CN111082792A - 一种光控半导体开关 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种光控半导体开关。所述的光控半导体开关的内部包括从上至下依次排列的屏蔽地电极、片式半导体激光器、激光分光耦合器、大面积半导体单元和屏蔽高压电极，在片式半导体激光器、激光分光耦合器的间隙内连接有取电模块或升压模块，光控半导体开关的侧面包裹有绝缘封装外壳，绝缘封装外壳与屏蔽电极共同构成光控半导体开关封装外壳；光控半导体开关的供电与触发信号接口伸出光控半导体开关封装外壳。本发明的光控半导体开关可以用于高功率脉冲电源、紧凑型高功率脉冲组件、小体积高能量脉冲触发等多种场合，具有功率容量高、可靠性高、寿命长、体积小等多种优势。
Description
技术领域
本发明属于脉冲功率技术领域，具体涉及一种光控半导体开关。
背景技术
随着高功率脉冲电源、高功率脉冲组件等提出了长寿命、快前沿、高可靠性、紧凑等方面的要求，具有该类优势的新型固态型开关技术十分重要。现有的电控型功率半导体开关由于触发结构与主回路结构无法分离，导致耐压水平、可靠性、抗反峰能力较差，限制了其在高功率场合的应用；现有的光控晶闸管，其开通速度较慢，无法应用于脉冲功率场合；现有的光导开关较大程度依赖于脉冲充电附属系统或较大体积的激光系统，无法适应小型化的要求。
发明内容
有鉴于此，本发明旨在提供一种光控半导体开关。
本发明具体采用如下技术方案：
一种光控半导体开关，其特点是，所述的光控半导体开关的内部包括从上至下依次排列的屏蔽地电极、片式半导体激光器、激光分光耦合器、大面积半导体单元和屏蔽高压电极，在片式半导体激光器、激光分光耦合器的间隙内连接有取电模块或升压模块，光控半导体开关的侧面包裹有绝缘封装外壳，绝缘封装外壳与屏蔽电极共同构成光控半导体开关封装外壳；光控半导体开关的供电与触发信号接口伸出光控半导体开关封装外壳。
优选的，所述的片式半导体激光器包括分布式半导体激光单元和大电流激光驱动模块；所述的分布式半导体激光单元与大面积半导体单元相匹配；所述的大电流激光驱动模块中的大电流开关器件采用功率半导体器件。功率半导体器件包括但不限于MCT、IGBT、功率MOSFET。
优选的，所述的大面积半导体单元为阵列排列的多元胞，每个元胞的结构形式为以下任意一种：
a.具有一个光门极的元胞；
b.具有二个以上的光门极的元胞；
c.具有一个光阴极的元胞；
d.具有二个以上的光阴极的元胞；
e.具有一个光阴极和一个光门极的元胞；
f.具有一个的光阴极和二个以上的光门极的元胞；
g.具有一个的光门极和二个以上的光阴极的元胞；
h.具有二个以上的光门极和二个以上的光阴极的元胞；
其中，所述的光阴极为吸收光子产生光生载流子的半导体结构，光阴极的基底为半导体材料，在半导体材料上扩散有N型杂质；所述的光门级为吸收光子产生光生载流子的半导体结构，光门级的基底为半导体材料，在半导体材料上扩散有P型杂质。
优选的，所述的光阴极或光门极上蒸镀有增透膜。
优选的，所述的多元胞的阵列形状为扇形、圆形、方形、多边形、环形或半环形中的一种。
优选的，所述的激光分光耦合器为凹透镜、衍射分光镜或光纤中的一种。
优选的，所述的取电模块通过高压供电端取电。
优选的，所述的升压模块采取高频升压方式进行供电。
优选的，所述的绝缘封装外壳的材料为绝缘复合陶瓷。
优选的，所述的绝缘封装外壳中间嵌入有金属材料，端部有金属化层。
本发明的光控半导体开关中的屏蔽电极是置于光控半导体开关两端的电连接电极，一方面具有连接芯片与外电路的功能，另一方面作为光控半导体开关封装外壳的一部分，还具备一定电磁屏蔽与辐射防护的功能。
本发明的光控半导体开关可大幅度提高激光利用效率大幅度提高开关导通速度、增加电流导通均匀性、提高了抗电磁干扰能力、减小开关体积、减小延迟抖动，较之于真空触发管、场控晶闸管、脉冲晶闸管、光控晶闸管等具有更良好的综合性能，尤其是在高电压、大电流、长寿命与高可靠性方面，具有突出的优势。
附图说明
图1为本发明的光控半导体开关的拓扑结构示意图；
图2为本发明的光控半导体开关中的大面积半导体单元结构示意图；
图3a为本发明的光控半导体开关中扇形汇流排布多元胞阵列示意图；
图3b为本发明的光控半导体开关中蜂窝排布多元胞阵列示意图；
图3c为本发明的光控半导体开关中等间距圆形排布多元胞阵列示意图；
图3d为本发明的光控半导体开关中方形等间距排布多元胞阵列示意图；
图3e为本发明的光控半导体开关中切分环排布多元胞阵列示意图；
图3f为本发明的光控半导体开关中大规模圆形均布多元胞阵列示意图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例详细说明本发明。
