图1 典型功率半导体单开关峰值功率与导通速度
Fig.1 Peak power and turn-on speed of a typical power semiconductor switch
摘要 为提升功率半导体开关器件的峰值功率及开通速度，将晶闸管与光导开关（PCSS）的优势进行结合，设计了一种高压光控脉冲晶闸管器件，实验及分析中发现光生载流子横向扩展速度较慢，易诱发电流集中效应，从而导致器件失效，开关的导通速度也难以进一步提升。在此基础上继续进行改进，提出大面积分散的阵列式门极结构，并采用激光二极管阵列、大电流脉冲强驱动等技术，大幅度提升了注入功率与均匀性。为了与阵列式门极图形匹配，设计了5×3阵列光源，使驱动的光功率峰值达到1 200 W，波长为905 nm。基于传统硅基μm级工艺平台，流片了23 mm开关芯片，完成了激光二极管阵列与开关的一体化封装。开关实现了工作电压8.5 kV、输出电流6 kA、开通峰值功率50 MW的工作特性，测试di/dt达到55 kA/μs，验证了该文设计的具有高工作电压、高隔离电压、快导通速度特性的新型光控脉冲晶闸管的有效性和可行性。此外，该文探讨了光控脉冲晶闸管结构提升脉冲性能的两种技术路径分别是提升驱动注入的峰值功率和均匀性。采用光控阵列式驱动和阵列式门极的技术路线，可有效地解决电控晶闸管、传统光控晶闸管（LTT）、单门极光控脉冲晶闸管的缺陷，显著提高器件的性能水平。
关键词：脉冲晶闸管 光控 快速 阵列式门极 激光二极管阵列
在高功率脉冲系统中，开关是关键器件之一，其水平直接决定了功率源的输出性能。传统的气体开关在体积、重复频率运行等方面受到了限制，而固体开关以体积小、能够重复频率运行等优势成为研究热点[1-5]。美国斯坦福加速器研究中心（SLAC）、日本高能加速器研究中心（KEK）、中国南京电子技术研究所、中国工程物理研究院流体物理研究所等均成功地研制了基于绝缘栅双极性晶体管（Insulate-Gate Bipolar Transistor, IGBT）开关的数百千伏、百安培至千安培、数十赫兹至数百赫兹的开关模块与系统，以开展加速器物理方面的研究[6-14]。美国DTI公司、英国E2V公司、日本长岗技术科学大学、德国BEHLKE公司，以及中国的重庆大学、浙江大学等采用金属-氧化物半导体场效应晶体管（Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistor, MOSFET）大规模串并联，实现了电压为数十千伏、电流为数十千安培的功率开关模块和功率模块单元[15-20]，以开展生物医学、半导体工艺设备等方面的应用研究。法国ISL研究所、美国GA公司，以及中国的海军工程大学、中国科学院电工研究所等采用晶闸管串联实现了多种电压与电流等级的紧凑型脉冲功率源，以开展电磁发射方面的应用研究[21-28]。美国的桑迪亚国家实验室，以及中国的西安理工大学、中国工程物理研究院流体物理研究所等研制了可实现电压近百千伏、电流数十千安培的大功率光控半导体开关（Photoconductive Semiconductor Switch, PCSS）[29-36]，主要开展高功率微波、脉冲功率装置触发等方面的应用研究。对几种典型功率半导体的单开关峰值功率与开通速度参数进行对比，结果如图1所示。
由图1可知，晶闸管的峰值功率容量最大，单开关的功率容量可达数十兆瓦，但开关导通速度较慢，一般的晶闸管（包含可控硅（Silicon Controlled Rectifier, SCR）、门极关断晶闸管（Gate-Turn-Off thyristor, GTO）、传统光控晶闸管（Light Triggered Thyristor, LTT）等）的导通速度均小于1 kA/μs。IGBT开关功率容量其次，单开关可达到数兆瓦，导通速度一般不超过10 kA/μs。MOSFET功率容量相对较小，单开关约为百千瓦，其导通速度最大可达到50 kA/μs。雪崩晶体管（Avalanche Transistor, AT）的峰值功率最小，单开关约为数千瓦，但其导通速度较快，最大可达到近100 kA/μs。另外PCSS的单开关容量较大，可达数十兆瓦，开关导通速度可大于300 kA/μs，当其工作在线性模式时，目前还离不开较大的激光触发系统，且难以实现宽脉冲输出；当其工作在非线性模式时，可用相对较小的触发光功率控制输出较高的峰值功率，但寿命和延迟时间抖动会受到一定的限制[37]。高压快速光控脉冲晶闸管的研究是结合高压晶闸管与PCSS两种固态开关的特点进行的，需要结合两种开关的优势，研究新的器件结构，并提升其峰值功率与开通速度，以获得更高的峰值功率密度。
图1 典型功率半导体单开关峰值功率与导通速度
Fig.1 Peak power and turn-on speed of a typical power semiconductor switch
