CN108075749B - 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 - Google Patents

Abstract

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。

Description

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

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。

窄脉冲快前沿电流产生模块的目的是产生窄脉冲的高功率激光，窄脉冲是指脉冲宽度小于500ns，快前沿是指前沿小于100ns，控制电流的大小、脉宽、前沿、频率，便可以控制触发激光的功率、光脉冲持续宽度、光输出前沿、光输出间隔时间。其中要调节激光功率，可以通过FPGA调节升压模块的电压，便可改变脉冲电流大小，从而改变激光功率；要改变激光持续宽度，可以通过FPGA调节射频MOSFET器件的导通时间，改变脉冲电流的脉宽，从而改变激光持续宽度；要改变激光输出前沿，可通过改变阻容网络电感，改变电流的前沿，从而改变激光输出前沿；要改变激光输出间隔时间，可以通过FPGA调节射频MOSFET器件的开通频率，从而改变激光输出间隔时间。

进一步的，所述激光二极管有多个发光芯片且成阵列式排布，多个激光二极管芯片之间相串联。由于每个激光二极管芯片的功率有限，如果要实现高压光控脉冲晶闸管的控制，光功率必须足够，一般大于200W，而目前现有的激光二极管单芯片功率最大不超过75W，所以需要将激光二极管芯片进行多个阵列，进行串联排布，以提高触发激光二极管的功率。阵列式排布是一种减小二极管电感的结构，并且可以均匀的发出激光，便于激光耦合。

作为优选，所述激光二极管通过耦合器与光纤连接。采用耦合器将激光二极管与光纤连接，可保证激光二极管的激光通过准直的方式，高效率的耦合至光纤，由于耦合器是导热陶瓷材料或金属材料，还可兼顾激光二极管的散热。

进一步的，所述光纤内部有多根裸芯，多根光纤裸芯通过级配的方式将具有优化数值孔径的能量光纤进行集束，形成激光传输光路。为了保证激光传输效率，需要通过设计激光波长参数选择最合理的光纤数值孔径，为了达到激光光纤的集束效果，需要把不同的光纤进行级配计算，以达到最优的光纤匹配。

进一步的，所述光纤末端通过拐弯、分束、径向漏光中的一种或多种方式将激光传输至晶闸管的单点、多点或多区域网格状门极处。

光纤末端拐弯结构，可将光路进行调整，形成多种角度射入，以适应高压光控脉冲晶闸管的不同结构和尺寸；分束是为了保证一个小型化激光光源可触发高压光控脉冲晶闸管芯片的不同区域；径向漏光是为了实现激光在平行光纤结构上，可以实现小体积、大面积照射高压光控脉冲晶闸管芯片。

高压光控脉冲晶闸管触发控制方法，利用上述结构的高压光控脉冲晶闸管，该触发控制方法为：利用高功率、快前沿、窄脉冲、低抖动的激光，通过单点、多点、平面照射的方式，将激光照射至高压光控脉冲晶闸管芯片的单点、多点或多区域网格状门极，使高压光控脉冲晶闸管迅速产生光生载流子，从而使高压光控脉冲晶闸管快速导通。其中所述的激光峰值功率一般大于200W，光脉冲宽度一般小于500ns。

本发明与现有技术相比，具有如下的优点和有益效果：

1、本发明的高压光控脉冲晶闸管，其具有高电压、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优势。

2、本发明的高压光控脉冲晶闸管触发控制系统，不仅导通速度快，辅助设备小，且具有低抖动、抗干扰性能良好的优势。

附图说明

此处所说明的附图用来提供对本发明实施例的进一步理解，构成本申请的一部分，并不构成对本发明实施例的限定。

图1为高压光控脉冲晶闸管的内部芯片门极结构示意图；其中箭头均表示激光脉冲信号，箭头所指小圆圈即指芯片门极。

图2为高压光控脉冲晶闸管触发控制系统的原理框图。

图3为激光驱动模块的原理框图。

图中的附图标记及名称为：

1、高压光控脉冲晶闸管；2、光纤；3、激光驱动模块；

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，下面结合实施例和附图，对本发明作进一步的详细说明，本发明的示意性实施方式及其说明仅用于解释本发明，并不作为对本发明的限定。

实施例1

如图1所示的高压光控脉冲晶闸管，采用脉冲激光进行触发控制，包括高压光控脉冲晶闸管芯片，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，门极是一种非欧姆接触型的光生载流子半导体区域。

实施例2

基于实施例1的高压光控脉冲晶闸管，本实施例公开其一具体触发控制系统和方法。如图2所示的高压光控脉冲晶闸管触发控制系统，包括高压光控脉冲晶闸管1、用于将激光驱动模块产生的激光传输至高压光控脉冲晶闸管光照区的光纤2、激光驱动模块3。高压光控脉冲晶闸管1包括高压光控脉冲晶闸管芯片，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，门极是一种非欧姆接触型的光生载流子半导体区域。

