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GaAs-PCSS多通道同步导通条件实验研究

刘毅 谌怡 夏连胜 王卫 叶茂 张篁

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GaAs-PCSS多通道同步导通条件实验研究

    作者简介: 刘 毅(1987-),男,硕士,助理研究员,从事脉冲功率技术及加速器技术研究;109854434@163.com.
  • 基金项目: 国家自然科学基金项目(51507162,51407169,51607166);国家自然科学基金委员会与中国工程物理研究院联合基金项目(U1530156)
  • 中图分类号: TM834

Experimental study on multi-channel synchronous conduction conditions of GaAs-PCSS

  • CLC number: TM834

  • 摘要: 砷化镓光导开关(GaAs-PCSS)是具有快响应、高重频、低抖动、高功率容量的半导体光电导开关,多通道设计能够有效降低GaAs-PCSS非线性大电流导通时的损伤,提高开关寿命。为探究GaAs-PCSS多通道同步导通的必要条件,在基于固态脉冲形成线的实验平台上,通过特殊设计的夹具,将多枚GaAs-PCSS并联连接以作为脉冲形成电路的开关,以对各GaAs-PCSS施以不同的触发信号进行测试。实验结果证明:相同触发信号下,开关导通电流被成功地均分到4个GaAs-PCSS通道中;不同触发信号下,为获得较好的电流均分效果,各通道触发延迟时差须小于1 ns,触发能量差须小于20 μJ。设计了分体式、单体式两种结构的多通道GaAs-PCSS,其中基于刻蚀工艺的单体式20通道GaAs-PCSS在7000余次大电流工作后仅发生轻微损伤。
  • 图 1  实验平台电路示意图

    Fig. 1  Schematic of experimental circuit

    图 2  四GaAs-PCSS并联同步导通触发与测试平台

    Fig. 2  Experimental platform for 4 parallel GaAs-PCSS triggering test

    图 3  各开关中导通电流测试结果

    Fig. 3  Conducting current of each PCSS when 1, 2, 3 or 4 PCSSs are triggered

    图 4  各开关中导通电流百分比与触发能量或触发延迟时间差之间的关系

    Fig. 4  Percentage of conducting current of each PCSS when triggered at different laser energy or trigger time

    图 5  分体式和单体式多通道GaAs-PCSS设计与照片

    Fig. 5  Designs and pictures of split and integrated multi-channel GaAs-PCSS

    图 6  单体式20通道GaAs-PCSS的7000余次导通波形累积图

    Fig. 6  Cumulative graph of load output waveforms (up) and bias voltage (down) of the integrated multi-channel GaAs-PCSS during 7000 shots

    图 7  单体式20通道GaAs-PCSS的7000余次导通前(a)、后(b)对比照,及普通GaAs-PCSS损伤照片(c)

    Fig. 7  Photos of the integrated 20-channel GaAs-PCSS before (a) and after (b) 7000 shots, and a photo of a damaged normal GaAs-PCSS (c)

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出版历程
  • 收稿日期:  2019-09-02
  • 录用日期:  2019-10-12
  • 网络出版日期:  2019-11-28

GaAs-PCSS多通道同步导通条件实验研究

    作者简介: 刘 毅(1987-),男,硕士,助理研究员,从事脉冲功率技术及加速器技术研究;109854434@163.com
  • 中国工程物理研究院 流体物理研究所,四川 绵阳 621900

摘要: 砷化镓光导开关(GaAs-PCSS)是具有快响应、高重频、低抖动、高功率容量的半导体光电导开关,多通道设计能够有效降低GaAs-PCSS非线性大电流导通时的损伤,提高开关寿命。为探究GaAs-PCSS多通道同步导通的必要条件,在基于固态脉冲形成线的实验平台上,通过特殊设计的夹具,将多枚GaAs-PCSS并联连接以作为脉冲形成电路的开关,以对各GaAs-PCSS施以不同的触发信号进行测试。实验结果证明:相同触发信号下,开关导通电流被成功地均分到4个GaAs-PCSS通道中;不同触发信号下,为获得较好的电流均分效果,各通道触发延迟时差须小于1 ns,触发能量差须小于20 μJ。设计了分体式、单体式两种结构的多通道GaAs-PCSS,其中基于刻蚀工艺的单体式20通道GaAs-PCSS在7000余次大电流工作后仅发生轻微损伤。

