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光觸發大功率半導體開關研究進展

文章來源:《強激光與粒子束》編輯部   時間:2019-12-08 訪問數:

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由于在基礎科學研究和工業領域的應用拓展(包括加速器電源、激光器電源、納米材料制作、細胞改性等)以及高功率電磁脈沖源發展需求牽引,近年來脈沖功率技術朝著高重復頻率、高平均功率的方向發展,且要求脈沖功率源必須實現緊湊、模塊化、長壽命和高重復頻率運行,由此基于固體開關器件的固態脈沖功率技術得到了蓬勃發展。

光導開關是超快脈沖激光器和光電半導體(通常為Si、GaAs、SiC)相結合形成的固體開關器件,通過觸發光對半導體材料電導率的控制實現開關的導通和關斷,由于同時在功率容量和重復頻率兩方面具有較大優勢而備受關注。在激光觸發下光導開關導通速度可大于300 kA/μs,且具有光電隔離的優點。高壓晶閘管已有成熟的系列產品,功率容量大,可實現大電流輸出,但開關導通慢。將激光觸發快導通與高壓晶閘管結合的高壓光控晶閘管有望成為高功率容量快導通的成熟開關器件。

從應用需求出發,基于固體開關構建固態重頻脈沖功率源需要關注開關功率、導通時間、重復頻率、開關壽命等技術指標。實際應用中以上指標綜合考慮時面臨得失取舍。開關功率越大、導通時間(輸出脈沖寬度)越大,開關運行重復頻率越高,則開關壽命越短?;诠鈱ч_關輸出重頻長脈沖或高重頻短脈沖時均面臨著由于開關導通時間過長(長脈沖功率源)或者重復頻率過高(短脈沖功率源)等帶來損傷累積以致開關失效的關鍵科學問題。本項研究緊密圍繞這一關鍵問題,從材料選擇、導通機制、結構設計、觸發方式等方面提升了光導開關性能;將光導開關觸發方式應用于高壓晶閘管,提升了高壓光控晶閘管的電流上升速率。

1  基于長載流子壽命Si材料光導開關實現百ns量級長脈沖輸出的方法

1975Si材料光導開關首先研制成功,兩年后即1977年,第二代半導體GaAs取代Si成為光導開關主流材料。Si等間接帶隙半導體材料制成的光導開關只能工作在線性模式,即光電導材料每吸收一個大于一定能量的光子產生一個電子空穴對,開關的輸出電脈沖幅度與光脈沖的強度基本上呈線性關系。直接帶隙半導體材料(GaAs、InP)制成的光導開關除了可以工作在線性模式以外,還可以工作在非線性模式,只有當施加的偏置電壓和入射光能量都超過某個閾值的時候方能進入非線性模式;非線性模式下即使光脈沖熄滅開關也能夠維持導通狀態一段時間。

光導開關工作在線性模式時,開關的輸出電脈沖與光脈沖很相似,如圖1(a)所示。由于激光脈沖通常為數ns,因此線性模式光導開關的輸出電脈沖通常也為數ns。針對長脈沖輸出的特殊要求,GaAs光導開關必須工作在非線性模式下,通過光脈沖熄滅后開關的持續導通狀態才能實現百ns級的脈沖輸出,如圖1(b)所示。由于非線性模式下GaAs光導開關中存在電流絲現象,將導致開關單次導通時局部的嚴重損傷,因此,在長脈沖輸出場合GaAs光導開關的應用受到了限制。

Si光導開關只能工作在線性模式,輸出電脈沖通常與觸發激光脈沖相同(ns)。由于Si材料的熱導率是GaAs材料的2.6倍,Si光導開關的散熱性能優于GaAs光導開關,如能解決長脈沖輸出的問題,則在損傷控制方面,Si光導開關優于GaAs光導開關。

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從光導開關的暗態電阻公式出發,通過考察光生載流子的變化,結合載流子連續性方程,并對激光脈沖進行高斯脈沖近似,可以得到光導開關的電阻表達式