采用该结构的高压光控脉冲晶闸管触发控制系统，当高压光控脉冲晶闸管的门极单点、多点或面触发区域接收到高功率、快前沿、低抖动激光脉冲照射后，产生光生载流子，使开关迅速导通，载流子同时伴随径向扩散，使上述结构的高压光控脉冲晶闸管实现大电流、快速、低抖动的导通。

实施例3

本实施例在实施例2的基础上对各部件进行详细举例说明。

如图3所示，激光驱动装置可采用下述硬件结构实现：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，窄脉冲快前沿电流产生模块包括低压直流供电模块、升压模块、阻容元件、射频MOSFET器件、控制电路。升压模块将低压直流供电模块提供的低压直流转变为高压直流并存储在阻容元件中，射频MOSFET器件连接在阻容元件上，当控制电路控制射频MOSFET器件导通时，射频MOSFET器件放大阻容元件存储电能以驱动激光二极管发送激光信号至光纤。射频MOSFET器件导通时，将高电压加载至负载端，从而产生大电流。

具体的，控制电路可采用FPGA实现，其供电直接由低压直流供电模块供给。阻容元件采用低电感阻容元件。

高压光控脉冲晶闸管的触发需要足够的激光功率，现有的芯片不具备200W以上的激光功率能力，需要采用多个激光二极管芯片之间相串联。优选的，多个激光二极管成阵列式排布。需要说明的是，多个激光二极管之间还可采用其他排布方式，本实施例仅给出一种优选方式，采用其他排布方式的方案也在本方案的保护范围之内。

光纤耦合器具有准直功能，在激光二极管的端部套接一个耦合器，耦合器的另一端插入光纤。耦合器可为带散热功能的材料，激光二极管发出的激光，耦合进入光纤中进行传输。

激光能量光纤为了满足传输效率的需求，内部有多根裸芯并联，光纤数量与激光二极管出光窗口匹配，多根光纤裸芯通过级配的方式将具有优化数值孔径的能量光纤进行集束形成激光传输光路，光纤两端可匹配加工成多种不同结构和尺寸的入射端和发射端。需要说明的是，多根光纤的集束方法有很多，本实施例仅给出一种优选方式，采用其他集束方式的方案也在本方案的保护范围之内。光纤末端还可通过拐弯、分束、径向漏光中的一种或多种方式将激光传输至晶闸管的单个或多个门极。

具体的，窄脉冲快前沿电流产生模块产生峰值最大为几百安、脉宽数十纳秒、前沿最快为1.5纳秒的电流脉冲，加载至激光二极管，以产生激光驱动高压光控脉冲晶闸管。采用该种触发方法和典型参数，高压光控脉冲晶闸管的导通速度可达到数十千安每微秒，当能量较大时，还可实现上百千安每微秒。

激光二极管产生的激光加载至高压光控脉冲晶闸管的门极区域，其中激光峰值功率一般大于200W，光脉冲宽度一般小于500ns。

以上所述的具体实施方式，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施方式而已，并不用于限定本发明的保护范围，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种高压光控脉冲晶闸管触发控制系统，其特征在于，包括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；

所述高压光控脉冲晶闸管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，所述门极是一个非欧姆接触型的光生载流子半导体区域；

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产生的电流脉冲宽度小于500ns且前沿小于100ns；

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；

用于存储电能、大电流放电且在放电时吸收的阻容元件；

放大阻容元件存储电能以驱动激光二极管的射频MOSFET器件；

用于控制射频MOSFET器件导通、调节输出电流参数的控制电路。

2.根据权利要求1所述的一种高压光控脉冲晶闸管触发控制系统，其特征在于，所述激光二极管有多个且成阵列式排布，多个激光二极管之间相串联。

3.根据权利要求1所述的一种高压光控脉冲晶闸管触发控制系统，其特征在于，所述激光二极管通过耦合器与光纤连接。

4.根据权利要求1所述的一种高压光控脉冲晶闸管触发控制系统，其特征在于，所述光纤有多根，多根光纤通过级配的方式将具有优化数值孔径的能量光纤进行集束形成激光传输光路。

5.根据权利要求4所述的一种高压光控脉冲晶闸管触发控制系统，其特征在于，所述光纤末端通过拐弯、分束、径向漏光中的一种或多种方式将激光传输至晶闸管的单个或多个门极。

6.一种高压光控脉冲晶闸管触发控制方法，其特征在于，利用如权利要求1所述的高压光控脉冲晶闸管，该触发控制方法为：利用激光单点、多点或面照射高压光控脉冲晶闸管的光照区，所述激光的峰值功率大于200W，光脉冲宽度小于500ns。