CN105450209A - 一种大电流脉冲的可控***方法及其装置 - Google Patents

一种大电流脉冲的可控***方法及其装置 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种大电流脉冲的可控***方法及其装置。该方法包括在电流脉冲的输入输出端之间电学连接碳化硅光导开关；将输入电流脉冲的时域信号连接到脉冲激光器的外触发端口；脉冲激光器发射出激光脉冲照射到该开关上；在输入端没有电流脉冲输入时脉冲激光器未接收到外触发信号，不输出激光脉冲，该开关在没有激光脉冲照射情况下处于断开状态，输出端没有电流输出；在输入端有电流脉冲输入时时域信号触发脉冲激光器，使脉冲激光器在时域上同步输出激光脉冲，激光脉冲照射到该开关上，使该开关形成导通状态，使电流脉冲从输出端输出；输出的电流脉冲的形态由该开关的参数控制，由此在输出端形成与输入端时域同步的具有***形态的电流脉冲信号。

Description

一种大电流脉冲的可控***方法及其装置
技术领域
本发明属于脉冲功率技术领域，具体地，涉及一种大电流脉冲的可控***方法及其装置。
背景技术
脉冲功率技术涉及了高功率雷达、大型加速器、大功率脉冲功率电源等诸多国防和前沿科技领域。脉冲功率技术的核心是对大电流脉冲在时域和幅值上的精准控制，从而实现雷达、加速器等装置的精准运行。因此对电流脉冲形态的控制是脉冲功率领域研究的重要内容。
对电流脉冲形态的控制包括了对脉宽进行压缩，对单个脉冲进行***等操作，以满足脉冲功率装置的运行要求。传统方法采用电学元件来实现，由于目前相关的电学元器件大多采用半导体硅材料制备，元器件的性能受到硅材料本身物理性质的限制，其承受高压和大电流的能力非常有限。因此在面对脉冲功率技术领域常见的几十至百千伏和千安量级的运行条件时，需要大量的元器件来实现对电流脉冲形态的调控，导致体积庞大，功率损失高。
随着宽禁带半导体材料制备技术的日益成熟，人们把制备大功率光电导开关的目光放到了宽禁带半导体材料上来。碳化硅作为宽禁带半导体的代表具有较其他宽禁带半导体材料更为突出的优势——高的临界击穿场强和热导率，而这两点正是之前硅等半导体材料制不具备的。根据碳化硅材料的特性，在近几年的研究中提出了一些碳化硅光导开关的技术方案。这种开关由激光信号控制开关的导通和断开状态，非常简单且精确。同时由于碳化硅材料本身优异的物理特性，使其单开关即可承受几十至百千伏和千安量级的高功率运行环境。这正是脉冲功率领域所期待的理想开关，这种开关将使脉冲功率***大大简化，体积缩小，成本降低，稳定性提高，对国防科技等领域有重要意义。
发明内容
鉴于现有技术中存在的上述问题，本发明所要解决的技术问题在于提供一种大电流脉冲的可控***方法及其装置，该方法和装置较传统方法和装置具有简洁、体积小、控制***简单等特点。
为解决上述技术问题，一方面，本发明提供了一种大电流脉冲的可控***方法，包括：
（1）在电流脉冲的输入端和输出端之间电学连接碳化硅光导开关；
（2）将输入的电流脉冲的时域信号连接到脉冲激光器的外触发端口；
（3）将所述脉冲激光器发射出的激光脉冲照射到所述碳化硅光导开关上；
（4）在所述输入端没有电流脉冲输入时，所述脉冲激光器未接收到外触发信号，不输出激光脉冲，所述碳化硅光导开关在没有激光脉冲照射情况下处于断开状态，所述输出端没有电流输出；
（5）在所述输入端有电流脉冲输入时，其时域信号触发所述脉冲激光器，使所述脉冲激光器在时域上同步输出激光脉冲，所述激光脉冲照射到所述碳化硅光导开关上，使所述碳化硅光导开关形成导通状态，使电流脉冲从所述输出端输出；
（6）输出的所述电流脉冲的形态由所述碳化硅光导开关的参数控制，由此在所述输出端形成与所述输入端时域同步的具有***形态的电流脉冲信号。
根据本发明，该大电流脉冲的可控***方法可对目前脉冲功率***中常见的类高斯分布电流脉冲的时域信号进行***，使单个电流脉冲峰***成多个具有更窄宽度的电流脉冲峰。