半导体材料的原子和原子之间通过共价键相结合，当半导体材料受到激光照射时，部分价电子获得足够能量，得以挣脱共价键的束缚而成为自由电子，从而产生载流子，在电场的作用下定向运动形成电流。传统光控晶闸管（LTT）的触发光功率一般为数十毫瓦，主要依靠光先触发一小部分晶闸管导通，然后利用其阴极电流触发下一级的电控大功率晶闸管导通。国内外已有基于光控晶闸管来实现电力传输和变换的报道和应用工程，例如，Infineon公司等采用传统光控晶闸管技术，实现了电压达到数十千伏、电流达到数千安培的高压电力系统用开关组件。传统光控晶闸管产品及结构如图2所示。但是该类光控晶闸管技术由于开通速度较慢，仅为数百A/μs量级，经过多种改进后，其开通速度也仅能够达到数kA/μs，难以直接用于高di/dt的脉冲功率系统[38-40]。
图2 普通电力用光控晶闸管门极区域及放大结构
Fig.2 Light triggered thyristor (LTT) gate and amplification gate structure
单门极高压光控脉冲晶闸管结构如图3所示。高压光控脉冲晶闸管的结构和原理与普通光控晶闸管不同[41]，其采用和光导开关一致的触发模式，直接采用强光注入，不使用放大栅结构，使得器件光注入区域产生大量的光生载流子，形成快速导通，这种载流子注入区域不限制在特定区域。在PNPN四层结构中，从最外层的P+区引出阳极电极A，N+区引出阴极K，在P区和部分非引出电极区注入激光。当激光照射时，中间半导体层激发产生大量光生载流子，相当于产生了较大的门极电流，器件就由阻断状态转换为导通状态。由于激光照射激发产生载流子不受结电容的影响，当输入激光速度较快时，晶闸管的导通速率也非常快，从而实现高功率、快前沿输出。
图3 单门极高压光控脉冲晶闸管结构
Fig.3 Structure of a single gate optically controlled pulses thyristor
本文针对单门极光控脉冲晶闸管开展了原理验证测试，波形如图4所示。在注入激光能量为30 μJ、脉冲宽度为30 ns条件下，注入功率为1 000 W，测试电路储能为1 μF，此时在5.5 kV工作电压下，开关在短路负载上获得的输出电流为2.9 kA，电流前沿为293 ns，其di/dt达到10 kA/μs。由此可见，单门极结构导通电阻较大，di/dt指标受到限制。
图4 单门极光控脉冲晶闸管验证测试波形
Fig.4 Verification test waveforms of a single gate optically controlled pulse thyristor
当急剧增加激光峰值功率时，单门极光控脉冲晶闸管强光驱动波形如图5所示。在注入激光能量为1 mJ、脉冲宽度为1 ns的条件下，注入峰值功率达到1 MW，测试电路储能电容为39 nF，此时在3.7 kV工作电压下，开关在1 Ω电阻负载上获得的输出电压为1.9 kV，输出电流达到1.9 kA，电流前沿为 10 ns，其di/dt达到近190 kA/μs。此时开关两端电压未能降低到较低值，呈现出较高的导通电阻，该单门极的光控脉冲晶闸管即失效，出现永久性击穿。
图5 单门极光控脉冲晶闸管强光驱动波形
Fig.5 Waveforms of the output driven by high-power laser for single-gate optically controlled pulse thyristor
由于单门极光控脉冲晶闸管结构的导通电阻较大，器件本身的损耗偏大，同时损耗的功率沉积集中到单个门极区域，导致器件失效。针对该种结构与参数，为了研究其导通过程，建立了门极区域的仿真模型。由于器件导通的主要表征指标为电阻率，电阻率是反映电子材料的导电性及其内部载流子浓度的重要指标，通过载流子浓度的大小可以有效确定器件的导通状态，因此可采用载流子浓度的仿真来表征开关的导通过程，如图6所示。在单个门极区域注入激光时，光照区产生了大量的光生载流子，成为开关导通的初期过程；在电场的作用下，载流子不断地向周边区域扩展，横向扩展与纵向扩展并行，成为开关导通的中期过程；随着时间进一步推移，横向扩展与纵向扩展达到饱和，器件的导通区域实现低导通电阻，成为开关导通的后期过程。利用器件内部的电子浓度分布可间接地反映器件的导通特性，定义导通部分就是电子浓度超过某一特定值的区域。选取器件结构完全导通后，导通界面中电子浓度的最小值作为导通特征值，本文导通特征值选取为5×1015 cm-3。当注入激光后，开关导通，光注入区域产生光生载流子且浓度较大，通过仿真计算，器件导通区域横向扩展速率约为100 μm/μs，在较高电场强度下最大横向扩展速率不超过400 μm/μs。在电驱动的晶闸管中，中心门极越大、放大门极的面积越大，器件导通速度越快[42]。但由于门极越大、结构电容越大，注入功率将会受到限制，导致一般情况下注入的电功率仅在数十瓦以内，注入时间为μs级。而快速光控脉冲晶闸管不会受到门极结构电容的影响，也不会受到门极耐压的影响，注入光功率可达到百瓦以上，且注入时间在数十纳秒以内。所以快速光控脉冲晶闸管与电驱动的晶闸管相比，初始注入区域的载流子浓度大幅提升，导通速度也大幅增增。
