權(quán)利要求
1.光放大和電放大組合控制的高功率重頻固態(tài)開(kāi)關(guān)，其特征在于，包括：光脈沖單元、光放大器件、光耦合器件和光電半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)；
其中，所述光電半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)為以光電效應(yīng)材料為基底，在光電效應(yīng)材料上制作多層摻雜結(jié)構(gòu)，以形成多個(gè)PNP結(jié)構(gòu)和NPN結(jié)構(gòu)，且PNP結(jié)構(gòu)和NPN結(jié)構(gòu)均沒(méi)有電接觸的基極；
所述光脈沖單元用于向所述光放大器件輸出光脈沖信號(hào)；
所述光放大器件用于將所述光脈沖信號(hào)放大；
所述光耦合器件用于將放大后的光脈沖信號(hào)整形擴(kuò)散成陣列光脈沖信號(hào)輸出至所述光電半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)；
所述光電效應(yīng)材料在光脈沖信號(hào)照射下產(chǎn)生光生載流子，光生載流子在多層摻雜結(jié)構(gòu)中進(jìn)行光致線(xiàn)性模式放大和/或場(chǎng)致非線(xiàn)性模式放大，實(shí)現(xiàn)高功率放大導(dǎo)通。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的光放大和電放大組合控制的高功率重頻固態(tài)開(kāi)關(guān)，其特征在于，所述光脈沖單元包括脈沖電源和電光轉(zhuǎn)換器件；
所述脈沖電源用于將供電電源轉(zhuǎn)換為高功率電源；
所述電光轉(zhuǎn)換器件將高功率電源轉(zhuǎn)換為光脈沖信號(hào)。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的光放大和電放大組合控制的高功率重頻固態(tài)開(kāi)關(guān)，其特征在于，所述脈沖電源為激光電源。
4.根據(jù)權(quán)利要求2所述的光放大和電放大組合控制的高功率重頻固態(tài)開(kāi)關(guān)，其特征在于，所述電光轉(zhuǎn)換器件為氣體介質(zhì)器件或固體介質(zhì)器件。
5.根據(jù)權(quán)利要求2所述的光放大和電放大組合控制的高功率重頻固態(tài)開(kāi)關(guān)，其特征在于，所述電光轉(zhuǎn)換器件為氙燈或激光二極管。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的光放大和電放大組合控制的高功率重頻固態(tài)開(kāi)關(guān)，其特征在于，所述光放大器件為光放大晶體或光放大光纖。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的光放大和電放大組合控制的高功率重頻固態(tài)開(kāi)關(guān)，其特征在于，所述光耦合器為光學(xué)衍射分光元件、光學(xué)透鏡或陣列光纖束。
8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的光放大和電放大組合控制的高功率重頻固態(tài)開(kāi)關(guān)，其特征在于，所述光電效應(yīng)材料為硅、砷化鎵、碳化硅或氮化鎵。
9.基于權(quán)利要求1-8任一項(xiàng)所述的光放大和電放大組合控制的高功率重頻固態(tài)開(kāi)關(guān)的工作方法，其特征在于，該方法包括：
將供電轉(zhuǎn)換為光脈沖信號(hào)輸出；
對(duì)光脈沖信號(hào)進(jìn)行放大；
將放大后的光脈沖信號(hào)整形擴(kuò)散成陣列光脈沖信號(hào)；
陣列光脈沖信號(hào)照射到光電效應(yīng)材料中，產(chǎn)生光生載流子；
光生載流子在多層摻雜結(jié)構(gòu)中進(jìn)行光致線(xiàn)性模式放大和/或場(chǎng)致非線(xiàn)性模式放大，實(shí)現(xiàn)高功率放大導(dǎo)通。
10.根據(jù)權(quán)利要求9所述的工作方法，其特征在于，光生載流子在多層摻雜結(jié)構(gòu)中進(jìn)行光致線(xiàn)性模式放大和/或場(chǎng)致非線(xiàn)性模式放大，具體包括：