在大电流脉冲的输入和输出直接连接一个碳化硅光导开关，碳化硅光导开关在没有激光激发时为断开状态，整个装置没有输出；当有大电流脉冲输入时，将电流脉冲的时域信号作为脉冲激光器的外触发源，使脉冲激光器同步输出一个激光脉冲，这个激光脉冲激发碳化硅光导开关，使碳化硅光导开关在一个激光脉冲时间内转变为导通状态，从而在输出端输出一个电流脉冲；由于碳化硅光导开关的特殊物理性质，输出的电流脉冲会根据例如激发光强、碳化硅电极间距等参数的变化而变化，从而实现对输出电流脉冲***形态的调控。
又，在本发明中也可以是，所述碳化硅光导开关为平面型碳化硅光导开关，其碳化硅衬底是高纯半绝缘碳化硅、钒掺杂半绝缘碳化硅或非故意掺杂半绝缘碳化硅。
根据本发明，实现大电流峰的***的功能主要由平面型碳化硅光导开关在光激发下的特殊物理性质决定，由于平面型碳化硅光导开关的特殊物理性质，输出的电流脉冲会根据激发光强、平面型碳化硅电极间距等参数的变化而变化，从而有利于实现对输出电流脉冲***形态的调控。高纯半绝缘碳化硅、钒掺杂半绝缘碳化硅或非故意掺杂半绝缘碳化硅由于其带间杂质能级的不同，对载流子会产生不同的产生和俘获效果，从而使输出电流脉冲峰表现出不同的***形态。
又，在本发明中也可以是，输出的具有***形态的所述电流脉冲信号中***峰的个数从2到10个。
根据本发明，在相同输入电流值情况下，输出电流脉冲产生不同个数***峰，则能产生不同电流大小的单个电流峰，从而可以通过调节***峰的个数来获得不同电流大小的输出脉冲。
又，在本发明中也可以是，所述脉冲激光器输出的激光脉冲的波长范围为100nm到1064nm。
根据本发明，不同的激发激光脉冲的波长能激发出不同杂质能级上的载流子，因而不同的激发激光脉冲的波长能调节输出脉冲的电流大小。
又，在本发明中也可以是，所述脉冲激光器输出的激光脉冲的强度范围为5μJ/mm2到5000μJ/mm2。
根据本发明，调节激发激光脉冲的强度能获得不同浓度的光生载流子，从而可以有效调节输出电流的大小，也可调节***峰的个数。
另一方面，本发明还提供了一种实施上述大电流脉冲的可控***方法的装置，包括：电学连接在电流脉冲的输入端和输出端之间的碳化硅光导开关；接收输入的电流脉冲的时域信号的脉冲激光器，所述脉冲激光器发射出的激光脉冲照射到所述碳化硅光导开关上。
根据本发明，通过该装置可对目前脉冲功率***中常见的类高斯分布电流脉冲的时域信号进行***，使单个电流脉冲峰***成多个具有更窄宽度的电流脉冲峰。
又，在本发明中也可以是，所述脉冲激光器的输出脉冲的时域脉宽范围为0.01纳秒到1000纳秒。
根据本发明，调节脉冲激光器的输出脉冲的时域脉宽同时就能调控输出电流峰的总体脉宽。
又，在本发明中也可以是，所述碳化硅光导开关为平面型碳化硅光导开关，优选地，包括平面型氮化镓光导开关、平面型金刚石光导开关、平面型砷化镓光导开关、或平面型磷化铟光导开关。
根据本发明，选用不同的宽禁带半导体材料如氮化镓、金刚石、砷化镓、或磷化铟制备成本发明涉及的平面型光导开关，由于这些材料具有各自不同的半导体物理性质，对激光激发的响应不同，杂质能级的分布不同。因此通过这些不同材料的使用能在更加广泛的范围内调节输出电流大小、脉冲峰***个数。
根据下述具体实施方式并参考附图，将更好地理解本发明的上述内容及其它目的、特征和优点。
附图说明
图1为根据本发明一实施形态的大电流脉冲的可控***方法的示意性原理图；
图2为实施图1所示方法的装置结构示意图；
图3为示出了实施根据本发明第一实施例的方法对大电流脉冲***的结果的图表；
图4为示出了实施根据本发明第二实施例的方法对大电流脉冲***的结果的图表。
附图标记：
1、脉冲高压源；11、输入端；12、输出端；2、碳化硅光导开关；3、脉冲激光器；4、第一耐高压精密电阻；5、第二耐高压精密电阻；6、示波器；61，62、探头；7、光电管；8、电缆。
具体实施方式
以下将结合附图对本发明的装置及方法进行详细说明，本领域的技术人员应当理解在不脱离本发明的范围和精髓的前提下，本发明还可具有多种不同的形式。以下具体实施方式的提出是为了使公开更加彻底和完备，以便将本发明的范围完全传递给本领域的技术人员。
针对现有脉冲功率技术领域中对电流脉冲形态的控制方面存在的种种缺陷，本发明中，利用碳化硅光导开关这一新的高性能开关器件，以及发明人在研究中首次发现的其能对流经的电流脉冲形态进行调控的物理现象，提供了一种新颖、简洁的大电流脉冲的可控***方法及其装置，在脉冲功率技术领域有重要的潜在应用价值，对国防及前沿科技等领域有重要意义。
