电流开始关断之间的时间。图4-86表明，t_p的减小导致t₀的减小，t_p为9～15ns时，t₀为500～700ps，并受所使用示波器的传输特性的限制。图4-88a为一个亚纳秒阶段750A电流的波形图（关断时间为600ps），图4-88b为290Ω负载上的电压脉冲波形。

图4-87 电流关断时间t₀和反向泵浦时间t_p的关系

图4-88 亚纳秒电流关断和负载上的电压脉冲波形

a）亚纳秒电流关断阶段（垂直方向235A／格，水平方向500ps／格） b）负载为290Ω时的电压脉冲（垂直方向30kV／格，水平方向1ns／格）

实验参数值如下：关断电流为0.5～1kA，关断时间为500～700ps，负载电阻为0.2～2kΩ，负载R₁上的输出脉冲高度为60～150kV，脉冲上升时间约为1ns，半高脉宽为2～4ns。电路运行的特点是具有极高稳定性的输出脉冲参数，这是因为没有使用气体放电开关。图4-88a和图4-88b的波形是在存储模式下获得的，分别重叠了334和192个脉冲的波形图。

实验结果表明，SOS二极管实质上是等离子体充满的二极管，相比其他等离子体断路开关的内在特性，它改进了电流关断特性并增加断路开关的电流注入率。反向电流注入时间从80～100ns减小到10～15ns使得电流关断时间从5～10ns减小到500～700ps。因此，充电发生器的输入脉冲持续时间减小到1／8～1／15。

所达到的电流关断时间证实了前述的结论，电流关断过程发生在结构中宽度为几十微米的狭窄区域，并不需要从二极管基区移走全部的过剩等离子体。例如，t₀＝500ps，假设在电流关断阶段，电场区域延伸使得硅中载流子最大速率达到饱和速率（～10⁷cm／s），这个区域的宽度将达到50μm。建立亚纳秒电流关断现象的更精确描述需要进一步研究。

实验表明有一种简单技术可产生幅值为几百千伏的大电流脉冲，持续时间为1～3ns。此技术使用两个串联的脉冲锐化单元，各包含一个SOS二极管。第一个阶段形成的持续时间为几十纳秒的脉冲对第二阶段的SOS二极管进行预充。当电流被第二阶段SOS二极管关断后，负载上形成持续时间为几纳秒的脉冲。

SOS二极管的亚纳秒关断特性，例如电压幅值（150kV）、关断电流（1kA）、电流关断时间（500ps）、电流关断密度上升率（6×10¹²A／（cm²·s））、负载电压上升率（10¹⁴V／s）都由实验获得，是半导体器件的创纪录值，相应于高压气体火花隙的类似参数。