開(kāi)關(guān)導(dǎo)通初期，進(jìn)行光致線(xiàn)性模式放大導(dǎo)通；
開(kāi)關(guān)導(dǎo)通中期，進(jìn)行光致線(xiàn)性模式和場(chǎng)致非線(xiàn)性模式混合放大導(dǎo)通；
開(kāi)關(guān)導(dǎo)通后期，進(jìn)行場(chǎng)致非線(xiàn)性模式放大導(dǎo)通；
所述光致線(xiàn)性模式放大導(dǎo)通為陣列光脈沖信號(hào)直接照射PNP結(jié)構(gòu)的N區(qū)和NPN結(jié)構(gòu)的P區(qū)，在對(duì)應(yīng)區(qū)域進(jìn)行快速放大導(dǎo)通；
所述場(chǎng)致非線(xiàn)性模式放大導(dǎo)通為已建立的正反饋機(jī)制在電場(chǎng)作用下，快速擴(kuò)散導(dǎo)通。
說(shuō)明書(shū)
技術(shù)領(lǐng)域
[0001]本發(fā)明屬于高功率半導(dǎo)體開(kāi)關(guān)技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種光放大和電放大組合控制的高功率重頻固態(tài)開(kāi)關(guān)及方法。
背景技術(shù)
[0002]在現(xiàn)有高功率開(kāi)關(guān)技術(shù)中，可同時(shí)具備高電壓、大電流、快導(dǎo)通速度、高電荷轉(zhuǎn)移量、精確延遲時(shí)間能力的開(kāi)關(guān)，只有氣體類(lèi)的開(kāi)關(guān)，如氫閘流管、贗火花開(kāi)關(guān)、氣體開(kāi)關(guān)等，但由于該類(lèi)開(kāi)關(guān)均有壽命限制，無(wú)法實(shí)現(xiàn)免維護(hù)使用；并且由于氣體類(lèi)開(kāi)關(guān)的工作機(jī)制因素，開(kāi)關(guān)有自擊穿概率存在，即可能會(huì)發(fā)生偶發(fā)性自擊導(dǎo)通的情況。
[0003]已有的功率半導(dǎo)體開(kāi)關(guān)技術(shù)中，開(kāi)關(guān)器件無(wú)法同時(shí)具備高電壓、大電流、快導(dǎo)通速度、高電荷轉(zhuǎn)移量、精確延遲時(shí)間能力。目前比較常見(jiàn)的功率半導(dǎo)體開(kāi)關(guān)器件包括IGBT、MOSFET、MCT、SGTO，難以同時(shí)實(shí)現(xiàn)峰值功率數(shù)十兆瓦（MW）時(shí)，電流變化率（di/dt）達(dá)到上百千安每微秒（kA/μs）。
[0004]而砷化鎵與碳化硅光導(dǎo)開(kāi)關(guān)無(wú)法實(shí)現(xiàn)高電荷轉(zhuǎn)移量等，電流也受到限制，一般難以突破10kA，導(dǎo)致脈沖寬度限制在百ns量級(jí)。硅光導(dǎo)開(kāi)關(guān)可支持寬脈寬，但難以耐受長(zhǎng)期加載直流電壓。
發(fā)明內(nèi)容
[0005]為了克服現(xiàn)有開(kāi)關(guān)技術(shù)存在的局限性，本發(fā)明提供了一種光放大和電放大組合控制的高功率重頻固態(tài)開(kāi)關(guān)。本發(fā)明采用光放大和電放大結(jié)合控制的方式，將開(kāi)關(guān)器件的功率放大倍數(shù)進(jìn)行多次交替，最后實(shí)現(xiàn)高功率放大倍數(shù)，使得開(kāi)關(guān)器件獲得高電壓、大電流、快導(dǎo)通速度、高電荷轉(zhuǎn)移量和精確延遲時(shí)間的優(yōu)點(diǎn)。
[0006]本發(fā)明通過(guò)下述技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)：
一種光放大和電放大組合控制的高功率重頻固態(tài)開(kāi)關(guān)，包括：光脈沖單元、光放大器件、光耦合器件和光電半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)；
其中，所述光電半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)為以光電效應(yīng)材料為基底，在光電效應(yīng)材料上制作多層摻雜結(jié)構(gòu)，以形成多個(gè)PNP結(jié)構(gòu)和NPN結(jié)構(gòu)，且PNP結(jié)構(gòu)和NPN結(jié)構(gòu)均沒(méi)有電接觸的基極；