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使用Matlab模擬了載流子壽命改變對開關瞬態過程中載流子數密度的影響。圖2是激光脈沖的波形,激光脈沖的中心點為10 ns,半高寬為5 ns,圖3是在其他條件相同的情況下,當載流子復合壽命在0.5~50 ns變化時得到的載流子數密度的變化曲線。從圖中可以看出,當載流子壽命小于激光脈沖的半高寬時(如載流子壽命為0.5 ns1 ns),載流子數密度的變化曲線與激光脈沖基本一致,即回路電流波形與激光脈沖波形基本一致。當載流子復合壽命大于激光脈沖的半高寬時,載流子數密度的變化曲線有所不同;在載流子數密度達到最大值后,載流子數密度以復合時間的倒數為時間常數作指數衰減。載流子壽命從0.5~50 ns變化的過程中,可以看出由于載流子復合速度變慢,載流子數密度的幅值逐漸增加,且幅值對應的時間點也不斷后移。當載流子壽命為50 ns時,在100 ns的時間尺度上,載流子數密度從峰值降到了峰值的18%,如果載流子壽命遠遠大于50 ns,則可以在100 ns的時間尺度上基本實現平頂輸出。通過控制Si材料摻雜參數提高了載流子壽命,實現了脈沖寬度大于100 ns的脈沖輸出(如圖4所示),并通過在Si光導開關表面施加二氧化硅層、加強吸潮保護、使用多層金屬的歐姆接觸等方式提升了脈沖高壓偏置下Si光導開關的性能。

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2  高偏置場強下光生載流子對GaAs光導開關放電電流的彌散作用

不同波長的激光觸發下,GaAs材料對光的吸收情況不同,對本征光電導的情況(光子能量大于禁帶寬度),由于吸收深度小,載流子只在開關表面薄層產生,盡管入射光能量均沉積在開關體內,能量利用效率高,但開關電流密度高,對壽命影響較大,同時高光子能量的激光設備效率較低,且同樣能量下光子數目少,因此一般采用YAG激光器的基頻光觸發(1064 nm)。1064 nm激光觸發屬于非本征光電導的情況,吸收深度較大(往往大于開關厚度),因此載流子在整個開關內部都產生,但激光透過開關造成觸發光能量損失。測試得到了GaAs材料在200~1 100 nm范圍內的吸收深度隨波長的變化曲線,如圖5所示。

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從圖5可以看出,對于常用來觸發GaAs光導開關的1 064 nm激光,吸收深度約3 mm;市場上標準0.6 mm晶圓制作的開關,理論上其吸收光能僅18%。采用了非標3 mm厚的GaAs芯片構建側面電極體開關結構(6),理論計算其吸收光能為63%。通過測試不同厚度芯片時開關輸出電壓與充電電壓的關系,進一步分析了芯片厚度對輸出效率及導通電阻的影響。結果表明,同樣的觸發光能條件下,5 mm10 mm厚開關芯片輸出電壓明顯高于0.6 mm厚開關芯片,5 mm厚開關與10 mm厚開關輸出電壓基本一致。這也驗證了側面電極的增厚型GaAs光導開關結構能夠提高光能利用效率,從而降低開關損傷。

非線性模式下GaAs光導開關的電流絲導致開關導通時的局部損傷。GaAs光導開關電流絲產生的根源在于GaAs材料內部的局部高場強引起的雪崩過程,而非線性模式的閾值場強很低,實驗中給出的是3.6~4.5 kV/cm,在高偏置場強下電流絲的出現似乎是無法避免的。但研究表明,額外載流子對電流絲存在明顯的抑制作用。設計了如圖7的實驗,采用具有一定時間間隔的兩束激光觸發光導開關,激光脈寬均為80 ps。第一束光能量約40 μJ(光束a),聚焦成單條線光束;第二束光能量約500 μJ(光束b),覆蓋整個開關;光束a延遲約2.1 ns后光束b入射開關。圖8給出了僅光束a、兩束光以及僅光束b觸發時的開關瞬態圖像??梢钥闯?,僅光束a觸發時,開關內出現明顯的電流絲圖像;兩束光觸發時,同樣的拍攝時刻電流絲幾乎消失;僅有光束b觸發時,同一時刻沒有拍攝到明顯的電流絲。因此,高偏置場強條件下額外光生載流子對GaAs光導開關放電電流具有彌散作用,從而可以降低光導開關內的導通電流密度,降低開關損傷,進而實現開關的高功率、高重頻及長壽命運行。

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3  基于光纖蜂窩狀排布組合分束或激光二極管實現了兆赫茲重頻的觸發光源

要實現光導開關的兆赫茲重復頻率運行,必須有兆赫茲重復頻率的光源來觸發。由脈沖激光器直接輸出兆赫茲重復頻率的激光難度大,性價比不高。本項研究研制了基于光纖蜂窩狀排布組合分束或基于兆赫茲重頻脈沖驅動激光二極管的兆赫茲重頻觸發光源。