如图1所示，本发明的光控半导体开关的内部包括从上至下依次排列的屏蔽地电极、片式半导体激光器、激光分光耦合器、大面积半导体单元和屏蔽高压电极，在片式半导体激光器、激光分光耦合器的间隙内连接有取电模块或升压模块，光控半导体开关的侧面包裹有绝缘封装外壳，绝缘封装外壳与屏蔽电极共同构成光控半导体开关封装外壳；光控半导体开关的供电与触发信号接口伸出光控半导体开关封装外壳。
所述的片式半导体激光器包括分布式半导体激光单元和大电流激光驱动模块；所述的分布式半导体激光单元与大面积半导体单元相匹配；所述的大电流激光驱动模块中的大电流开关器件采用功率半导体器件。功率半导体器件包括但不限于MCT、IGBT、功率MOSFET。
如图3a～图3f所示，所述的大面积半导体单元为阵列排列的多元胞，每个元胞的结构形式为以下任意一种：
a.具有一个光门极的元胞；
b.具有二个以上的光门极的元胞；
c.具有一个光阴极的元胞；
d.具有二个以上的光阴极的元胞；
e.具有一个光阴极和一个光门极的元胞；
f.具有一个的光阴极和二个以上的光门极的元胞；
g.具有一个的光门极和二个以上的光阴极的元胞；
h.具有二个以上的光门极和二个以上的光阴极的元胞。
如图2所示，所述的光阴极为吸收光子产生光生载流子的半导体结构，光阴极的基底为半导体材料，在半导体材料上扩散有N型杂质；所述的光门级为吸收光子产生光生载流子的半导体结构，光门级的基底为半导体材料，在半导体材料上扩散有P型杂质。
所述的光阴极或光门极上蒸镀有增透膜。
所述的多元胞的阵列形状为扇形、圆形、方形、多边形、环形或半环形中的一种。
所述的激光分光耦合器为凹透镜、衍射分光镜或光纤中的一种。
所述的取电模块通过大面积半导体单元的阳极进行取电，即通过高压供电端取电。
所述的升压模块通过外接的低压直流电供电，采取高频升压方式进行供电，升压模块升压后的电压范围为20V～2000V。
所述的绝缘封装外壳的材料为绝缘复合陶瓷，绝缘封装外壳外部具备高压绝缘能力；绝缘封装外壳端部直接金属化，具备密封焊接能力；绝缘陶瓷内部含有金属层，具备电磁屏蔽与辐射防护的能力。
本发明的光控半导体开关是一种新型高功率半导体开关，通过片式半导体激光器产生高功率激光脉冲，再通过激光分光耦合器，将激光均匀地照射到大面积半导体单元。激光脉冲照射并穿透到大面积半导体单元的光门极和光阴极，在光门极和光阴极上，产生大量光生载流子，光生载流子在电场的辅助作用下，迅速扩散和加速移动，并形成倍增，大面积半导体单元的电阴极和电阳极迅速导通，实现高功率容量的开通作用。
实施例1
在屏蔽地电极和屏蔽高压电极之间施加高压电，高压电的电压范围为1kV～12kV；工作电流范围为：0～50kA；在此基础上，可采用串连方式增加电压范围、可采用并联或增大芯片面积的方式增加工作电流范围。
所述的光控半导体开关，屏蔽高压电极施加正高压点位，屏蔽地电极施加地点位或悬浮低电位，在光控半导体开关的供电与触发信号未施加电压时，屏蔽高压电极与屏蔽地电极之间不导通，耐受正向高电压，并耐受反向高电压。
当光控半导体开关的供电施加电压，触发信号接口给定脉冲波形，此时片式半导体激光器将开始工作，其中片式半导体激光器中的大电流激光驱动模块产生一个较大的电流脉冲，以驱动分布式半导体激光单元，产生高功率激光脉冲。高功率激光脉冲通过激光分光耦合器，激光脉冲将进行整形并进一步匀化，形成多区域均匀的激光，被整形的激光脉冲将均匀地照射到大面积半导体单元。当激光加载至大面积多门极多元胞半导体芯片上，照射并穿透到达芯片的光门极和光阴极，在光敏感门极和光敏感阴极上，产生大量光生载流子，在电场的辅助作用下，载流子迅速扩散和加速移动，使芯片的电阴极和电阳极迅速导通，实现高功率容量的开通作用。
本发明通过以下方式进行工作：
供电与触发信号接口，通过外部电路，引入供电电压与触发控制信号，一种优选实施方式：接口处采用密封贯穿件进行引入，保证外部电路与高功率光控半导体开关内部之间的密封与隔离。
当供电与触发信号引入至片式半导体激光器后，一种优选实施方式：电路基板将大电流激光驱动模块大部分元件置于顶层，将半导体激光单元大部分元件置于底层。
大电流激光驱动模块优选采用MCT、IGBT或功率MOSFET作为放电开关，固态电容作为储能元件，脉冲电流一般在5A～500A之间，输出为正脉冲或负脉冲，其中大电流激光驱动模块的大电流所需要的能量可通过高压取电和低压升压两种方式获得。
激光二极管芯片按照要求均匀分布在电路基板上，并通过串联、并联或串并组合的方式进行连接，并引出正负极，正负极通过电路基板与顶部的大电流激光驱动模块输出相连。
激光脉冲通过激光分光耦合器，将激光脉冲进行整形并进一步匀化，形成多区域均匀的激光；激光加载至大面积半导体单元上，照射并穿透到达大面积半导体单元的光门极和光阴极，在光敏感门极和光敏感阴极上产生大量光生载流子，在电场的辅助作用下，载流子迅速扩散和加速移动，使芯片的电阴极和电阳极迅速导通，实现高功率容量的开通作用。