图6 单个门极结构区域导通过程
Fig.6 Opening process of a single gate region
虽然快速光控脉冲晶闸管单个门极注入区域的光生载流子浓度较高，但由于单门极的面积有限，导通区域较小，有效的导通区域会受到一定程度的限制。如果要实现百纳秒量级的导通，受到载流子横向扩展速度较慢的影响，最大横向扩展速率也不超过400 μm/μs，这样会导致芯片的阴极区域内大部分面积将无法发挥导通作用，仅能在局部区域实现导通，致使导通电阻过大。该种结构将限制其峰值电流和导通速度，同时易出现失效。
为了弥补单门极光控脉冲晶闸管的缺陷，本文设计了新型的阵列式门极光控脉冲晶闸管，其结构示意图如图7所示。芯片结构为PNPN四层结构，从最外层的P1区直接引出阳极A；P2区为多个独立的区域，用于接收激光能量；N2区被分割成不同区域但保持电连接，从而引出阴极K。当激光照射时，中间半导体层受到激发产生大量载流子，相当于产生了较大的门极电流，器件就由阻断状态转换为导通状态；由于多个门极同时注入激光，从而多个区域同步开通，使得导通速度成倍叠加；另外因激光照射激发产生载流子不受结电容的影响，当输入激光前沿较快时，开关的导通速度也非常快，从而可实现高功率、快前沿输出。
图7 阵列式门极光控脉冲晶闸管结构示意图
Fig.7 Schematic diagram of an array-type gate optically controlled pulse thyristor structure
阵列式门极结构可有效地缓解导通损耗的功率沉积，以弥补单门极结构的不足，所设计的多种阵列式门极构型如图8所示。阵列式门极结构通过增大激光照射面积，提高驱动激光的峰值功率，在多个光门极区域产生大量的光生载流子，并通过多个门极区域同时产生的横向载流子扩散，以补偿器件开启区域载流子集中的问题。
图8 多种阵列式门极构型
Fig.8 Various arrangement methods of array-type gate
1.4.1 扩大光注入界面的半导体结构设计
为了实现激光尽量多地注入半导体区域，本文设计了适应部分阴极和部分门极均可注入激光的结构，同时在光注入区域开展增透工艺处理，使得更多的激光可直接注入，形成尽可能大面积的光生载流子，以扩展开关的初始导通区域。阵列式门极中单个门极区域激光注入结构优化如图9所示。其中电阳极作为开关的正电极，对其施加正向电压；电阴极作为开关的负电极，连接负载或直接接地；在光门极和光阴极区域照射触发光，使得在多个区域和PN结中均产生载流子。在对门极区域和阴极区域分别注入激光时，光门极区域注入激光所产生的效果更优，光阴极区域注入激光对器件的均匀导通具有一定的积极作用。
图9 芯片门极区域激光注入结构优化
Fig.9 Optimized laser injection structure in the chip gate region
1.4.2 开关的阵列式门极结构设计
由于开关载流子横向扩展速度的限制，仅通过扩展部分光阴极区域仍然难以实现大面积导通，采用阵列式门极结构时，需要结合考虑驱动激光的光斑特性。基于激光阵列特性和阵列式门极结构，采用15个门极区域的结构，形成3×5阵列式排列，使多个门极区域同时形成光生载流子，以解决横向扩展速度的限制，形成更大面积的导通。为了考虑开关的流片经济性和量产成本，采用硅材料和硅基晶闸管工艺平台进行流片，完成的硅基阵列式门极光控脉冲晶闸管芯片样品如图10所示。该款开关芯片直径为23 mm，厚度为1.1 mm，台面保护后厚度为4 mm。
图10 硅基阵列式门极光控脉冲晶闸管芯片样品
Fig.10 Silicon-based array-type gate optically controlled pulse thyristor chip
1.4.3 开关的驱动光源设计
为了实现激光光源与大面积、阵列式门极结构的匹配，以提高激光利用效率，针对性地设计了多点发光的激光二极管阵列，采用3行5列的激光二极管阵列结构，每个Bar条由5个发光区并联集成，间距为1.4 mm；Bar条阵列串联集成，间距为2.4 mm。该结构经光束分析模拟，距离发光面4 mm处的光斑特征如图11所示，其中最强的光功率密度达到近130 W/mm2，形成了强光的阵列照射。通过该改进设计，将激光二极管芯片的光能量分布式地照射至芯片，验证了点对点激光触发的可行性，完成的激光二极管阵列实物如图12所示。
图11 阵列式激光光源光斑特征模拟
Fig.11 Simulation of the spot characteristics of array-type laser source
图12 研制的激光二极管阵列实物
Fig.12 Photo of the developed laser diode array
1.4.4 开关的封装形式