图1为根据本发明一实施形态的大电流脉冲的可控***方法的示意性原理图；图2为实施图1所示方法的装置结构示意图。
如图1和图2所示，根据本发明的一种大电流脉冲的可控***方法，包括以下步骤：
1)在电流脉冲的输入端和输出端之间电学连接碳化硅光导开关，该碳化硅光导开关可以是平面型碳化硅光导开关；
2)将输入的电流脉冲的时域信号连接到脉冲激光器的外触发端口；
3)将脉冲激光器发射出的激光脉冲照射到该平面型碳化硅光导开关上；
4)输入端没有电流脉冲输入时，脉冲激光器未接收到外触发信号，不输出激光脉冲，碳化硅光导开关在没有激光脉冲照射情况下处于断开状态，因而输出端没有电流输出；
5)输入端有电流脉冲输入时，其时域信号触发脉冲激光器，使脉冲激光器在时域上同步输出一个激光脉冲，该激光脉冲照射到碳化硅光导开关上，使碳化硅光导开关形成导通状态，使电流脉冲从输出端输出；
6)电流流经了平面型碳化硅光导开关，其电流脉冲形态由光导开关相关参数控制，这样在输出端形成了与输入端时域同步的具有一定***形态的电流脉冲信号。
在上述步骤中，优选的是，电流脉冲的峰值电流范围为10安培到10000安培，电流脉冲的时域脉宽范围为0.01纳秒到1000纳秒。
此外，上述平面型碳化硅光导开关的碳化硅衬底可以是高纯半绝缘碳化硅、钒掺杂半绝缘碳化硅或非故意掺杂半绝缘碳化硅。
另外，在上述方法中，输出的具有***形态的所述电流脉冲信号中***峰的个数从2到10个。
又，在上述步骤中，优选的是，脉冲激光的波长范围为100nm到1064nm，激光脉冲的强度范围为5μJ/mm2到5000μJ/mm2。
另一方面，根据本发明一实施形态的实现上述大电流脉冲的可控***方法的装置，包括：脉冲激光器、平面型碳化硅光导开关、光路和连接电缆。优选地，光路的连接方式可以为一组光路或者仅由光纤组成。且，脉冲激光器的输出脉冲的时域脉宽范围可为0.01纳秒到1000纳秒。
此外，该优选地，该平面型碳化硅光导开关可包括平面型氮化镓光导开关、平面型金刚石光导开关、平面型砷化镓光导开关、或平面型磷化铟光导开关。
与目前脉冲功率技术领域单纯采用电学元件控制电流脉冲形态的方法比较，本发明提供了一种大电流脉冲的可控***方法及其装置具有以下有益的技术效果：
除去光路连接和电学连接，整个装置只有脉冲激光器和碳化硅光导开关两个主要部件，因此该装置整体简洁、控制简单、稳定性高。
以下结合附图对本发明的优选实施例进一步详细说明。
实施例1：
如图1所示的实施形态中，本发明的一种大电流脉冲的可控***方法及其装置，包括：脉冲激光器3、平面型碳化硅光导开关2、光路和连接电缆8。以下实施例采用图2所示电路连接方式实施本发明方法和装置，具体按以下步骤进行：
1)采用脉冲高压源1作为大电流脉冲的输入，其正极电学连接到光导开关2的正极和左边的第一耐高压精密电阻4的正极；将脉冲高压源1的时域信号电学连接到脉冲激光器3的外触发端口；
2)将脉冲高压源3的负极、两个耐高压精密电阻4、5的负极电学连接到地；
3)将光导开关2的负极与右边的第二耐高压精密电阻5的正极电学连接；
4）通过一组反射镜片（图示省略）将脉冲激光器3发射出的激光斑照射到平面型碳化硅光导开关2上；
5）采用一个光电管7接收激光的散射光，输出激光脉冲信号到示波器6；
6）示波器6通过两个探头61、62分别采集两个耐高压精密电阻4、5两段的电压信号，连接在示波器6的两个不同端口；
实施例1采用钒掺杂碳化硅衬底制备的光导开关2，电极间距为5mm，激光单脉冲光强为150μJ/mm2。图3为示出了实施根据本发明实施例1的方法对大电流脉冲***的结果的图表，其为输入峰值电流为130安培时，本发明装置输出电流脉冲情况。可见输出电流脉冲较规则的***为了5个峰，这5个峰的峰值在100安培到130安培之间。
实施例2：
采用图2所示电路连接方式实施本发明方法和装置，具体按以下步骤进行：
1)采用脉冲高压源1作为大电流脉冲的输入，其正极电学连接到光导开关2的正极和左边的第一耐高压精密电阻4的正极；将脉冲高压源1的时域信号电学连接到脉冲激光器3的外触发端口；
