二、特种电源新技术发展综述

1.光控高功率半导体开关

（1）光触发多门极半导体开关

光触发多门极半导体开关（LIMS）是在电控晶闸管与光导开关两种固态开关基础上发展起来的，其基本结构如图1所示。与硅基光导开关不同，在激光触发半导体开关的结构上引入了PN结，可以采用高压直流而非脉冲充电，充电系统的复杂性降低。采用大能量激光触发的方式（触发能量通常在百μJ），显著提升了开关速度。由于采用激光触发控制，开关可以比较容易实现串并联应用。

中国工程物理研究院流体物理研究所研究团队研制的LIMS-10kA开关耐压大于6kV，开关在4kV工作电压下均实现了不小于10kA电流输出，di/dt均大于30kA/μs；室温下开关芯片在4kV放电条件下寿命大于10000次（激光二极管、百μJ能量），通流密度大于10kA/cm2；LIMS-10kA开关在-55℃和85℃条件下均实现了不小于10kA的电流输出；LIMS-2kA开关在125℃条件下实现了2kA电流输出，如图2所示[1]。

此外，中国工程物理研究院流体物理研究所研究人员开展了两只光触发多门极半导体开关串联组件设计及实验验证，开关组件结构如图3所示，开关组件工作电压约12kV，输出峰值电流约1.1kA，上升时间约19ns，每只光触发半导体开关所需激光能量为0.5mJ（波长1064nm），LIMS开关组件工作电压和输出电流波形如图4所示[2]。

（2）光导开关

光导开关导通电阻对固态脉冲源输出效率有较大影响，针对此问题，中国工程物理研究院流体物理研究所和山东大学研究人员提出微堆栈结构GaAs光导开关设计，堆栈结构一方面可以抑制电场局部集中、产生光栅效应[3]、降低开关导通电阻，还可以减弱开关热载流子效应、抑制电流丝，进而提高系统输出效率。

堆栈结构光导开关结构如图5所示，首先在GaAs材料表面通过MOCVD的方法外延生长一层n+-GaAs层，掺杂浓度大于1019cm-3；通过湿法刻蚀的方法将电极区域外的高掺杂n+-GaAs层去除，然后通过电子束蒸发的方式将Ge/Au/Ni/Au金属依次淀积到n+-GaAs层表面；采用干法或湿法刻蚀将两电极间GaAs材料按照一定周期刻蚀一定深度（20nm～百nm）；在刻蚀槽内蒸镀金属或者外延生长n+-GaAs材料；最后通过快速热退火的方式形成欧姆接触，通过TLM方法测试得到欧姆接触电阻率小于10-6Ω·cm2。研制的堆栈结构光导开关工作电压大于15kV，输出电流大于500A，导通电阻小于1Ω，如图6所示。

2.储能器件

脉冲形成线作为脉冲功率技术中最基本、应用最广泛的脉冲压缩方式之一，几十年来一直是脉冲功率技术领域的研究热点。随着脉冲功率技术民用化的进程和国防军事的发展，特别是介质壁加速器研制、民用X光机的小型化等多个方面的应用推进，要求脉冲功率系统实现小型化、固态化以及高重复频率工作，这带动了脉冲形成线向着固态化和高重复频率工作的方向发展。目前，关于固态脉冲形成线的研究尽管取得了一系列的进展，但主要还是集中在单次脉冲输出特性的研究，针对固态脉冲形成线重复频率条件下的脉冲输出特性研究的报道还极少。玻璃陶瓷作为一类新型的储能介电材料，由于采用熔融—快冷—可控结晶工艺制备，在零孔隙率的玻璃基体中析出高介电常数nm尺寸陶瓷相，从而使得该纳米复合介电材料同时具备了高介电常数和高击穿场强。

北京有色金属研究总院和中国工程物理研究院流体物理研究所研究人员采用熔融—快冷—可控结晶工艺制备了（Pb，Sr）Nb₂O₆-NaNbO₃-SiO₂大尺寸玻璃陶瓷，开展了其介电性能以及脉冲充放电特性研究。实验结果表明：该玻璃陶瓷材料的介电常数约为340，具有良好的温度稳定性和正的偏压特性。基于该材料制备的固态脉冲形成线输出脉冲脉宽约为89ns，具有良好的脉冲平顶和快的上升时间。在19kV充放电电压、1kHz的充放电频率、4kA的放电电流条件下，固态脉冲形成线充放电寿命大于100万次[4]。

对制备的（Pb，Sr）Nb₂O₆-NaNbO₃-SiO₂大尺寸玻璃陶瓷进行了微观结构分析。如图7所示，玻璃陶瓷为完全致密材料，其主要包含两相：陶瓷相和玻璃相。灰色为陶瓷相，晶粒尺寸在200nm左右，亮色的为剩余玻璃相，分布在陶瓷晶粒之间。

图8所示为玻璃陶瓷脉冲形成线样品照片及单次脉冲放电波形。采用充放电测试平台对固态形成线样品进行了脉冲输出特性研究，脉冲输出峰值电压为11.9kV，脉宽（半高宽）约为76ns，输出脉冲具有良好的脉冲平顶，较快的上升沿。图9所示为玻璃陶瓷脉冲形成线样品在重频1kHz脉冲放电波形，放电寿命达到100万次。