阵列式门极光控脉冲晶闸管芯片、驱动激光阵列、激光驱动等需要进行合理的集成与封装，考虑开关的应用场景和可靠性要求，设计完成了三种类型的封装，如图13所示。图13a所示开关基于塑料外壳，将开关芯片、驱动激光阵列、激光驱动整体集成于绝缘外壳内，内部填充凝胶进行绝缘，同时兼顾激光耦合传输。图13b所示开关基于金属外壳封装，内部采用双层印制电路板（Printed Circuit Board, PCB）进行排布，以实现整体对外的电磁辐射控制。图13c所示开关将激光驱动分离，并将半导体开关芯片、驱动激光阵列整体封装至陶瓷金属化管壳中，进行分体式安装，以提高器件可靠性。
图13 三种不同封装形式的开关
Fig.13 Switches in three different packaging forms
由于控制阵列式门极光控脉冲晶闸管PN结开通所需要的载流子浓度要求较高，开关所需的光生载流子主要集中在开关导通初期，为了尽可能地提高其激光峰值功率，将激光二极管芯片阵列驱动的脉宽设计在200 ns以内，在窄脉冲宽度下可大大提升激光芯片的峰值电流，获得更高的峰值功率。阵列式门极光控脉冲晶闸管驱动原理如图14所示，当外部给出激光触发模块控制信号后，经过驱动电路产生高压脉冲，脉冲电流馈入激光二极管阵列，产生激光能量，激光通过对应的阵列耦合触发开关芯片的控制区。当采用300 V电压、200 ns脉宽进行驱动时，产生约200 A电流注入激光二极管阵列，在3×5点阵上可获得250 μJ的激光能量，波长为905 nm，脉冲宽度约为210 ns，驱动光的峰值功率约为1 200 W，阵列激光驱动与激光脉冲输出波形如图15所示。相比于传统晶闸管的数十瓦电脉冲驱动，或者光控晶闸管的数十毫瓦光脉冲驱动，阵列式门极光控脉冲晶闸管的注入光功率得到了大幅提升。
图14 阵列式门极光控脉冲晶闸管驱动原理
Fig.14 Driving principle of array-type gate optically controlled pulse thyristor
图15 阵列激光驱动与激光脉冲输出波形
Fig.15 Array laser drive and laser pulse waveforms
为了结合应用电路验证阵列式门极光控脉冲晶闸管的输出性能，搭建了高压快速光控脉冲晶闸管测试电路，如图16所示。所采用的塑壳一体化封装的高压快速光控脉冲晶闸管尺寸为35 mm× 35 mm×30 mm，设计额定工作电压为8.5 kV，采用的陶瓷电容器容量为53 nF，电流探头量程为10 kA。当高压充电加载至8.5 kV时，同步信号触发，得到的输出波形如图17所示，输出电流为6.0 kA，电流上升时间为109.7 ns，延迟时间抖动不超过1 ns，在有回路电感的状态下，实测di/dt为55 kA/μs。
图16 高压快速光控脉冲晶闸管测试电路
Fig.16 The high-voltage high-speed optically controlled pulse thyristor test circuit
图17 开关测试电压电流波形
Fig.17 Waveforms of the switch testing voltage and current
为了进一步验证其在不同电压下的工作特性，使其工作在不同的电压条件下，得到阵列式门极光控脉冲晶闸管的输出特性如图18所示。输出电流随着电压的下降而降低，当电压从8.5 kV变化至5 kV时，对应电流从6.0 kA变化至2.0 kA，工作性能稳定可靠，在较小储能条件下可支持短路放电，抗干扰性能良好。
总结不同电压下开关的导通特性见表1。当开关电压工作电压上升时，导通电流逐渐增加，开通上升时间不断减小，相对应的di/dt指标逐渐增加，同时延迟时间逐渐减小。器件在较高的工作电压下，表现出更优异的性能。
图18 高压快速光控脉冲晶闸管在不同工作电压下的输出特性
Fig.18 Output waveforms of the operating voltage characteristics of the high-voltage high-speed optically controlled pulse thyristor
表1 不同电压下开关的导通特性
Tab.1 Turn-on characteristic of the switch at different voltages
序号电压/kV电流/kA上升时间/nsdi/dt/(kA/μs)延迟时间/ns 152.012816352 262.812123315 373.911833307 485.411149302 58.56.011055294
为了进一步检验开关的高压隔离能力，对开关开展了高压隔离绝缘验证。塑壳一体化封装的高压快速光控脉冲晶闸管内部结构如图19所示，整体尺寸为35 mm×35 mm×30 mm。整体结构为两层PCB结构，上层PCB的正面安装开关驱动电路并引出控制线，背面安装激光二极管阵列；下层PCB的正面安装阵列式门极芯片，背面引出开关的高压电极。
图19 高压快速光控脉冲晶闸管内部结构