片式半导体激光器通过上述工作，将产生数十瓦至数十千瓦的激光峰值功率，波长一般在600nm～1400nm之间，并成为特定的单个或多个激光光斑，激光光斑耦合至激光分光耦合器。
激光分光耦合器具有衍射分光和凹透镜分光功能，可将激光光斑进一步分成多个激光点和光斑整形，形成所需要的特定的功率均匀分配的激光，可匹配照射至大面积多门极/多阴极/多元胞半导体芯片，其中照射区域为光阴极与光门极。
当光阴极和光门极收到激光照射时，将在光阴极和光门极区域，快速产生光生载流子，为了使光门极和光阴极接收到更多的激光能量，在光阴极和光门极表面增加了增透膜，更有利于激光的吸收，将产生更多的光生载流子。
高压端屏蔽电极一般施加高电压，低压屏蔽电极一般施加低电压，在高压和地电极之间耐受高电压直流或高电压脉冲，并形成强电场。
在强电场和光生载流子的共同作用下，高功率光控半导体开关迅速导通，完成高功率光控半导体开关器件的开通过程。
绝缘封装与外壳与屏蔽电极结合，保护内部半导体芯片、片式半导体激光器、激光分光耦合器、取电/升压模块等，以形成一个完整的开关器件。
Claims (10)
1.一种光控半导体开关，其特征在于，所述的光控半导体开关的内部包括从上至下依次排列的屏蔽地电极、片式半导体激光器、激光分光耦合器、大面积半导体单元和屏蔽高压电极，在片式半导体激光器、激光分光耦合器的间隙内连接有取电模块或升压模块，光控半导体开关的侧面包裹有绝缘封装外壳，绝缘封装外壳与屏蔽电极共同构成光控半导体开关封装外壳；光控半导体开关的供电与触发信号接口伸出光控半导体开关封装外壳。
2.根据权利要求1所述的光控半导体开关，其特征在于，所述的片式半导体激光器包括分布式半导体激光单元和大电流激光驱动模块；所述的分布式半导体激光单元与大面积半导体单元相匹配；所述的大电流激光驱动模块中的大电流开关器件采用功率半导体器件。
3.根据权利要求1所述的光控半导体开关，其特征在于，所述的大面积半导体单元为阵列排列的多元胞，每个元胞的结构形式为以下任意一种：
a.具有一个光门极的元胞；
b.具有二个以上的光门极的元胞；
c.具有一个光阴极的元胞；
d.具有二个以上的光阴极的元胞；
e.具有一个光阴极和一个光门极的元胞；
f.具有一个的光阴极和二个以上的光门极的元胞；
g.具有一个的光门极和二个以上的光阴极的元胞；
h.具有二个以上的光门极和二个以上的光阴极的元胞；
其中，所述的光阴极为吸收光子产生光生载流子的半导体结构，光阴极的基底为半导体材料，在半导体材料上扩散有N型杂质；所述的光门级为吸收光子产生光生载流子的半导体结构，光门级的基底为半导体材料，在半导体材料上扩散有P型杂质。
4.根据权利要求3所述的光控半导体开关，其特征在于，所述的光阴极或光门极上蒸镀有增透膜。
5.根据权利要求3所述的光控半导体开关，其特征在于，所述的多元胞的阵列形状为扇形、圆形、方形、多边形、环形或半环形中的一种。
6.根据权利要求1所述的光控半导体开关，其特征在于，所述的激光分光耦合器为凹透镜、衍射分光镜或光纤中的一种。
7.根据权利要求1所述的光控半导体开关，其特征在于，所述的取电模块通过高压供电端取电。
8.根据权利要求7所述的光控半导体开关，其特征在于，所述的升压模块采取高频升压方式进行供电。
9.根据权利要求1所述的光控半导体开关，其特征在于，所述的绝缘封装外壳的材料为绝缘复合陶瓷。
10.根据权利要求10所述的光控半导体开关，其特征在于，所述的绝缘封装外壳中间嵌入有金属材料，端部有金属化层。
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| CN114826233B (zh) * | 2022-06-30 | 2022-10-04 | 中国工程物理研究院流体物理研究所 | 光放大和电放大组合控制的高功率重频固态开关及方法 |
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| US12021519B1 (en) | 2022-06-30 | 2024-06-25 | Institute Of Fluid Physics, China Academy Of Engineering Physics | High-power repeat-frequency solid-state switch controlled by combination of optical amplification and electrical amplification, and method |
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