高压光控脉冲晶闸管设计与实现

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高功率微波、加速器、生物医学等应用对脉冲功率系统提出了高重复频率、长寿命、高可靠性、紧凑等方面的要求,由于固态器件(开关、储能等)在重复频率、寿命、可靠性等方面的优势,并且功率容量也越来越高,所以基于大功率固态电子器件的固态脉冲功率技术已成为脉冲功率技术发展的重要方向。在脉冲功率系统中,开关是其中最为关键的器件,其性能直接决定了系统的输出性能,因此具有高功率容量、高重复频率、长寿命,且稳定可靠的固态开关成为固态脉冲功率技术研究的重点和难点。本论文正是针对上述需求,结合晶闸管电压等级高、通流能力大、可靠性高的优点,以及光导开关体积小、重复频率性能好、响应速度快、触发抖动小、光电隔离的优点,运用多个跨专业软件平台进行协同,设计并实现了一种新型的高压光控脉冲晶闸管。本论文在半导体器件仿真的基础上,结合光学、电磁、电路等仿真计算,采用不同领域的多个软件工具进行协同设计,研究了多个物理参数之间的关系,得到了新器件的优化设计参数,实现了一种基于激光二极管驱动、光纤柔性耦合的高压光控脉冲晶闸管。论文的主要内容为:1.结合晶闸管和光导半导体开关的优点,在软件仿真计算结果的基础上,提出了一种新的多门极、多元胞的高压光控脉冲晶闸管结构,该结构通过多个门极和多个元胞,减小电流的集中效应,提高器件开通速度,从而使器件具备高功率、高di/dt的工作条件。2.采用了多软件协同设计,应用半导体仿真软件、电磁场分析计算软件、电路设计仿真软件、光学设计软件、虚拟仪器等进行与结构计算、参数仿真、工艺设计等,并编写数据处理程序,将高压光控脉冲晶闸管的测试实验数据与仿真数据进行分析对比,最终完成高压光控脉冲晶闸管的设计及结构优化,并实现高压光控脉冲晶闸管器件。3.基于软件平台的光路与电路设计,采用激光二极管堆叠、射频大电流驱动、激光能量柔性传输、微纳光纤分光均布方案,设计并实现了一种小体积、经济、灵活的高压光控脉冲晶闸管触发控制系统。
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