Fig.19 High-voltage high-speed optically controlled pulses thyristor
对塑壳一体化封装的高压快速光控脉冲晶闸管K极施加高电压，控制侧电源接地，低压的驱动侧与主回路侧的隔离电压达到25 kV以上，器件可安全地工作在20 kV悬浮高电压下，具有良好的光电隔离特性。与传统的脉冲晶闸管相比，扩展了电路应用形式，极大地省去了串联过程中所需要的隔离措施。
为了验证高压快速光控脉冲晶闸管的可靠性，开展了其在雷管起爆领域的应用，研制了8 kV、2 kA的集成式固态起爆器，并通过了相应的环境实验考核。基于该开关研制的起爆器如图20所示，将2 kA的起爆电流传递至8 m起爆电缆的末端，可实现可靠点火起爆。后续将继续优化开关在重复频率、更快输出前沿、更高电压串联场景中的研究。
图20 基于高压快速光控脉冲晶闸管研制的起爆器
Fig.20 The detonator based on high-voltage high-speed optically controlled pulse thyristors
提升晶闸管的峰值功率及导通速度，主要考虑两个方面：①提升初始载流子的浓度，进而提升驱动的峰值功率，降低开关的放大倍数；②进行大面积驱动，使载流子扩散倍增能够在短时间内完成，从而达到提升峰值功率和导通速度的能力。
在提升驱动峰值功率方面，由于电控晶闸管的门极形式限制，难以进行大功率峰值功率注入；传统光控晶闸管基于弱光触发，注入峰值功率较小，接收窗口较小，难以获得高的峰值功率注入；而阵列式门极构型的高压快速光控脉冲晶闸管结构，不会受到结电容、栅极耐压、放大栅结构等限制，可大幅度提升驱动峰值功率。
在大面积驱动方面，电控器件依靠特殊门极图形形成GTO类结构，在一定程度上可提升大面积注入能力，但需要依靠较为复杂的结构进行连接，由于会受到栅极耐压等限制，注入峰值功率大小有限；MOS控制型晶闸管（MOS Controlled Thyristor, MCT）可依靠前级MOSFET的结构优势，形成较高的di/dt，但其工作电压会在一定程度上受到限制，另外由于低压控制端和高压端共地，导致其在更高电压下串联和应用中受到限制；传统光控晶闸管主要依靠放大栅进行放大，导致整个导通过程变慢，同时无法覆盖更大的区域；阵列式门极及激光阵列驱动构型的高压快速光控脉冲晶闸管，可直接形成大面积均匀照射注入，大大提升了响应时间，扩宽了注入面积，可使晶闸管获得更高的峰值功率和更快的导通速度。
本文对比了不同功率半导体开关器件的峰值功率与导通速度，分析认为晶闸管和光导开关的优势较为明显，因此将两种器件的优势进行结合，提出了一种高压光控脉冲晶闸管，并进行了验证。在实验和仿真分析过程中发现，单门极注入时载流子横向扩展速度较慢，限制了器件的导通速度，因此设计了新的阵列式门极结构及阵列式激光驱动器件，从而实现了更快的导通速度。在变压快速光腔脉冲晶闸管的设计和实现过程中，就如何结合晶闸管的优势和光导开关的优势，从而进一步提升开关的峰值功率及导通速度，可以得出以下结论：
1）提高驱动峰值功率，可提升初始载流子浓度，降低类晶闸管结构的放大倍数，从而获得更高的峰值功率和更快的导通速度。其中采用光控的方式可有效地弥补电控和传统弱光的缺陷。
2）提高驱动峰值功率的均匀性，有利于产生均匀的载流子，从而有效地缓解载流子横向扩展速度的不足，带来载流子集中效应。其中采用阵列式门极结构和阵列式激光驱动，可有效地弥补传统光控晶闸管、单门极光控脉冲晶闸管的缺陷。
3）由于采用光电隔离与封装，开关的控制侧与开关侧相互高压隔离，具备了传统晶闸管开关不具备的高压隔离功能，使得开关的地可以悬浮在高压下使用，并有更良好的抗干扰性能。
参考文献
[1] Matzen M K. Pulsed power sciences at Sandia national laboratories - the next generation[C]//2007 16th IEEE International Pulsed Power Conference, Albuquerque, NM, USA, 2007: 1-15.
[2] Deng Jianjun. Recent progresses in pulsed power researches at Institute of Fluid Physics[C]//Proceedings 1st Euro-Asian Pulsed Power conference, Chengdu, China, 2006: 20-24.
[3] 江伟华. 基于固态器件的高重频脉冲功率技术[J]. 强激光与粒子束, 2010, 22(3): 561-564.
Jiang Weihua. High repetition-rate pulsed power generation using solid-state switches[J]. High Power Laser and Particle Beams, 2010, 22(3): 561-564.