所述光脈沖單元用于向所述光放大器件輸出光脈沖信號(hào)；
所述光放大器件用于將所述光脈沖信號(hào)放大；
所述光耦合器件用于將放大后的光脈沖信號(hào)整形擴(kuò)散成陣列光脈沖信號(hào)輸出至所述光電半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)；
所述光電效應(yīng)材料在光脈沖信號(hào)照射下產(chǎn)生光生載流子，光生載流子在多層摻雜結(jié)構(gòu)中進(jìn)行光致線(xiàn)性模式放大和/或場(chǎng)致非線(xiàn)性模式放大，實(shí)現(xiàn)高功率放大導(dǎo)通。
[0007]相較于現(xiàn)有的開(kāi)關(guān)器件，本發(fā)明提出的新型開(kāi)關(guān)器件，采用光放大和電放大結(jié)合控制的方式，其克服了現(xiàn)有開(kāi)關(guān)器件存在的局限性，具備高電壓、大電流、快導(dǎo)通速度、高電荷轉(zhuǎn)移量、精確延遲時(shí)間等特點(diǎn)，適用范圍廣。
[0008]作為優(yōu)選實(shí)施方式，本發(fā)明的光脈沖單元包括脈沖電源和電光轉(zhuǎn)換器件；
所述脈沖電源用于將供電電源轉(zhuǎn)換為高功率電源；
所述電光轉(zhuǎn)換器件將高功率電源轉(zhuǎn)換為光脈沖信號(hào)。
[0009]作為優(yōu)選實(shí)施方式，本發(fā)明的脈沖電源為激光電源。
[0010]作為優(yōu)選實(shí)施方式，本發(fā)明的電光轉(zhuǎn)換器件為氣體介質(zhì)器件或固體介質(zhì)器件。
[0011]作為優(yōu)選實(shí)施方式，本發(fā)明的電光轉(zhuǎn)換器件為氙燈或激光二極管。
[0012]作為優(yōu)選實(shí)施方式，本發(fā)明的光放大器件為光放大晶體或光放大光纖。
[0013]作為優(yōu)選實(shí)施方式，本發(fā)明的光耦合器為光學(xué)衍射分光元件、光學(xué)透鏡或陣列光纖束。
[0014]作為優(yōu)選實(shí)施方式，本發(fā)明的光電效應(yīng)材料為硅、砷化鎵、碳化硅或氮化鎵。
[0015]第二方面，本發(fā)明提出了基于上述高功率重頻固態(tài)開(kāi)關(guān)的工作方法，該方法包括：
將供電轉(zhuǎn)換為光脈沖信號(hào)輸出；
對(duì)光脈沖信號(hào)進(jìn)行放大；
將放大后的光脈沖信號(hào)整形擴(kuò)散成陣列光脈沖信號(hào)；
陣列光脈沖信號(hào)照射到光電效應(yīng)材料中，產(chǎn)生光生載流子；
光生載流子在多層摻雜結(jié)構(gòu)中進(jìn)行光致線(xiàn)性模式放大和/或場(chǎng)致非線(xiàn)性模式放大，實(shí)現(xiàn)高功率放大導(dǎo)通。
[0016]作為優(yōu)選實(shí)施方式，本發(fā)明的光生載流子在多層摻雜結(jié)構(gòu)中進(jìn)行光致線(xiàn)性模式放大和/或場(chǎng)致非線(xiàn)性模式放大，具體包括：
開(kāi)關(guān)導(dǎo)通初期，進(jìn)行光致線(xiàn)性模式放大導(dǎo)通；
開(kāi)關(guān)導(dǎo)通中期，進(jìn)行光致線(xiàn)性模式和場(chǎng)致非線(xiàn)性模式混合放大導(dǎo)通；
開(kāi)關(guān)導(dǎo)通后期，進(jìn)行場(chǎng)致非線(xiàn)性模式放大導(dǎo)通；
所述光致線(xiàn)性模式放大導(dǎo)通為陣列光脈沖信號(hào)直接照射PNP結(jié)構(gòu)的N區(qū)和NPN結(jié)構(gòu)的P區(qū)，在對(duì)應(yīng)區(qū)域進(jìn)行快速放大導(dǎo)通；
所述場(chǎng)致非線(xiàn)性模式放大導(dǎo)通為已建立的正反饋機(jī)制在電場(chǎng)作用下，快速擴(kuò)散導(dǎo)通。
[0017]本發(fā)明具有如下的優(yōu)點(diǎn)和有益效果：
