碳化硅器件特性及其在脉冲功率源中的应用研究

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脉冲功率电源是电磁发射系统的重要组成部分,脉冲功率源中使用的半导体器件的性能对脉冲功率电源的性能产生直接影响。目前电容储能型脉冲功率源中常用的半导体器件有大功率晶闸管和硅堆。但是在脉冲功率电源中,因为晶闸管耐压不够,常需要多个串联使用。且其开关速度比碳化硅器件慢、损耗较高。高重复频率脉冲放电下,晶闸管和硅堆都会面临结温升高从而引发器件电学参数下降的问题。随着碳化硅材料的快速发展,碳化硅器件电压、电流水平不断提升。碳化硅器件适合在高压、高温的恶劣环境下工作,因此本文研究了两种碳化硅器件在脉冲功率领域的应用。本文研究工作如下:首先研究了目前在脉冲功率领域比较热门的碳化硅门极可关断晶闸管的特性,根据其设计原理并结合前人研究成果,自行设计了一个4kV正向阻断电压的SiC GTO,与结构相似的Si GTO作对比,并在脉冲形成网络对二者表现加以研究。然后通过电路仿真对比研究了两款电压、电流参数相同的超快恢复肖特基二极管、结势垒肖特基二极管的静态特性、动态特性,并加以分析。接着对脉冲形成网络的放电过程进行简单的数学分析和仿真,分析半导体器件在脉冲放电过程中所处的电压、电流环境。结合碳化硅结势垒肖特基二极管和硅超快恢复二极管的参数表对其在本文脉冲形成网络中的浪涌电流加以推测。通过常温下和高温下的脉冲放电实验来评估碳化硅结势垒肖特基二极管和硅超快恢复二极管的抗浪涌电流能力和在脉冲放电环境的适用性。最后得到结论,碳化硅功率器件在脉冲功率源中有很大潜力。随着碳化硅材料、器件结构优化、高温封装等各技术的进步,碳化硅功率器件可以在脉冲功率源中表现出比硅功率器件更好的性能。
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