[4] Novac B M, Parker M, Smith I R, et al. A mobile, high-power, high-energy pulsed-power system[C]// 2012 IEEE International Power Modulator and High Voltage Conference (IPMHVC), San Diego, CA, USA, 2012: 808-811.
[5] Novac B M, Smith I R, Senior P, et al. High-voltage pulsed-power sources for high-energy experimentation [C]//2010 IEEE International Power Modulator and High Voltage Conference, Atlanta, GA, USA, 2010: 345-348.
[6] Akemoto M, Chin Y H, Sakamoto Y. Solid-state modulator R&D for JLC[C]//28th IEEE International Conference on Plasma Science and 13th IEEE International Pulsed Power Conference, Las Vegas, NV, USA, 2001: 1059-1062.
[7] Baek J W, Yoo D W, Rim G H, et al. Solid state Marx Generator using series-connected IGBTs[J]. IEEE Transactions on Plasma Science, 2005, 33(4): 1198-1204.
[8] Welleman A, Fleischmann W. Solid state switches in bipolar (thyristor) and BIMOS (IGBT) technology for repetitive pulse applications[C]//14th IEEE International Pulsed Power Conference, Dallas, Texas, USA, 2003: 353-356.
[9] 孙荣棣, 戴广明. IGBT在雷达发射机调制器中的应用[J]. 现代雷达, 2002, 24(4): 66-68, 63.
Sun Rongdi, Dai Guangming. Application of IGBT in modulator of radar transmitter[J]. Modern Radar, 2002, 24(4): 63, 66-68.
[10] Golland A, Wakeman F, McDonald I, et al. Integrated 30 kV solid-state switch for pulse power applications [C]//28th IEEE International Conference on Plasma Science and 13th IEEE International Pulsed Power Conference, Las Vegas, NV, USA, 2001: 1055-1058.
[11] Baek J W, Yoo D W, Rim G H, et al. Solid state Marx Generator using series-connected IGBTs[J]. IEEE Transactions on Plasma Science, 2005, 33(4): 1198-1204.
[12] Abbate C, Busatto G, Iannuzzo F. High-voltage, high-performance switch using series-connected IGBTs[J]. IEEE Transactions on Power Electronics, 2010, 25(9): 2450-2459.
[13] Fink D A, Torti R, Reinhardt N, et al. High-voltage IGBT switching arrays[J]. IEEE Transactions on Magnetics, 2009, 45(1): 282-287.
[14] 李洪涛, 王传伟, 王凌云, 等. 500kV全固态Marx发生器[J]. 强激光与粒子束, 2012, 24(4): 917-920.
Li Hongtao, Wang Chuanwei, Wang Lingyun, et al. 500 kV all-solid-state Marx generator[J]. High Power Laser and Particle Beams, 2012, 24(4): 917-920.
[15] Bolotnikov A, Losee P, Matocha K, et al. 3.3kV SiC MOSFETs designed for low on-resistance and fast switching[C]//2012 24th International Symposium on Power Semiconductor Devices and ICs, Bruges, Belgium, 2012: 389-392.
[16] Sack M, Keipert S, Hochberg M, et al. Design considerations for a fast stacked-MOSFET switch[J]. IEEE Transactions on Plasma Science, 2013, 41(10): 2630-2636.
[17] Scharnholz S, Brommer V, Buderer G, et al. High-power MOSFETs and fast-switching thyristors utilized as opening switches for inductive storage systems[J]. IEEE Transactions on Magnetics, 2003, 39(1): 437-441.
[18] Iskander M. Compact solid state modulator & RF system[C]//2009 IEEE Pulsed Power Conference, Washington, DC, USA, 2009: 389-393.
[19] 董守龙, 王艺麟, 曾伟荣, 等. 一种全固态多匝直线型变压器驱动源的研制[J]. 电工技术学报, 2020, 35(7): 1584-1591.
Dong Shoulong, Wang Yilin, Zeng Weirong, et al. The development of all solid-state multi-turn linear transformer driver[J]. Transactions of China Electrotechnical Society, 2020, 35(7): 1584-1591.
[20] 李成敏. 大容量SiC MOSFET串联关键技术研究[D]. 杭州: 浙江大学, 2021.
Li Chengmin. Series connection of high power SiC MOSFETs[D]. Hangzhou: Zhejiang University, 2021.
[21] Flack T, Hettler C, Bayne S. dI/dt evaluation of a Si N-type GTO designed for pulsed power applications [C]//2015 IEEE Pulsed Power Conference (PPC), Austin, TX, USA, 2015: 1-3.
[22] Ibuka S, Tsunoda R, Shiina J, et al. Compact high-voltage pulse generator utilizing turn-off capability of SI-thyristor[C]//14th IEEE International Pulsed Power Conference, Dallas, TX, USA, 2003: 931-934.
[23] Fu Lixing, Li He, Lu Xintong, et al. Overview and evaluation methodologies of high voltage power devices[C]//2014 IEEE International Power Modulator and High Voltage Conference (IPMHVC), Santa Fe, NM, USA, 2014: 546-549.