English Abstract

  • 砷化镓光导开关(GaAs-PCSS)是一种可以通过脉冲红外激光触发使GaAs半导体从高电阻率迅速变为高电导率的新型高功率半导体器件[1]。由于GaAs-PCSS具有响应快、抖动小[2]、重复频率高、功率容量大、耐压高、体积小、抗电磁干扰、光电分离等优点,随着高功率脉冲应用的发展,PCSS日益收到重视[3],在紧凑型脉冲功率源[4]、高功率超宽带脉冲源[5]、超快电子学、THz产生与探测[6]等领域有着极其广阔的前景。由于GaAs-PCSS的非线性导通特性,小功率的激光发生器即可触发其高功率工作,非常适用于紧凑型高功率脉冲系统,因而GaAs-PCSS的非线性导通是其研究热点。

    GaAs-PCSS目前在应用中的主要问题是高功率工作下的寿命问题,特别是在须由激光二极管触发的大规模集成应用中,寿命及稳定性问题尤为突出[7]。研究者们普遍观察到GaAs-PCSS非线性导通时的电流丝现象,是制约GaAs-PCSS工作寿命的根本因素[8-10]。为应对这一问题,使GaAs-PCSS既能在非线性模式导通大电流,又能保持一定的工作寿命,比较现实的方法是使其发生稳定的多通道导通以降低各个通道中导通电流,以减小开关损伤,提升工作稳定性和工作寿命[11-12]

    本文重点研究了GaAs-PCSS多通道同步导通条件。首先通过巧妙的实验设计,验证了GaAs-PCSS发生多通道导通的可行性,并直接测量了4路同步导通时各通道中的导通电流;然后对各通道的触发条件进行独立控制,研究了各通道触发能量和触发延迟时差对导通同步性的影响;最后,设计了具有多通道结构的GaAs-PCSS,并开展了初步的多通道GaAs-PCSS导通实验。

    • 本研究中,实验平台是由固态平板脉冲形成线构建的Blumlein线脉冲形成电路,出于探索同步导通触发条件的研究目的,该脉冲形成电路的开关是由2~4个GaAs-PCSS并联构成,其中每个GaAs-PCSS分别由各自的激光二极管触发器独立触发。本实验中主要观测的实验参数为各GaAs-PCSS的导通电流大小和时间,因而设计了特殊的夹具,可以同时测量通过各GaAs-PCSS电流信号。

      图1所示,固态脉冲形成线是平行板结构,介质为铌酸盐体系玻璃陶瓷,介电常数约为17,尺寸为300 mm×30 mm×6 mm,两面银电极尺寸为280 mm×4 mm,该脉冲形成线特征阻抗为59.3 Ω。GaAs-PCSS为本征砷化镓,暗态电阻率为大于108 Ω·m,尺寸为12 mm×2 mm×0.8 mm,异面电极结构,电极间隙为5 mm。每个GaAs-PCSS焊接在PCB框架上并与引线连接,整个开关由聚四氟乙烯封装。上述两种器件以及100 Ω电阻负载,构成了基本的Blumlein线脉冲形成电路。

      图  1  实验平台电路示意图

      Figure 1.  Schematic of experimental circuit

      为同时测量各GaAs-PCSS中的导通电流,特殊设计的夹具具备以下功能:固定电流互感器,固定各GaAs-PCSS,设置并调整激光二极管驱动器,连接引线,尽可能保持较短的引线避免回路电感过大。该夹具设计及安装如图2所示,最多可同时设置4个GaAs-PCSS。

      图  2  四GaAs-PCSS并联同步导通触发与测试平台

      Figure 2.  Experimental platform for 4 parallel GaAs-PCSS triggering test

      每个GaAs-PCSS对应1个电流互感器和1个独立的激光二极管驱动器,电流互感器可测量该GaAs-PCSS的导通电流和导通时间,各激光二极管驱动器的触发时间和触发能量均可独立调节,用以探索并联GaAs-PCSS同步导通条件。另外,两个高压探头分别测量偏置电压与负载上输出电压,据此可估算整套并联开关的导通内阻。