本發(fā)明提供的高功率重頻固態(tài)開(kāi)關(guān)是一種用于高功率脈沖產(chǎn)生的新型開(kāi)關(guān)器件，能夠獲得高電壓、大電流、快前沿、高重復(fù)頻率的脈沖輸出。
[0018]本發(fā)明提供的高功率重頻固態(tài)開(kāi)關(guān)器件的工作電壓可達(dá)到0~30kV，工作電流可達(dá)到0~200kA，電流變化率（di/dt）超過(guò)400kA/μs，重復(fù)頻率可達(dá)到0～10kHz。
[0019]本發(fā)明提供的高功率重頻固態(tài)開(kāi)關(guān)器件特別適用于大電流快前沿的脈沖功率產(chǎn)生中，可替代氣體開(kāi)關(guān)、氣體觸發(fā)管、氫閘流管、贗火花開(kāi)關(guān)、串聯(lián)MOSFET、FID、SOS、PCSS光導(dǎo)開(kāi)關(guān)等。
附圖說(shuō)明
[0020]此處所說(shuō)明的附圖用來(lái)提供對(duì)本發(fā)明實(shí)施例的進(jìn)一步理解，構(gòu)成本申請(qǐng)的一部分，并不構(gòu)成對(duì)本發(fā)明實(shí)施例的限定。在附圖中：
圖1為本發(fā)明實(shí)施例的開(kāi)關(guān)原理框圖。
[0021]圖2為本發(fā)明實(shí)施例的開(kāi)關(guān)工作流程示意圖。
[0022]圖3為本發(fā)明實(shí)施例的開(kāi)關(guān)工作流程示例一。
[0023]圖4為本發(fā)明實(shí)施例的開(kāi)關(guān)工作流程示例二。
[0024]圖5為本發(fā)明實(shí)施例的開(kāi)關(guān)示例一的測(cè)試效果圖。
[0025]圖6為本發(fā)明實(shí)施例的開(kāi)關(guān)示例二的測(cè)試效果圖。
[0026]圖7為本發(fā)明實(shí)施例的開(kāi)關(guān)示例三的測(cè)試效果圖。
具體實(shí)施方式
[0027]在下文中，可在本發(fā)明的各種實(shí)施例中使用的術(shù)語(yǔ)“包括”或“可包括”指示所發(fā)明的功能、操作或元件的存在，并且不限制一個(gè)或更多個(gè)功能、操作或元件的增加。此外，如在本發(fā)明的各種實(shí)施例中所使用，術(shù)語(yǔ)“包括”、“具有”及其同源詞僅意在表示特定特征、數(shù)字、步驟、操作、元件、組件或前述項(xiàng)的組合，并且不應(yīng)被理解為首先排除一個(gè)或更多個(gè)其它特征、數(shù)字、步驟、操作、元件、組件或前述項(xiàng)的組合的存在或增加一個(gè)或更多個(gè)特征、數(shù)字、步驟、操作、元件、組件或前述項(xiàng)的組合的可能性。
[0028]在本發(fā)明的各種實(shí)施例中，表述“或”或“A或/和B中的至少一個(gè)”包括同時(shí)列出的文字的任何組合或所有組合。例如，表述“A或B”或“A或/和B中的至少一個(gè)”可包括A、可包括B或可包括A和B二者。
[0029]在本發(fā)明的各種實(shí)施例中使用的表述(諸如“第一”、“第二”等)可修飾在各種實(shí)施例中的各種組成元件，不過(guò)可不限制相應(yīng)組成元件。例如，以上表述并不限制所述元件的順序和/或重要性。以上表述僅用于將一個(gè)元件與其它元件區(qū)別開(kāi)的目的。例如，第一用戶(hù)裝置和第二用戶(hù)裝置指示不同用戶(hù)裝置，盡管二者都是用戶(hù)裝置。例如，在不脫離本發(fā)明的各種實(shí)施例的范圍的情況下，第一元件可被稱(chēng)為第二元件，同樣地，第二元件也可被稱(chēng)為第一元件。
[0030]應(yīng)注意到：如果描述將一個(gè)組成元件“連接”到另一組成元件，則可將第一組成元件直接連接到第二組成元件，并且可在第一組成元件和第二組成元件之間“連接”第三組成元件。相反地，當(dāng)將一個(gè)組成元件“直接連接”到另一組成元件時(shí)，可理解為在第一組成元件和第二組成元件之間不存在第三組成元件。