[24] Lehmann P. Overview of the electric launch activities at the French-German Research Institute of Saint-Louis (ISL)[J]. IEEE Transactions on Magnetics, 2003, 39(1): 24-28.
[25] Spahn E, Sterzelmeier K, Gauthier-Blum C, et al. 50 kJ ultra-compact pulsed-power supply unit for active protection launcher systems[C]//2008 14th Symposium on Electromagnetic Launch Technology, Victoria, BC, USA, 2008: 1-5.
[26] 朱博峰, 鲁军勇, 张晓, 等. 大容量脉冲电容器放电起始阶段晶闸管电压高频振荡机理研究[J]. 电工技术学报, 2020, 35(6): 1272-1278.
Zhu Bofeng, Lu Junyong, Zhang Xiao, et al. Study on the high frequency voltage oscillation of thyristor during the initial stage of pulse capacitor discharge[J]. Transactions of China Electrotechnical Society, 2020, 35(6): 1272-1278.
[27] 叶文怡, 徐伟东, 付荣耀, 等. 无电抗器电容储能型脉冲功率电源[J]. 电工技术学报, 2023, 38(6): 1564-1570.
Ye Wenyi, Xu Weidong, Fu Rongyao, et al. Non-inductor capacitive pulsed power supply[J]. Transactions of China Electrotechnical Society, 2023, 38(6): 1564-1570.
[28] Wolfe T, Riedy P, Drake J, et al. Preliminary design of a 200 MJ pulsed power system for a naval railgun proof of concept facility[C]//2004 12th Symposium on Electromagnetic Launch Technology, Snowbird, UT, USA, 2005: 490-494.
[29] Loubriel G M, O’Malley M W, Zutavern F J. Toward pulsed power uses for photoconductive semiconductor switches: closing switches[R]. Albuquerque: Sandia National Laboratories, 1987.
[30] Shi Wei, Wu Meilin, Ma Cheng, et al. Pulsewidth control of nonlinear GaAs photoconductive semiconductor switch[J]. IEEE Transactions on Electron Devices, 2022, 69(8): 4396-4400.
[31] Yuan Jianqiang, Xie Weiping, Liu Hongwei, et al. High-power semi-insulating GaAs photoconductive semiconductor switch employing extrinsic photo-conductivity[J]. IEEE Transactions on Plasma Science, 2009, 37(10): 1959-1963.
[32] Hu Long, Su Jiancang, Qiu Ruicheng, et al. Ultra-wideband microwave generation using a low-energy-triggered bulk gallium arsenide avalanche semiconductor switch with ultrafast switching[J]. IEEE Transactions on Electron Devices, 2018, 65(4): 1308-1313.
[33] 施卫, 田立强, 王馨梅, 等. 高压超大电流光电导开关及其击穿特性研究[J]. 物理学报, 2009, 58(2): 1219-1223.
Shi Wei, Tian Liqiang, Wang Xinmei, et al. A high_voltage and high_current photoconductive semi-conductor switch and its breakdown characteristics[J]. Acta Physica Sinica, 2009, 58(2): 1219-1223.
[34] 袁建强, 谢卫平, 周良骥, 等. 光导开关研究进展及其在脉冲功率技术中的应用[J]. 强激光与粒子束, 2008, 20(1): 171-176.
Yuan Jianqiang, Xie Weiping, Zhou Liangji, et al. Developments and applications of photoconductive semiconductor switches in pulsed power technology [J]. High Power Laser and Particle Beams, 2008, 20(1): 171-176.
[35] 高荣荣, 徐鸣, 罗伟, 等. 重复频率下GaAs光电导开关的热积累研究[J]. 电工技术学报, 2023, 38(15): 4010-4018.
Gao Rongrong, Xu Ming, Luo Wei, et al. Research on thermal accumulation of GaAs photoconductive semiconductor switch at repetition rates[J]. Transactions of China Electrotechnical Society, 2023, 38(15): 4010-4018.
[36] 徐守利, 刘京亮, 胡龙, 等. 低光能触发的砷化镓光导开关导通机理[J]. 电工技术学报, 2023, 38(22): 6241-6252.
Xu Shouli, Liu Jingliang, Hu Long, et al. Operating mechanism of low-energy-triggered gallium arsenide photoconductive semiconductor switch[J]. Transactions of China Electrotechnical Society, 2023, 38(22): 6241-6252.
[37] 王凌云. 高压光控脉冲晶闸管设计与实现[D]. 成都: 电子科技大学, 2018.
Wang Lingyun. Design and implementation of high-voltage laser controlled pulsed thyristor[D]. Chengdu: University of Electronic Science and Technology of China, 2018.
[38] Przybilla J, Keller R, Schneider C, et al. Advantages in application-design by using direct-light-triggered thyristors[J]. Power Electronics, 2004, 2(3): 45-49.