    • 在此实验平台上,我们首先开展了4 GaAs-PCSS并联同步导通实验,以验证多个GaAs-PCSS同步导通的可行性。虽然4个GaAs-PCSS已并联安装在电路中,但首先,我们分别令各开关单独导通,以测量单个开关导通时的导通电流,一方面确保每个GaAs-PCSS状态基本一致,另一方面该电流也等于电路总电流。随后,我们从2至4逐渐增加受触发GaAs-PCSS的数量,同时测量了各开关中的导通电流。

      实验结果如图3所示,①为对照组,图中4条曲线分别对应了仅一个GaAs-PCSS受触发时的导通电流,显然,各个GaAs-PCSS的导通电流和导通前沿基本一致,说明这4个被测开关初始状态基本相同,均可受控触发,触发后导通性能基本相同;电路总电流约220 A。②为其中2个开关同时受触发,导通时间基本一致,导通电流幅值分别为104 A和112 A,两个开关的导通电流基本一致,且电流之和与①中电路总电流基本相同,说明电路总电流被有效地均分到了两个并联的PCSS中。③同②,当3个开关同时受触发时,导通时间基本一致,各开关导通电流略有不同,导通电流幅值分别为54 A,79 A和92 A,电流之和与①中电路总电流基本相同,说明电路总电流被有效地分摊到了3个并联的PCSS中。④亦然,当4个开关同时受触发时,导通时间基本一致,各开关导通电流略有不同,导通电流幅值分别为42 A,58 A,61 A和61 A,电流之和与①中电路总电流基本相同,说明电路总电流被有效地分摊到了4个并联的PCSS中。该实验结果明确证明了GaAs-PCSS的多通道导通的可行性。

      图  3  各开关中导通电流测试结果

      Figure 3.  Conducting current of each PCSS when 1, 2, 3 or 4 PCSSs are triggered

    • 为研究GaAs-PCSS并联同步导通的触发能量条件,我们利用相同的实验平台,对2个并联的GaAs-PCSS进行了测试实验:保持其2个激光二极管驱动器触发时间一致,并分别控制激光二极管驱动器的激光能量,测量各GaAs-PCSS的导通电流。

      实验结果如图4(a)所示,横轴为触发开关B的激光相对于触发开关A的激光能量之差,纵轴为开关中导通电流占总电流的百分比。我们可以看到,两个开关所分摊电流的百分比基本与触发能量差呈线性关系,受触发激光能量较高的开关所分摊的导通电流更多,当两个开关触发激光能量差小于20 μJ时,两个开关均可导通,分摊导通电流约为总电流20%或80%,在触发激光能量差小于10 μJ时,分摊电流的效果才足够好,各自能分摊导通电流约为总电流40%~60%。另,图中所显示的对称性表明受测开关状态基本一致,实验结果具有重复性。

      图  4  各开关中导通电流百分比与触发能量或触发延迟时间差之间的关系

      Figure 4.  Percentage of conducting current of each PCSS when triggered at different laser energy or trigger time

      为研究GaAs-PCSS并联同步导通的触发延迟时差条件,我们利用相同的实验平台,对2个并联的GaAs-PCSS进行了测试实验:保持其2个激光二极管驱动器触发能量一致,并分别控制激光二极管驱动器的激光时刻,测量各GaAs-PCSS的导通电流。

      实验结果如图4(b)所示,横轴为开关B相对于开关A的触发时间延迟,纵轴为开关中导通电流占总电流的百分比。我们可以看到,当2个开关触发时间差大于2 ns时,仅先受触发的开关导通,另一个开关无法有效导通电流;当两个开关触发时间差小于2 ns时,两个开关均可导通,且各自分摊的电流百分比基本与触发延迟时差呈线性关系,先受触发的开关所分摊的导通电流更多;但须在时间差小于1 ns时,分摊电流的效果才足够好,各自能分摊导通电流约为总电流40%~60%。另,图中所显示的对称性表明受测开关状态基本一致,实验结果具有重复性。

    • 基于上述实验结果,我们认为具有多通道结构的GaAs-PCSS可以实现将导通电流分摊到各个导通通道中,降低导通通道中实际导通电流,以期获得更好的工作寿命。据此,我们设计了分体式、单体式两种具有多通道结构的GaAs-PCSS。

