摘要：該文對(duì)應(yīng)用于脈沖功率領(lǐng)域的特種半導(dǎo)體開關(guān)器件進(jìn)行綜述,具體包括反向開關(guān)晶體管(reversely switched dynistor,RSD)、漂移階躍恢復(fù)二極管(drift step recovery diode,DSRD)和快速離化晶體管(fast ionization dynistor,FID)。上述半導(dǎo)體開關(guān)器件從時(shí)間尺度上分別對(duì)應(yīng)微秒級(jí)、納秒級(jí)和皮秒級(jí),研制材料包括硅基(Si)和碳化硅基(SiC)。該文介紹相關(guān)器件的工作機(jī)理、關(guān)鍵技術(shù)和應(yīng)用情況,以及部分研究進(jìn)展,并對(duì)未來的發(fā)展趨勢進(jìn)行展望。
引言：
脈沖功率技術(shù)誕生于20世紀(jì)60年代，它是一種以較低的功率儲(chǔ)存能量，再以高得多的功率變換為脈沖電磁能量，并釋放到特定負(fù)載中的電物理技術(shù)，也是一種電能變換技術(shù)。現(xiàn)代脈沖功率技術(shù)在電磁發(fā)射、核爆模擬等國防領(lǐng)域和光源、環(huán)保、材料、生物、醫(yī)療等民用領(lǐng)域都有著廣泛應(yīng)用。與一代電力電子器件決定一代電力電子電路相類似，脈沖功率開關(guān)也是整個(gè)脈沖功率系統(tǒng)的瓶頸，開關(guān)能達(dá)到的水平直接影響整個(gè)系統(tǒng)輸出的脈沖幅值、上升時(shí)間、重復(fù)頻率等關(guān)鍵指標(biāo)。
脈沖功率開關(guān)包括氣態(tài)開關(guān)、液態(tài)開關(guān)和固態(tài)開關(guān)。其中，氣態(tài)開關(guān)的優(yōu)勢是功率容量大，目前仍然有著廣泛的應(yīng)用；液態(tài)開關(guān)進(jìn)入應(yīng)用領(lǐng)域的報(bào)道不多；固態(tài)開關(guān)由于體積小、可靠性高、重復(fù)頻率高等優(yōu)勢，成功克服了氣態(tài)開關(guān)電極容易燒蝕、使用壽命短、多數(shù)不可重頻工作的原生缺陷，被認(rèn)為是脈沖功率開關(guān)未來的發(fā)展方向，并已在各類固態(tài)源中應(yīng)用。固態(tài)開關(guān)又可具體分為半導(dǎo)體開關(guān)、磁介質(zhì)開關(guān)和電介質(zhì)開關(guān)。與磁介質(zhì)開關(guān)缺乏控制靈活性不同，半導(dǎo)體開關(guān)具有高度的可控性，且由于功率半導(dǎo)體技術(shù)的發(fā)展使其電流電壓容量不斷提升，脈沖功率系統(tǒng)半導(dǎo)體化的趨勢越來越明顯
電力電子器件基本上不是專門為脈沖功率應(yīng)用而開發(fā)的，但是通過各種控制或連接方式，例如串并聯(lián)、組合、疊加等，在一定程度上也可以適用于脈沖功率領(lǐng)域，包括功率金屬–氧化物半導(dǎo)體場效應(yīng)晶體管(metal-oxide-semiconductor field-effect transistor,MOSFET)、絕緣柵雙極晶體管(insulated gate bipolar transistor,IGBT)、門極可關(guān)斷晶閘管(gate-turn-off thyristor,GTO)、靜電感應(yīng)晶閘管(static induction thyristor,SITH)等，都可以被有側(cè)重地用在高峰值功率或高重復(fù)頻率的脈沖功率系統(tǒng)。然而，這些器件有的工作電壓高，但是頻率低(如GTO)；有的工作頻率高，但耐壓低(如MOSFET)。通過將不同器件進(jìn)行組合使用可以同時(shí)滿足較高電壓和較高頻率，但電路相對(duì)復(fù)雜。另外，三端器件在工作時(shí)需要提供復(fù)雜的觸發(fā)電路，以保證各器件的同步。因此，為了適應(yīng)脈沖功率的應(yīng)用工況，將功率半導(dǎo)體器件的性能最大限度地發(fā)揮出來，也有一些特種器件是專門為其開發(fā)的。
俄羅斯科學(xué)院約飛(Ioffe)物理技術(shù)研究所曾于20世紀(jì)80、90年代提出一系列這類特種的半導(dǎo)體脈沖功率開關(guān)器件，隨后不少國家也開始研制或者應(yīng)用這些器件。從“時(shí)間尺度”(試驗(yàn)時(shí)開關(guān)對(duì)電功率進(jìn)行換流時(shí)所消耗的時(shí)間長短)而言，上述特種半導(dǎo)體脈沖功率開關(guān)器件可分為微秒級(jí)、納秒級(jí)以及皮秒級(jí)開關(guān)。按時(shí)間尺度分類最典型的包括：微秒級(jí)的反向開關(guān)晶體管(reversely switched dynistor,RSD)、納秒級(jí)的漂移階躍恢復(fù)二極管(drift step recovery diode,DSRD)和皮秒級(jí)的快速離化晶體管(fast ionization dynistor,FID)。其中，RSD和FID是閉合型開關(guān)，對(duì)應(yīng)電容儲(chǔ)能型脈沖功率系統(tǒng)，電容儲(chǔ)能脈沖功率系統(tǒng)對(duì)閉合型開關(guān)的要求是壽命長、結(jié)構(gòu)緊湊、電感小、開關(guān)擊穿時(shí)延短、易于維修等。此外，通常施加在開關(guān)兩電極間的脈沖電壓高達(dá)10k V及以上，通過的電流大至10k A及以上;DSRD是斷路型開關(guān)，對(duì)應(yīng)電感儲(chǔ)能型脈沖功率系統(tǒng)，電感儲(chǔ)能脈沖功率系統(tǒng)對(duì)斷路型開關(guān)的要求是壽命長、傳導(dǎo)的電流值(流過斷路開關(guān)的電流值)大、開關(guān)損耗盡量低、高阻斷電壓，且斷路阻抗要快速上升到最大值以及能在高重頻下工作。上述3種器件均可由硅(silicon,Si)材料成功制備，并都在探索向?qū)捊麕蓟?silicon carbide,Si C)材料的過渡。在幾十年的時(shí)間里，人們對(duì)這些特種器件工作機(jī)理的認(rèn)識(shí)在不斷深入，器件研制水平也在不斷提升。本文旨在對(duì)這些特種器件進(jìn)行綜述，介紹相關(guān)器件的工作機(jī)理、關(guān)鍵技術(shù)和應(yīng)用情況，也包括部分筆者所在課題組的研究進(jìn)展。
半導(dǎo)體脈沖功率開關(guān)器件綜述 詳細(xì)內(nèi)容見如下文檔：
半導(dǎo)體脈沖功率開關(guān)器件綜述_梁琳