[39] Schenk M, Huang H, Sacks G, et al. HVDC converter using 6 inch light triggered thyristors (LTT) for DC currents up to 6250A[C]//2nd International Conferenceon High Voltage Direct Current (HVDC2016), Shanghai, China, 2016: 1.
[40] Loquai S, Bölting M, Kellner U, et al. Switching direct light triggered thyristors with polymer optical fibers[C]//24th International Conference on Plastic Optical Fibers, Nürnberg, Germany, 2015: 193-199.
[41] 王凌云, 谢卫平, 袁建强, 等. 高压光控脉冲晶闸管及其触发控制系统及其触发控制方法: CN108075749A[P]. 2018-05-25.
[42] 张西应, 任亚东, 唐柳生, 等. 晶闸管触发与开通特性研究[C]//中国核科学技术进展报告(中国核学会2015年学术年会论文集), 绵阳, 中国, 2015, 4: 6-11.
Zhang Xiying, Ren Yadong, Tang Liusheng, et al. Research on triggering and opening characteristics of thyristor[C]//Progress Report on China Nuclear Science & Technology: Proceedings of the 2015 Academic Conference of the Chinese Nuclear Society, Mianyang, China, 2015, 4: 6-11.
Abstract This paper compares and analyzes the characteristics of existing high-power semiconductor devices. Among semiconductor switches, thyristors have the highest power capacity but the slowest conduction speed. On the other hand, photoconductive semiconductor switches (PCSS) have the fastest switch conduction speed and have optoelectronic isolation, but their auxiliary systems are relatively large and difficult to achieve a wide pulse width. If the advantages of the two types of switches can be organically combined, it is expected to significantly improve the performance of solid-state semiconductor pulse switches. Combining the advantages of thyristors and photoconductive switches, we designed a high-voltage optically controlled pulse thyristor device. This device is different from the traditional light triggered thyristors (LTT) with milliwatt weak light triggering and multi-stage amplifying gate structure. The developed optically controlled pulse thyristor uses strong light short pulse triggering and carried out laser injection verification tests under conditions such as 1 000 W laser and 1 MW, and obtained preliminary verification experimental results. Experiments and simulation analysis found that the transverse expansion speed of photogenerated carriers is slow, which can easily induce the current concentration effect and cause device failure, and the conduction speed of the switch is also difficult to further improve. Based on this research, improvements and optimizations have been made. A large-area dispersed array gate structure is proposed, and technologies such as laser diode arrays and high-current pulse strong driving are used.
First, a 53 dot matrix laser diode array was designed, driven by an electrical pulse with a voltage of 300 V, a current of 200 A, and a pulse width of 200 ns, achieving a laser with an energy of 250 μJ, a wavelength of 905 nm, a pulse width of about 210 ns, and a peak power of about 1 200 W. At the same time, based on the traditional silicon-based μm-level process platform, a 23 mm switch chip was fabricated. The chip was designed into an array-style gate structure, which corresponds one-to-one with the 53 dot matrix structure, and the integration of the laser diode array and the switch was completed. Tests were conducted, and when the energy storage was 53 nF, the switch working voltage was 8.5 kV, the output current was 6 kA, the current rise time was 109.7 ns, the delay time jitter was ≤ 1 ns, and under the state with loop inductance, the measured di/dt was 55 kA/μs, and the peak power was 50 MW when turned on. Through this structure, an optically controlled pulse thyristor with high working voltage, high isolation voltage, and fast conduction speed characteristics was verified and realized.
The paper discusses two technical paths to improve the pulse performance of high-voltage high-speed optically controlled pulse thyristors. One is to increase the peak power of the drive injection, and the other is to improve the uniformity of the drive injection. The use of optically controlled array drive and array gate technology effectively solves the defects of electrically controlled thyristors, traditional optically controlled thyristors, and single-gate optically controlled pulse thyristors. This large-area optical power injection significantly improves the peak drive power, thereby enabling the switch to obtain large-area, high-power photogenerated carrier injection, achieving higher peak power and faster conduction speed for semiconductor switch devices. Due to the use of optoelectrical isolation and packaging, the control side of the switch is high-voltage isolated from the switch side, possessing a high-voltage isolation function that traditional thyristor switches do not have, and has good anti-interference performance.
keywords：Pulse thyristor, optically controlled, high speed, array gate, laser diode array
中图分类号：TM89；TM564
DOI: 10.19595/j.cnki.1000-6753.tces.240869
国家自然科学基金（51807185）和装备发展部预研基金（614260501030117）资助项目。
收稿日期 2024-05-24
改稿日期 2024-07-17
王凌云 男，1989年生，工程博士研究生，硕士生导师，研究方向为高功率脉冲器件及应用。E-mail：101kpa@.sina.com
袁建强 男，1982年生，正高级工程师，博士生导师，研究方向为加速器与脉冲功率技术。E-mail：jianqiang.yuan@caep.cn（通信作者）
（编辑 李 冰）