      分体式多通道GaAs-PCSS结构较为简单,且便于制备:利用多个上述实验中宽度仅为2 mm的GaAs-PCSS,在特别设计的PCB框架上将其组合、并联焊接、外接引线,从而构成多通道GaAs-PCSS,如图5(a)所示。该方法因为使用了成熟的工艺,且每个分体开关的面积极小,相比于普通GaAs-PCSS,制备成本并未增加,并且根据PCB框架的不同,可以构成不同通道数的分体式多通道GaAs-PCSS。

      图  5  分体式和单体式多通道GaAs-PCSS设计与照片

      Figure 5.  Designs and pictures of split and integrated multi-channel GaAs-PCSS

      单体式多通道GaAs-PCSS结构和制备较为复杂,我们设计了如图5(b)所示的单体式多通道GaAs-PCSS结构,采用湿法刻蚀工艺,图中“绝缘介质”为在刻蚀沟槽中所填充的聚四氟乙烯。其中,沟槽宽度和间距均为200 μm,沟槽深度为45~50 μm。

      目前,我们对单体式GaAs-PCSS开展了初步的导通实验。实验平台与图1中基本相同,不同点是将被测开关从多开关并联夹具换成了1个单体式20通道GaAs-PCSS,该开关采用了聚四氟乙烯封装。

      实验结果如图6所示,位于上方的波形为负载输出波形累积图,下方的波形为偏置电压波形累积图,每幅波形图下方数字表示图中对应的开关工作次数。光导开关测试平台使用的平板脉冲形成线特征阻抗Z0=59.3 Ω,负载阻抗R=100 Ω,实验初期,负载上输出电压为13.4 kV,工作了7000余次后负载上输出电压为12 kV。经计算,工作初期,单体式多通道GaAs-PCSS的导通内阻约1.4 Ω,7000余次后导通内阻约8.5 Ω。通过波形积累图可以看出,开关偏置电压波形和输出波形均保持良好,未出现导通失败或开关打火等情况。

      图  6  单体式20通道GaAs-PCSS的7000余次导通波形累积图

      Figure 6.  Cumulative graph of load output waveforms (up) and bias voltage (down) of the integrated multi-channel GaAs-PCSS during 7000 shots

      图7是该单体式20通道GaAs-PCSS实验开始前(a)和7000余次导通后(b)的照片比较,(c)为普通GaAs-PCSS的电流丝损伤照片。(b)中红圈所示为开关电极烧蚀,较(c)中普通GaAs-PCSS有非常明显的改善,且该单体式20通道GaAs-PCSS尚未损坏,能够继续有效工作。由此,该实验研究证明基于刻蚀工艺的单体式多通道GaAs-PCSS因对导通电流的分摊作用,可以有效保持低较低导通内阻,且具有更长的导通寿命。

      图  7  单体式20通道GaAs-PCSS的7000余次导通前(a)、后(b)对比照,及普通GaAs-PCSS损伤照片(c)

      Figure 7.  Photos of the integrated 20-channel GaAs-PCSS before (a) and after (b) 7000 shots, and a photo of a damaged normal GaAs-PCSS (c)

    • 本文在基于固态脉冲形成线的实验平台上,通过特殊设计的夹具,将多枚GaAs-PCSS并联连接以作为脉冲形成电路的开关,并可以对各GaAs-PCSS施以不同的触发信号,验证了GaAs-PCSS可以发生非线性模式下的多通道同步导通,并且通过对触发信号的独立控制,探究了GaAs-PCSS发生多通道同步导通的必要条件。实验结果证明:相同触发信号下,开关导通电流被成功地将均分到4个GaAs-PCSS通道中;不同触发信号下,为获得较好的电流均分效果,各通道触发延迟时差须<1 ns,触发能量差须<20 μJ。本文设计了分体式、单体式两种结构的多通道GaAs-PCSS,初步实验证明,基于刻蚀工艺的单体式20通道GaAs-PCSS在7000余次大电流工作后仅发生轻微损伤,可以有效保持较低导通内阻,具有更长的导通寿命。

参考文献 (12)

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