光放大和电放大组合控制的高功率重频固态开关及方法技术

本发明专利技术公开了一种光放大和电放大组合控制的高功率重频固态开关及方法，开关包括光脉冲单元、光放大器件、光耦合器件和光电半导体结构；光电半导体结构为以光电效应材料为基底，在光电效应材料上制作多层掺杂结构；光脉冲单元用于向光放大器件输出光脉冲信号；光放大器件用于将光脉冲信号放大；光耦合器件用于将放大后的光脉冲信号整形扩散成阵列光脉冲信号输出至光电半导体结构；光电效应材料在光脉冲信号照射下产生光生载流子，光生载流子在多层掺杂结构中进行光致线性模式放大和/或场致非线性模式放大，实现高功率放大导通。本发明专利技术采用光放大和电放大结合控制的方式，使得开关器件获得高电压、大电流、快导通速度、高电荷转移量等优点。转移量等优点。转移量等优点。

【技术实现步骤摘要】
光放大和电放大组合控制的高功率重频固态开关及方法


[0001]本专利技术属于高功率半导体开关
，具体涉及一种光放大和电放大组合控制的高功率重频固态开关及方法。

技术介绍

[0002]在现有高功率开关技术中，可同时具备高电压、大电流、快导通速度、高电荷转移量、精确延迟时间能力的开关，只有气体类的开关，如氢闸流管、赝火花开关、气体开关等，但由于该类开关均有寿命限制，无法实现免维护使用；并且由于气体类开关的工作机制因素，开关有自击穿概率存在，即可能会发生偶发性自击导通的情况。
[0003]已有的功率半导体开关技术中，开关器件无法同时具备高电压、大电流、快导通速度、高电荷转移量、精确延迟时间能力。目前比较常见的功率半导体开关器件包括IGBT、MOSFET、MCT、SGTO，难以同时实现峰值功率数十兆瓦（MW）时，电流变化率（di/dt）达到上百千安每微秒（kA/μs）。
[0004]而砷化镓与碳化硅光导开关无法实现高电荷转移量等，电流也受到限制，一般难以突破10kA，导致脉冲宽度限制在百ns量级。硅光导开关可支持宽脉宽，但难以耐受长期加载直流电压。