[0031]在本發(fā)明的各種實(shí)施例中使用的術(shù)語(yǔ)僅用于描述特定實(shí)施例的目的并且并非意在限制本發(fā)明的各種實(shí)施例。如在此所使用，單數(shù)形式意在也包括復(fù)數(shù)形式，除非上下文清楚地另有指示。除非另有限定，否則在這里使用的所有術(shù)語(yǔ)(包括技術(shù)術(shù)語(yǔ)和科學(xué)術(shù)語(yǔ))具有與本發(fā)明的各種實(shí)施例所屬領(lǐng)域普通技術(shù)人員通常理解的含義相同的含義。所述術(shù)語(yǔ)(諸如在一般使用的詞典中限定的術(shù)語(yǔ))將被解釋為具有與在相關(guān)技術(shù)領(lǐng)域中的語(yǔ)境含義相同的含義并且將不被解釋為具有理想化的含義或過(guò)于正式的含義，除非在本發(fā)明的各種實(shí)施例中被清楚地限定。
[0032]為使本發(fā)明的目的、技術(shù)方案和優(yōu)點(diǎn)更加清楚明白，下面結(jié)合實(shí)施例和附圖，對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步的詳細(xì)說(shuō)明，本發(fā)明的示意性實(shí)施方式及其說(shuō)明僅用于解釋本發(fā)明，并不作為對(duì)本發(fā)明的限定。
[0033]實(shí)施例1
為了解決現(xiàn)有開(kāi)關(guān)器件存在的局限性，例如，氣體開(kāi)關(guān)器件存在重復(fù)頻率不足、可靠性較低、壽命較短等缺點(diǎn)，功率半導(dǎo)體開(kāi)關(guān)器件存在導(dǎo)通速度較慢等缺陷，光導(dǎo)開(kāi)關(guān)器件存在電流較小、電荷轉(zhuǎn)移量小等缺陷。本實(shí)施例提供了一種光放大和電放大組合控制的高功率重頻固態(tài)開(kāi)關(guān)，其采用光放電和電放大結(jié)合控制的方式，能夠?qū)⑵骷墓β史糯蟊稊?shù)進(jìn)行多次交替放大，最后實(shí)現(xiàn)高功率放大倍數(shù)，使得開(kāi)關(guān)器件獲得高電壓、大電流、快導(dǎo)通速度、高電荷轉(zhuǎn)移量、精確延遲時(shí)間的優(yōu)點(diǎn)。
[0034]如圖1所示，本實(shí)施例的高功率重頻固態(tài)開(kāi)關(guān)主要包括脈沖電源、電光轉(zhuǎn)換器件、光放大器件、光耦合器件和光電半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)。
[0035]其中，脈沖電源用于提供高功率電源。其可以是高壓預(yù)燃類(lèi)電源、也可以是恒流低壓電源、也可以是激光電源等，將供電轉(zhuǎn)換為更高的功率，實(shí)現(xiàn)初始的電功率放大。本發(fā)明實(shí)施例中圖示以激光電源為例，但不對(duì)此進(jìn)行限制。
[0036]電光轉(zhuǎn)換器件用于將脈沖電源輸出的初始電功率轉(zhuǎn)換為光脈沖信號(hào)。其可以是氣體介質(zhì)類(lèi)器件、也可以固體介質(zhì)類(lèi)器件等；例如，氙燈、激光二極管等，將初始的電功率轉(zhuǎn)換為光，一般為高能級(jí)的光脈沖。
[0037]光放大器件用于將電光轉(zhuǎn)換器件輸出的光脈沖信號(hào)進(jìn)行放大。其可以是光放大晶體，也可以是光放大光纖等；將光脈沖信號(hào)進(jìn)行壓縮放大，之后以主動(dòng)或被動(dòng)調(diào)Q方式輸出。本發(fā)明實(shí)施例中圖示以光放大晶體為例進(jìn)行說(shuō)明，但不對(duì)此進(jìn)行限制。
[0038]光耦合器對(duì)光放大器件輸出的光脈沖信號(hào)進(jìn)行整形或者直接自然擴(kuò)散成特定的光斑形狀，一般擴(kuò)散成多個(gè)光斑，形成大面積光斑陣列，以空間耦合或光纖耦合的方式進(jìn)行輸出。光耦合器可以是陣列光纖束、光學(xué)衍射分光元件、透鏡等。
[0039]光電半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)為多元胞多門(mén)級(jí)結(jié)構(gòu)，其基底為光電效應(yīng)材料，光電效應(yīng)材料可以是硅材料，也可以是砷化鎵、碳化硅、氮化鎵等材料，光耦合器件輸出的陣列光脈沖照射光電效應(yīng)材料，在多個(gè)光電效應(yīng)區(qū)域，大面積、多結(jié)深產(chǎn)生光生載流子，并且具有一定的濃度，達(dá)到直接光致線(xiàn)性放大導(dǎo)通模式。