2)将脉冲高压源3的负极、两个耐高压精密电阻4、5的负极电学连接到地；
3)将光导开关2的负极与右边的第二耐高压精密电阻5的正极电学连接；
4）通过一组反射镜片（图示省略）将脉冲激光器3发射出的激光斑照射到平面型碳化硅光导开关2上；
5）采用一个光电管7接收激光的散射光，输出激光脉冲信号到示波器6；
6）示波器6通过两个探头分别61、62采集两个耐高压精密电阻4、5两段的电压信号，连接在示波器6的两个不同端口；
实施例2采用非故意掺杂碳化硅衬底制备的光导开关，电极间距为10mm，激光单脉冲光强为350μJ/mm2。图4为示出了实施根据本发明实施例2的方法对大电流脉冲***的结果的图表，其为输入峰值电流为90安培时，本发明装置输出电流脉冲情况。可见输出电流脉冲较规则的***为了2个峰，这2个峰的峰值比较接近在90安培到100安培之间。
在不脱离本发明的基本特征的宗旨下，本发明可体现为多种形式，因此本发明中的实施形态是用于说明而非限制，由于本发明的范围由权利要求限定而非由说明书限定，而且落在权利要求界定的范围，或其界定的范围的等价范围内的所有变化都应理解为包括在权利要求书中。

Claims (10)

1.一种大电流脉冲的可控***方法，其特征在于，包括以下步骤：
（1）在电流脉冲的输入端和输出端之间电学连接碳化硅光导开关；
（2）将输入的电流脉冲的时域信号连接到脉冲激光器的外触发端口；
（3）将所述脉冲激光器发射出的激光脉冲照射到所述碳化硅光导开关上；
（4）在所述输入端没有电流脉冲输入时，所述脉冲激光器未接收到外触发信号，不输出激光脉冲，所述碳化硅光导开关在没有激光脉冲照射情况下处于断开状态，所述输出端没有电流输出；
（5）在所述输入端有电流脉冲输入时，其时域信号触发所述脉冲激光器，使所述脉冲激光器在时域上同步输出激光脉冲，所述激光脉冲照射到所述碳化硅光导开关上，使所述碳化硅光导开关形成导通状态，使电流脉冲从所述输出端输出；
（6）输出的所述电流脉冲的形态由所述碳化硅光导开关的参数控制，由此在所述输出端形成与所述输入端时域同步的具有***形态的电流脉冲信号。
2.根据权利要求1所述的大电流脉冲的可控***方法，其特征在于，所述电流脉冲的峰值电流范围为10安培到10000安培。
3.根据权利要求1所述的大电流脉冲的可控***方法，其特征在于，所述电流脉冲的时域脉宽范围为0.01纳秒到1000纳秒。
4.根据权利要求1所述的大电流脉冲的可控***方法，其特征在于，所述碳化硅光导开关为平面型碳化硅光导开关，其碳化硅衬底是高纯半绝缘碳化硅、钒掺杂半绝缘碳化硅或非故意掺杂半绝缘碳化硅。
5.根据权利要求1所述的大电流脉冲的可控***方法，其特征在于，输出的具有***形态的所述电流脉冲信号中***峰的个数从2到10个。
6.根据权利要求1所述的大电流脉冲的可控***方法，其特征在于，所述脉冲激光器输出的激光脉冲的波长范围为100nm到1064nm。
7.根据权利要求1所述的大电流脉冲的可控***方法，其特征在于，所述脉冲激光器输出的激光脉冲的强度范围为5μJ/mm2到5000μJ/mm2。
8.一种用于实现根据权利要求1至7中任一项所述的大电流脉冲的可控***方法的装置，其特征在于，包括：
电学连接在电流脉冲的输入端和输出端之间的碳化硅光导开关；
接收输入的电流脉冲的时域信号的脉冲激光器，所述脉冲激光器发射出的激光脉冲照射到所述碳化硅光导开关上。
9.根据权利要求8所述的大电流脉冲的可控***方法的装置，其特征在于，所述脉冲激光器的输出脉冲的时域脉宽范围为0.01纳秒到1000纳秒。
10.根据权利要求8或9所述的大电流脉冲的可控***方法的装置，其特征在于，所述碳化硅光导开关为平面型碳化硅光导开关，优选地，包括平面型氮化镓光导开关、平面型金刚石光导开关、平面型砷化镓光导开关、或平面型磷化铟光导开关。
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周天宇 等: "V掺杂6H_SiC光导开关制备与性能研究", 《强激光与粒子束》 *

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