基于光纖蜂窩狀排布組合分束的兆赫茲重頻觸發光源基本原理為通過固定的時間延遲來產生兆赫茲重頻的觸發光序列。由于單根光纖所能傳輸能量的限制和脈沖功率源緊湊化、可移動化的需求,基于光纖蜂窩狀排布組合分束的兆赫茲重頻觸發光源將多根光纖以圖9中所示的蜂窩狀排布在一個圓形包層內,光纖之間相切;光纖長短不一,通過設計長度差來實現所需的光信號延遲,從而得到兆赫茲重頻的觸發光序列。為了實現觸發光序列之間脈沖能量的一致性,考慮激光器輸出光斑的能量分布,對不同位置的光纖進行分組,通過合理組合實現分束。

為實現光纖之間的合理組合,需要計算不同位置光纖傳輸的激光功率。針對蜂窩狀排布光纖,建立了坐標系,對光纖進行編號,如圖10所示。推導了以任何點為半徑的圓內通過的功率與總功率之比kn,d的表達式。

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設計了光纖分組方法,根據kn,d的表達式,設計了分組方法,基本思路為:

1)輸入分光系統層數、光纖半徑、輸出光脈沖數、激光器焦斑尺寸;

2)由計算子程序得到k(n,d)數值并由小到大排列;

3)尋找待分配的a組中的數值之和最小的組An;

4)將被分配的隊列中最大的數分配給該組;

5)再次尋找待分配a組中數值之和最小的組An;       

6)將被分配隊列中最大的數分配給該組;

7)循環分配至結束。

編制了相關程序,可解決大量(數百甚至更多)光導開關使用時的光纖組合分束問題,并實現了輸出端光強的一致性,可有效避免由于觸發光能量差異造成的開關狀態差異過大導致的多開關連續擊穿。

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基于兆赫茲重頻脈沖驅動激光二極管的兆赫茲重頻觸發光源主要包含三部分:數字信號發生器、驅動模塊和激光二極管。數字信號發生器主要用于產生兆赫茲重頻觸發電信號,驅動模塊將220 V工頻電壓轉化為脈沖高壓,最終激光二極管輸出兆赫茲重頻觸發光。激光二極管模塊如圖11所示,采用基于MOSFET的高壓電路,驅動模塊如圖12所示,驅動模塊可實現最高300 A的電流輸出, 激光二極管的輸出功率為800 W。

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基于光纖蜂窩狀排布組合分束或基于兆赫茲脈沖驅動激光二極管的兆赫茲重頻觸發光源均可實現猝發兆赫茲重頻的脈沖激光輸出。兩種觸發光源的比較如表1所示。

4  基于激光二極管觸發方式實現了高壓光控晶閘管電流上升速率的提升

激光觸發可大大提高高壓半導體開關的電流上升速率。將激光觸發方式用于高壓晶閘管,改變了開關觸發方式,可補上高壓晶閘管成熟產品導通速度慢的短板。目前,國內外已有光控晶閘管相關報道,可用于電力傳輸和變換,但該類光控晶閘管導通速度仍然較慢,無法直接用于脈沖功率系統。本項研究將光導開關的觸發方式應用于高壓晶閘管。為了實現高壓沖晶閘管的小型化和控制方便,設計了緊湊的激光觸發模塊。采用高壓射頻驅動技術,基于射頻MOSFET管產生前沿小于5 ns,電流幅值約300 A的驅動電流,以驅動高功率脈沖激光二極管。

激光二極管采用激光二極管芯片進行陣列式封裝,并采用金絲球焊、金屬氣密封裝,將平均功率提高了數十倍,如圖13所示。小體積的激光二極管驅動電路結合激光二極管陣列,將激光脈沖峰值功率由百瓦提升至數千瓦。激光觸發模塊輸出激光,并通過光纖傳輸至高壓光控晶閘管。圖14所示為初步設計的能量傳輸光纖及晶閘管實物。

為了解決激光高效率柔性傳輸與饋入問題,設計了多根裸芯并聯的能量傳輸光纖,在能量光纖的首端,設計了用于激光二極管饋入及散熱的耦合器。在能量光纖的末端,設計了直角拐彎的輸出口,以實現激光的柔性傳輸與直角饋入。脈沖激光二極管輸出的激光,通過能量耦合光纖傳輸,并在末端得到光斑勻化,最終匹配高壓光控晶閘管的門極進行耦合觸發。

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將高壓光控晶閘管(見圖15)進行了初步測試。結果表明,高壓光控晶閘管實現了5 kV的開關電壓、2.5 kA的開關電流,電流上升速率大于10 kA/μs。

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