[0040]在光電效應(yīng)材料上制作有多層摻雜結(jié)構(gòu)，以形成多個(gè)NPN結(jié)構(gòu)和PNP結(jié)構(gòu)，也可以稱(chēng)之為P-N-P-N結(jié)構(gòu)，與傳統(tǒng)功率半導(dǎo)體器件不同的是，該多層摻雜結(jié)構(gòu)中的NPN結(jié)構(gòu)與PNP結(jié)構(gòu)均沒(méi)有電接觸的基極。光耦合器件耦合輸出的陣列光脈沖信號(hào)可直接照射到NPN結(jié)構(gòu)與PNP結(jié)構(gòu)的P區(qū)與N區(qū)，在對(duì)應(yīng)區(qū)域進(jìn)行直接快速放大，這一過(guò)程可描述為光致線(xiàn)性放大導(dǎo)通模式；當(dāng)光脈沖逐漸消失過(guò)程中，在外加電場(chǎng)作用下，光生載流子與已建立的正反饋機(jī)制共同作用，使器件維持導(dǎo)通，光生載流子進(jìn)一步擴(kuò)散；當(dāng)光脈沖完全消失后，光直接生產(chǎn)的載流子消失后，建立起來(lái)的正反饋機(jī)制在電場(chǎng)的作用下，載流子向周邊區(qū)域輸運(yùn)，形成大面積完全導(dǎo)通，放大倍數(shù)得以維持，導(dǎo)通電阻進(jìn)一步減小，這一過(guò)程可描述為場(chǎng)致非線(xiàn)性放大導(dǎo)通模式。整個(gè)過(guò)程經(jīng)歷早期的光致線(xiàn)性放大導(dǎo)通模式、晚期的場(chǎng)致非線(xiàn)性放大導(dǎo)通模式以及中期的混合放大導(dǎo)通模式。
[0041]如圖2所示，本實(shí)施例的高功率重頻固態(tài)開(kāi)關(guān)的工作過(guò)程具體為：
將供電轉(zhuǎn)換為一個(gè)高電壓、大電流脈沖；
通過(guò)電光轉(zhuǎn)換器件將電功率轉(zhuǎn)換為光脈沖信號(hào)；
光脈沖信號(hào)在光放大器件中進(jìn)行放大，產(chǎn)生放大的光功率；
放大后的光經(jīng)光耦合器器件耦合輸出，照射光電效應(yīng)材料，產(chǎn)生初始濃度較高的光生載流子，將光功率轉(zhuǎn)換至電功率；
光生載流子在P-N-P-N結(jié)構(gòu)中進(jìn)行光致線(xiàn)性放大導(dǎo)通模式和/或場(chǎng)致線(xiàn)性放大導(dǎo)通模式，獲得更高的電功率。
[0042]本實(shí)施例的高功率重頻固態(tài)開(kāi)關(guān)能夠?qū)崿F(xiàn)全新的工作機(jī)制：
開(kāi)關(guān)導(dǎo)通初期，高電流變化率（di/dt）階段，光致線(xiàn)性放大導(dǎo)通模式：基于前級(jí)光放大的基礎(chǔ)，光脈沖直接照射光電效應(yīng)材料，產(chǎn)生快速的光電效應(yīng)，形成大量均勻分布的光生載流子，進(jìn)入光致線(xiàn)性放大導(dǎo)通模式。
[0043]開(kāi)關(guān)導(dǎo)通后期，大電流持續(xù)導(dǎo)通階段，場(chǎng)致非線(xiàn)性模式：基于已有的光生載流子分布，在高電場(chǎng)的作用下，迅速擴(kuò)散倍增，大面積均勻?qū)?，進(jìn)入場(chǎng)致非線(xiàn)性放大導(dǎo)通模式。
[0044]開(kāi)關(guān)導(dǎo)通中期，光致線(xiàn)性放大導(dǎo)通模式與場(chǎng)致非線(xiàn)性放大導(dǎo)通模式共同作用，使開(kāi)關(guān)具有更高的功率放大倍數(shù)。
[0045]本發(fā)明實(shí)施例提出的高功率重頻固態(tài)開(kāi)關(guān)相較于現(xiàn)有開(kāi)關(guān)器件，具備如下表1所示的特性。
[0046]表1
注：表1中，“+”表示具備該特性，“-”表示不具備該特性或者受限制。
[0047]由表1可知，本發(fā)明實(shí)施例提出的高功率重頻固態(tài)開(kāi)關(guān)既具備光導(dǎo)開(kāi)關(guān)的光電隔離、快速等方面的優(yōu)勢(shì)，又具備SGTO類(lèi)開(kāi)關(guān)的高電荷轉(zhuǎn)移量、大電流等優(yōu)勢(shì)，因此可以很好的用于加速器中部分替代傳統(tǒng)氣體閘流管、用于脈沖功率裝置中部分替代氣體開(kāi)關(guān)、用于特種電源領(lǐng)域部分替代光導(dǎo)開(kāi)關(guān)等、用于激光裝置中的普克爾盒中替代傳統(tǒng)的MOSFET串聯(lián)開(kāi)關(guān)、用于電磁發(fā)射與電磁焊接等需要高電流變化率（di/dt）的高功率開(kāi)關(guān)等。
