[发明专利]高压光控脉冲晶闸管及其触发控制系统及其触发控制方法

说明书

本发明公开了高压光控脉冲晶闸管及其触发控制系统及其触发控制方法，该触发控制系统包含高压光控脉冲晶闸管、用于产生激光触发信号以触发高压光控脉冲晶闸管的激光驱动装置、将激光驱动装置产生的激光传输至晶闸管门极的光纤。该高压光控脉冲晶闸管采用脉冲激光进行触发控制，具备高电压、大电流、快导通速度、低抖动、良好的抗电磁干扰性能等特点。

技术领域

本发明涉及脉冲功率技术领域，具体涉及高压光控脉冲晶闸管及其触发控制系统及其触发控制方法。

背景技术

在电气科学与工程中的脉冲功率与电力电子系统中，开关是其中最为关键的器件之一，其水平直接决定了功率源的输出性能。传统的气体开关在体积、重复频率运行等方面受到了限制，而固体开关以其体积小、能够重复频率运行等优势成为研究热点。在现有的开关结构中，怎样实现高电压、大电流、快导通速度、低抖动、抗干扰性能良好的同时能减小辅助系统的开关具有重要意义。

发明内容

本发明为了解决上述技术问题提供高压光控脉冲晶闸管、触发控制系统及其触发控制方法。

本发明通过下述技术方案实现：

高压光控脉冲晶闸管，采用脉冲激光进行触发控制，其中包括高压光控脉冲晶闸管芯片，所述高压光控脉冲晶闸管芯片的门极为单点、多点或多区域网格状，该门极是非欧姆接触型的光生载流子半导体区域。高压光控脉冲晶闸管具备高电压、大电流、快速导通、低抖动、良好的抗电磁干扰性能等特点，且其借助的辅助系统体积小。

现有的晶闸管一般为电触发结构，触发门极为单点或螺旋状，采用欧姆接触引出触发极，使用电信号进行触发控制。当触发电压或电流加载上后，载流子开始扩散倍增，这种触发方式载流子扩散速度慢、故导通速度较慢，一般为数百安每微秒，脉冲型晶闸管的开通速度一般为几千安每微秒以下。另电力光控晶闸管，门极为单个整圆，通过输入弱光进行诱导触发控制，当晶闸管开启后，依靠载流子横向扩散，逐步实现扩散导通。这种光控晶闸管和普通晶闸管的开通相同，导通原理是载流子横向扩散主导的，所以导通速度也比较慢，一般为数百安每微秒。本发明的高压光控脉冲晶闸管，门极为单点、多点或多区域网格状，是一种非欧姆接触型的光生载流子半导体区域，当具备一定功率的激光照射后，将形成大面积光生载流子，光生载流子直接致使开关导通，并伴随载流子径向扩散，使高压光控脉冲晶闸管快速导通。由于激光前沿为ns量级，触发机制为激光辐照半导体材料产生载流子，导通原理是以光生载流子直接导通主导的，故导通速度可达数十至上百千安每微秒。

高压光控脉冲晶闸管触发控制系统，包括上述的高压光控脉冲晶闸管、用于产生激光触发信号以触发高压光控脉冲晶闸管的激光驱动装置、将激光驱动装置产生的激光传输至晶闸管门极的光纤。采用该结构的高压光控脉冲晶闸管触发控制系统，不仅实现快速导通且采用的激光驱动装置等辅助系统的体积小。由于触发激光前沿是ns量级的、并且抖动是ps量级的，高压光控脉冲晶闸管的导通原理是光生载流子直接导通为主导的，故开关具有高电流上升率、低抖动的优势。加之采用了能量光纤隔离传输触发信号，所以基于高压光控脉冲晶闸管及其触发控制的系统具备抗干扰能力强的优势。

由于半导体材料的光吸收波长有特定限制，触发为激光信号，波长一般为：694nm~1310nm，所述激光驱动装置包括依次连接的窄脉冲快前沿电流产生模块和激光二极管，所述窄脉冲快前沿电流产生模块包括：

提供低压直流转多种不同直流电压的供电模块；

将低压直流转变为高压直流的升压模块；

阻容元件：用于存储电能、大电流放电的电容，电容的内感和内阻非常低，一般内感小于数十纳亨,内阻小于数十毫欧。用于放电吸收的电阻元件，电阻元件的电感很低，一般小于数十纳亨；

射频MOSFET：阻容元件存储的电能通过射频MOSFET器件释放至激光二极管；

控制电路：用于控制射频MOSFET器件导通，可调节输出电流的幅值、脉宽、频率等。