技术实现思路

[0005]为了克服现有开关技术存在的局限性，本专利技术提供了一种光放大和电放大组合控制的高功率重频固态开关。本专利技术采用光放大和电放大结合控制的方式，将开关器件的功率放大倍数进行多次交替，最后实现高功率放大倍数，使得开关器件获得高电压、大电流、快导通速度、高电荷转移量和精确延迟时间的优点。
[0006]本专利技术通过下述技术方案实现：一种光放大和电放大组合控制的高功率重频固态开关，包括：光脉冲单元、光放大器件、光耦合器件和光电半导体结构；其中，所述光电半导体结构为以光电效应材料为基底，在光电效应材料上制作多层掺杂结构，以形成多个PNP结构和NPN结构，且PNP结构和NPN结构均没有电接触的基极；所述光脉冲单元用于向所述光放大器件输出光脉冲信号；所述光放大器件用于将所述光脉冲信号放大；所述光耦合器件用于将放大后的光脉冲信号整形扩散成阵列光脉冲信号输出至所述光电半导体结构；所述光电效应材料在光脉冲信号照射下产生光生载流子，光生载流子在多层掺杂结构中进行光致线性模式放大和/或场致非线性模式放大，实现高功率放大导通。
[0007]相较于现有的开关器件，本专利技术提出的新型开关器件，采用光放大和电放大结合控制的方式，其克服了现有开关器件存在的局限性，具备高电压、大电流、快导通速度、高电荷转移量、精确延迟时间等特点，适用范围广。
[0008]作为优选实施方式，本专利技术的光脉冲单元包括脉冲电源和电光转换器件；所述脉冲电源用于将供电电源转换为高功率电源；所述电光转换器件将高功率电源转换为光脉冲信号。
[0009]作为优选实施方式，本专利技术的脉冲电源为激光电源。
[0010]作为优选实施方式，本专利技术的电光转换器件为气体介质器件或固体介质器件。
[0011]作为优选实施方式，本专利技术的电光转换器件为氙灯或激光二极管。
[0012]作为优选实施方式，本专利技术的光放大器件为光放大晶体或光放大光纤。
[0013]作为优选实施方式，本专利技术的光耦合器为光学衍射分光元件、光学透镜或阵列光纤束。
[0014]作为优选实施方式，本专利技术的光电效应材料为硅、砷化镓、碳化硅或氮化镓。
[0015]第二方面，本专利技术提出了基于上述高功率重频固态开关的工作方法，该方法包括：将供电转换为光脉冲信号输出；对光脉冲信号进行放大；将放大后的光脉冲信号整形扩散成阵列光脉冲信号；阵列光脉冲信号照射到光电效应材料中，产生光生载流子；光生载流子在多层掺杂结构中进行光致线性模式放大和/或场致非线性模式放大，实现高功率放大导通。
[0016]作为优选实施方式，本专利技术的光生载流子在多层掺杂结构中进行光致线性模式放大和/或场致非线性模式放大，具体包括：开关导通初期，进行光致线性模式放大导通；开关导通中期，进行光致线性模式和场致非线性模式混合放大导通；开关导通后期，进行场致非线性模式放大导通；所述光致线性模式放大导通为阵列光脉冲信号直接照射PNP结构的N区和NPN结构的P区，在对应区域进行快速放大导通；所述场致非线性模式放大导通为已建立的正反馈机制在电场作用下，快速扩散导通。
[0017]本专利技术具有如下的优点和有益效果：本专利技术提供的高功率重频固态开关是一种用于高功率脉冲产生的新型开关器件，能够获得高电压、大电流、快前沿、高重复频率的脉冲输出。
[0018]本专利技术提供的高功率重频固态开关器件的工作电压可达到0~30kV，工作电流可达到0~200kA，电流变化率（di/dt）超过400kA/μs，重复频率可达到0～10kHz。
[0019]本专利技术提供的高功率重频固态开关器件特别适用于大电流快前沿的脉冲功率产生中，可替代气体开关、气体触发管、氢闸流管、赝火花开关、串联MOSFET、FID、SOS、PCSS光导开关等。
附图说明
[0020]此处所说明的附图用来提供对本专利技术实施例的进一步理解，构成本申请的一部分，并不构成对本专利技术实施例的限定。在附图中：图1为本专利技术实施例的开关原理框图。
[0021]图2为本专利技术实施例的开关工作流程示意图。
[0022]图3为本专利技术实施例的开关工作流程示例一。
[0023]图4为本专利技术实施例的开关工作流程示例二。
[0024]图5为本专利技术实施例的开关示例一的测试效果图。
[0025]图6为本专利技术实施例的开关示例二的测试效果图。
[0026]图7为本专利技术实施例的开关示例三的测试效果图。
具体实施方式
[0027]在下文中，可在本专利技术的各种实施例中使用的术语“包括”或“可包括”指示所专利技术的功能、操作或元件的存在，并且不限制一个或更多个功能、操作或元件的增加。此外，如在本专利技术的各种实施例中所使用，术语“包括”、“具有”及其同源词仅意在表示特定特征、数字、步骤、操作、元件、组件或前述项的组合，并且不应被理解为首先排除一个或更多个其它特征、数字、步骤、操作、元件、组件或前述项的组合的存在或增加一个或更多个特征、数字、步骤、操作、元件、组件或前述项的组合的可能性。
[0028]在本专利技术的各种实施例中，表述“或”或“A或/和B中的至少一个”包括同时列出的文字的任何组合或所有组合。例如，表述“A或B”或“A或/和B中的至少一个”可包括A、可包括B或可包括A和B二者。
[0029]在本专利技术的各种实施例中使用的表述(诸如“第一”、“第二”等)可修饰在各种实施例中的各种组成元件，不过可不限制相应组成元件。例如，以上表述并不限制所述元件的顺序和/或重要性。以上表述仅用于将一个元件与其它元件区别开的目的。例如，第一用户装置和第二用户装置指示不同用户装置，尽管二者都是用户装置。例如，在不脱离本专利技术的各种实施例的范围的情况下，第一元件可被称为第二元件，同样地，第二元件也可被称为第一元件。
[0030]应注意到：如果描述将一个组成元件“连接”到另一组成本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种光放大和电放大组合控制的高功率重频固态开关，其特征在于，包括：光脉冲单元、光放大器件、光耦合器件和光电半导体结构；其中，所述光电半导体结构为以光电效应材料为基底，在光电效应材料上制作多层掺杂结构，以形成多个PNP结构和NPN结构，且PNP结构和NPN结构均没有电接触的基极；所述光脉冲单元用于向所述光放大器件输出光脉冲信号；所述光放大器件用于将所述光脉冲信号放大；所述光耦合器件用于将放大后的光脉冲信号整形扩散成阵列光脉冲信号输出至所述光电半导体结构；所述光电效应材料在光脉冲信号照射下产生光生载流子，光生载流子在多层掺杂结构中进行光致线性模式放大和/或场致非线性模式放大，实现高功率放大导通。2.根据权利要求1所述的一种光放大和电放大组合控制的高功率重频固态开关，其特征在于，所述光脉冲单元包括脉冲电源和电光转换器件；所述脉冲电源用于将供电电源转换为高功率电源；所述电光转换器件将高功率电源转换为光脉冲信号。3.根据权利要求2所述的一种光放大和电放大组合控制的高功率重频固态开关，其特征在于，所述脉冲电源为激光电源。4.根据权利要求2所述的一种光放大和电放大组合控制的高功率重频固态开关，其特征在于，所述电光转换器件为气体介质器件或固体介质器件。5.根据权利要求2所述的一种光放大和电放大组合控制的高功率重频固态开关，其特征在于，所述电光转换器件为氙灯或激光二极管。6.根据权利要求1所述的一种光放大和电放大...

【专利技术属性】
技术研发人员：王凌云，袁建强，刘宏伟，谢卫平，栾崇彪，姜苹，李洪涛，
申请(专利权)人：中国工程物理研究院流体物理研究所，
类型：发明
国别省市：