[0048]實(shí)施例2
如圖3所示，本實(shí)施例以激光二極管、微片放大器件、DOE+透鏡為例，對(duì)上述實(shí)施例1提出的高功率重頻固態(tài)開(kāi)關(guān)的工作過(guò)程進(jìn)行說(shuō)明：
將放大后的電功率輸入到激光二極管，促使激光二極管輸出激光脈沖信號(hào)；
激光脈沖信號(hào)通過(guò)微片放大器件進(jìn)行放大后，由DOE器件（光學(xué)衍射分光器件）進(jìn)行分光，后由透鏡放大形成均勻的多點(diǎn)光（或陣列光）輸出；
多點(diǎn)光直接大面積照射光電半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)，直接快速光電效應(yīng)，在光電效應(yīng)材料中產(chǎn)生初始較高的光生載流子，開(kāi)關(guān)器件進(jìn)入初始導(dǎo)通狀態(tài)，即光致線(xiàn)性放大導(dǎo)通模式；隨著光脈沖逐漸消失，光生載流子與已建立的正反饋機(jī)制在電場(chǎng)加載下共同作用，使器件維持導(dǎo)通，光生載流子進(jìn)一步擴(kuò)散，開(kāi)關(guān)器件進(jìn)入中期導(dǎo)通狀態(tài)，此時(shí)為光致線(xiàn)性放大導(dǎo)通與場(chǎng)致非線(xiàn)性放大導(dǎo)通共同作用，即混合放大導(dǎo)通模式；當(dāng)光脈沖完全消失后，光直接產(chǎn)生的載流子消失，建立起來(lái)的正反饋機(jī)制在電場(chǎng)的作用下，載流子向周邊區(qū)域輸運(yùn)，形成大面積完全導(dǎo)通，開(kāi)關(guān)進(jìn)入后期導(dǎo)通狀態(tài)，即場(chǎng)致非線(xiàn)性放大導(dǎo)通狀態(tài)。
[0049]實(shí)施例3
如圖4所示，本實(shí)施例以氙燈、YAG晶體放大器件、光纖陣列為例，對(duì)上述實(shí)施例1提出的高功率重頻固態(tài)開(kāi)關(guān)的工作過(guò)程進(jìn)行說(shuō)明：
將放大后的電功率輸入到氙燈，促使氙燈輸出激光脈沖信號(hào)；
激光脈沖信號(hào)通過(guò)YAG晶體放大器件進(jìn)行放大后，由光纖陣列進(jìn)行分光后進(jìn)行多點(diǎn)耦合放大輸出；
多點(diǎn)光直接大面積照射光電半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)，直接快速光電效應(yīng)，在光電效應(yīng)材料中產(chǎn)生初始較高的光生載流子，開(kāi)關(guān)器件進(jìn)入初始導(dǎo)通狀態(tài)，即光致線(xiàn)性放大導(dǎo)通模式；隨著光脈沖逐漸消失，光生載流子與已建立的正反饋機(jī)制在電場(chǎng)加載下共同作用，使器件維持導(dǎo)通，光生載流子進(jìn)一步擴(kuò)散，開(kāi)關(guān)器件進(jìn)入中期導(dǎo)通狀態(tài)，此時(shí)為光致線(xiàn)性放大導(dǎo)通與場(chǎng)致非線(xiàn)性放大導(dǎo)通共同作用，即混合放大導(dǎo)通模式；當(dāng)光脈沖完全消失后，光直接產(chǎn)生的載流子消失，建立起來(lái)的正反饋機(jī)制在電場(chǎng)的作用下，載流子向周邊區(qū)域輸運(yùn)，形成大面積完全導(dǎo)通，開(kāi)關(guān)進(jìn)入后期導(dǎo)通狀態(tài)，即場(chǎng)致非線(xiàn)性放大導(dǎo)通狀態(tài)。
[0050]實(shí)施例4
本實(shí)施例對(duì)上述實(shí)施例1提出的高功率重頻固態(tài)開(kāi)關(guān)進(jìn)行了測(cè)試，其典型參數(shù)測(cè)試結(jié)果如圖5-圖7所示。
[0051]圖5所示為高功率重頻固態(tài)開(kāi)關(guān)在光電半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)直徑為12mm左右的測(cè)試結(jié)果，其中，虛線(xiàn)為電放大后的電流波形（陰極測(cè)試），單位為A；實(shí)線(xiàn)為開(kāi)關(guān)加載的電壓波形（陽(yáng)極測(cè)試），單位為V；橫坐標(biāo)為時(shí)間，單位為ns。根據(jù)附圖可知：
