[发明专利]基于SOS的百kHz超宽谱脉冲发生器

说明书

技术领域

本发明属于脉冲功率技术领域，涉及一种重复频率高功率超宽谱脉冲发生器，尤其是一种基于SOS（Semiconductor Opening Switch，半导体断路开关）的百kHz超宽谱脉冲发生器。

背景技术

超宽谱脉冲是指前沿时间小于1～2纳秒、相对带宽超过25％的高压电脉冲。其频谱可以从几十MHz到上GHz。高重复频率超宽谱脉冲（重复频率：几十kHz到百kHz；脉冲宽度：亚ns到几个ns）在电子对抗、生物医疗、等离子体产生等领域有着广阔的应用前景，产生高重复频率超宽谱脉冲的关键在于产生快脉冲前沿的高压短脉冲。

以气体开关为主开关的超宽谱脉冲源，虽然，功率可以达到几十GW，但受气体绝缘恢复能力和电极烧蚀等因素的限制，重复频率最高为几kHz，且寿命有限；

半导体开关在高重频性能方面具有突出的优势。功率电子器件，如金属氧化物场效应晶体管（MOSFET），绝缘栅双极晶体管（IGBT）等，具有高重频、高可靠性、长寿命的特点，但功率容量和开关速度有限，所以，直接利用这类器件很难获得高功率的短脉冲。近十多年发展的一类所谓脉冲功率器件，如快速电离负阻晶体管（FID）、漂移阶跃恢复二极管（DSRD）、半导体断路开关（SOS）等，其重复频率、脉冲功率、开关速度等性能参数得到了很大提高，使产生高重频短脉冲成为可能。

FID是一种闭合开关，单片工作电压大于2kV，工作电流kA量级，导通时间小于1ns，间歇工作模式下的重复频率达百kHz，开关抖动时间小于50ps。FID器件具有重频高、频带宽、体积小、重量轻，稳定性好等优点，同时极易串并联使用，通过MARX等电路可以产生较高功率的短脉冲，但随着重复频率的增加，功率急剧降低。雪崩二极管和三极管也可以用来产生高重频短脉冲，用法与FID类似，但单片电压更低，产生10kV以上的高压脉冲非常困难。

DSRD和SOS均是断路开关。利用这类开关建立的脉冲发生器的储能方式为电感储能，能量以电流形式储存在电感回路中，开关快速截断，在与之并联的负载上产生高压脉冲。DSRD是1983年I V Grekhov教授提出并实现的一种p+-n-n+结构的二极管，单片工作电压约为1kV，截断电流密度为200A·cm^-2，截断时间0.5～10ns。DSRD的工作需要双向泵浦电流，由于掺杂浓度只有10¹⁴cm^-3，DSRD的截断电流的能力并不高。DSRD器件可以通过简单的串并联方式提高工作电压和电流，恢复时间约1μs，理论上具有MHz重频工作能力。俄罗斯约飞实验室V M Efanov等人1997年利用DSRD串联研制的脉冲发生器NPG-80，输出电压80kV，电流800A，脉冲宽度2ns，脉冲前沿0.9ns，重复频率1kHz。韩国电工技术研究所G H Rim等人2004年采用饱和直线型脉冲变压器泵浦DSRD，正向泵浦电流200A、200ns，反向泵浦电流500A、50ns，在负载电阻13Ω上获得电压8.17kV，脉冲宽度6ns，脉冲前沿7ns，重复频率1kHz的脉冲输出。

SOS与DSRD具有同样的结构和泵浦截断机制，但SOS在纳秒级时间内可以截断数kA·cm^-2的高密度电流。同时，SOS器件的恢复时间小于等于1μs，理论上同样具有MHz级重频工作能力。俄罗斯电物理所和西北核技术研究所的实验研究表明：SOS正向泵浦电流时间从300～600ns降到35～50ns，反向电流时间从80～100ns降到10～15ns时，电流截断时间就从5～10ns降到500～700ps。因此，SOS适合产生高功率高重频短脉冲。