本實(shí)施例的高功率重頻固態(tài)開(kāi)關(guān)在約12mm直徑結(jié)構(gòu)上，采用典型參數(shù)測(cè)試，獲得了約8kA電流，18ns的電流前沿（包含回路電感等），輸出電流變化率（di/dt）達(dá)到400kA/μs以上，單個(gè)器件峰值功率大于40MW（如圖5中所示，峰值電流約8.11kA，峰值電壓約5.15kV，則峰值功率約為41.77MW）。
[0052]圖6所示為另一示例的高功率重頻固態(tài)開(kāi)關(guān)在光電半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)直徑為12mm左右的測(cè)試結(jié)果，其中，虛線(xiàn)為電放大后的電流波形（陰極測(cè)試），單位為A；實(shí)線(xiàn)為開(kāi)關(guān)加載的電壓波形（陰極測(cè)試），單位為V；橫坐標(biāo)為時(shí)間，單位為μs。根據(jù)附圖知：
本實(shí)施例的高功率重頻固態(tài)開(kāi)關(guān)在約12mm直徑結(jié)構(gòu)上，采用典型參數(shù)測(cè)試，獲得了約4.43kA電流，36.7ns的電流前沿，輸出電流變化率（di/dt）達(dá)到120kA/μs以上（受到測(cè)試回路的限制），峰值功率達(dá)到20MW以上（如圖6所示，峰值電流約4.43kA，峰值電壓為4.65kV，則峰值功率約20.60MW），脈沖寬度為5μs。
[0053]圖7所示為高功率重頻固態(tài)開(kāi)關(guān)在光電半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)直徑為38mm左右的測(cè)試結(jié)果，其中，虛線(xiàn)為電放大后的電流波形（陰極測(cè)試），單位為A；實(shí)線(xiàn)為開(kāi)關(guān)加載的電壓波形（陽(yáng)極測(cè)試），單位為V；橫坐標(biāo)為時(shí)間，單位為μs。根據(jù)附圖可知：
本實(shí)施例的高功率重頻固態(tài)開(kāi)關(guān)在約38mm直徑結(jié)構(gòu)上，采用典型參數(shù)測(cè)試，獲得了約43kA電流，1.12μs的電流前沿，輸出電流變化率（di/dt）達(dá)到38kA/μs以上（受到測(cè)試回路的限制），峰值功率達(dá)到200MW以上（如圖7所示，峰值電流約43.4kA，峰值電壓約5.11kV，峰值功率約221.77MW），脈沖寬度為16μs。
[0054]以上所述的具體實(shí)施方式，對(duì)本發(fā)明的目的、技術(shù)方案和有益效果進(jìn)行了進(jìn)一步詳細(xì)說(shuō)明，所應(yīng)理解的是，以上所述僅為本發(fā)明的具體實(shí)施方式而已，并不用于限定本發(fā)明的保護(hù)范圍，凡在本發(fā)明的精神和原則之內(nèi)，所做的任何修改、等同替換、改進(jìn)等，均應(yīng)包含在本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。
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光放大和電放大組合控制的高功率重頻固態(tài)開(kāi)關(guān)及方法.pdf
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“光放大和電放大組合控制的高功率重頻固態(tài)開(kāi)關(guān)及方法” 該技術(shù)專(zhuān)利(論文)所有權(quán)利歸屬于技術(shù)(論文)所有人。僅供學(xué)習(xí)研究，如用于商業(yè)用途，請(qǐng)聯(lián)系該技術(shù)所有人。
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編輯：中冶有色技術(shù)網(wǎng)
來(lái)源：中國(guó)工程物理研究院流體物理研究所
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