固态平板Blumlein线中的GaAs光导开关导通电阻实验

谌 怡，王 卫，刘 毅，夏连胜，张 篁，朱 隽，石金水，章林文

(中国工程物理研究院流体物理研究所脉冲功率科学与技术重点实验室，四川绵阳621900)

固态平板Blumlein线中的GaAs光导开关导通电阻实验

谌 怡，王 卫，刘 毅，夏连胜，张 篁，朱 隽，石金水，章林文

(中国工程物理研究院流体物理研究所脉冲功率科学与技术重点实验室，四川绵阳621900)

为了研制紧凑型脉冲功率系统，开展了基于固态Blumlein线的GaAs光导开关(PCSS)导通电阻的初步研究实验。结合2mm厚固态平板Blumlein线，利用高功率脉冲激光二极管触发GaAs光导开关，在脉冲偏置电压下，GaAs光导开关非线性导通，经Blumlein线输出22.3 kV高压脉冲至负载，满足紧凑型脉冲功率系统的设计要求。通过偏置电压、输出电压以及Blumlein线阻抗估算光导开关的导通电阻约4.1Ω。另外，研究了GaAs光导开关非线性导通模式下的导通电阻与偏置电压和激光能量的关系。

脉冲功率技术;固态平板Blumlein线;GaAs光导开关;导通电阻

1 引言

在脉冲功率领域，光导开关(PCSS)在近几十年来得到了长足的发展［1-6］，这是因为光导开关具有低抖动、快速响应、高重复频率以及较小尺寸和体积等优点。根据光导开关的导通特性，可以将开关分为线性开关和非线性开关。在线性模式下，一个适当波长的光子能够激发半导体材料产生一个电子-空穴对。在非线性模式下，一个光子能够激发半导体材料产生电子，通过电子雪崩过程，产生更多的载流子。从众多的光导开关报道中发现，这些研究仅局限于小样品实验研究或理论研究，将其大规模应用到紧凑型固态脉冲功率系统中还存在较大差距。目前，光导开关正朝着高功率、高电压、大电流等方向发展［7，8］，对于光导开关的导通电阻研究较少，在大规模工程应用中，开关导通电阻个体存在较大的差异性可能带来许多的工程问题。因此，开展光导开关在紧凑型固态脉冲功率系统中的应用研究具有较大应用价值。

本文研究的目的在于研制紧凑型固态脉冲功率系统，将其应用于介质壁加速器中［9-11］。介质壁加速器是一种基于固态脉冲形成线技术、光导开关技术以及微堆绝缘技术［12］为一体的具有高加速梯度场强的加速器。要设计具有紧凑型高加速梯度的加速器，同样需要设计具有结构紧凑、轻便的脉冲功率系统。因此，基于光导开关技术的固态Blumlein线是研制紧凑型固态脉冲功率的最佳选择。本文重点研究了GaAs光导开关的导通特性以及影响光导开关导通电阻的主要因素。

2 实验装置

为了开展GaAs光导开关的导通特性研究，利用固态传输线和光导开关搭建了固态Blumlein线实验装置，结构示意图如图1所示。实验使用的单根传输线的电极尺寸为15mm×4mm×1mm，使用的光导开关为异面结构的GaAs光导开关，采用高功率脉冲激光二极管(Laser Diode，LD)触发光导开关。光导开关的尺寸为12mm×10mm×0.6mm，电极间隙为6mm。激光二极管驱动电路(激光二极管电源和触发系统)使激光二极管产生波长约为905nm，脉宽约为35ns的红外激光，红外激光照射到GaAs光导开关表面，在GaAs材料中产生大量的电子-空穴对，在脉冲偏压的作用下，载流子定向移动引起开关非线性导通，使在脉冲高压下完成充电的2mm厚固态平板Blumlein线开始放电，最终在负载R上得到半高宽理论值为5.2ns的高压脉冲，高压脉冲经衰减器和电缆进入示波器。

图1 实验装置示意图Fig．1 Schematic diagram of experimental setup

3 实验结果及分析

3.1 光导开关的导通电阻

理论上，Blumlein线阻抗与负载匹配时，对Blumlein线充电U0，其输出应为－U0，但实际上输出往往达不到100%的放电效率，这主要是因为开关在导通时存在一定的导通电阻，放电时一部分电压被分压到该电阻上。若开关的导通电阻与Blumlein线的特征阻抗相等，脉冲功率系统的放电效率仅50%。因此，对于较低特征阻抗的传输线需要避免使用较大导通电阻的开关。

在固态平板Blumelin线实验中使用的GaAs光导开关在导通时同样存在开关电阻，因此可以根据输入输出电压值来简单估算开关的导通电阻，通过测量偏置电压ui与输出电压uo的幅值，再根据单根平板传输线特征阻抗Z，负载电阻R可以计算开关的导通电阻r

文献［7］表明:光导开关的导通电阻与开关偏置电压以及激光能量ELaser密切相关，随着偏置电场和激光能量的增加，光导开关的导通电阻减小。因此，通过升高偏置电压和增大激光能量来降低开关的导通电阻被认为是可选的两种方法。图2中，当偏置电压从15kV提高到了22kV，多次平均导通电阻从12Ω降低到了7Ω左右，进一步提高偏置电压，光导开关导通电阻降低不明显，可认为此电压为GaAs光导开关的饱和电压。因此，当偏置电压高于GaAs光导开关的非线性阈值电压且低于开关的击穿电压和饱和电压时，可以通过升高偏置电压来降低GaAs光导开关的导通电阻。

图2 GaAs光导开关导通电阻与偏置电压的关系Fig．2 Relationship between GaAs PCSS’s on-resistance and bias voltage

当实验用的高功率脉冲激光二极管工作电流ILD变大时，激光二极管输出激光能量增大，如图3所示。因此，通过改变电流能够改变输出激光能量。图3中5种曲线是激光二极管与驱动电路采用5种不同的连接方式所得的激光二极管电流与激光能量的关系。图4是GaAs光导开关的导通电阻与激光二极管电流的关系(横坐标是激光二极管电流取样电阻上的电压UR)。可以看出，实验中，激光能量对光导开关的影响并不十分明显，甚至几乎没有变化。分析原因可能是因为GaAs光导开关在本文实验条件下处于非线性导通，GaAs光导开关非线性导通被激发后，开关的导通特性仅仅取决于偏置电压，偏置电压维持不变，则开关持续导通，与激光能量无关。

图3 激光能量与激光二极管电流的关系Fig．3 Relationship between LD current and laser energy

3.2 光导开关的导通特性

图5是6mm GaAs光导开关在脉冲偏置高压下放电时Blumlein线对负载放电的典型输出波形。为了提高放电效率(η=uo/ui)，使负载上获得的输出电压尽量高，满足输出电压设计需求，采用正失配的方式提高输出电压。这样设计的目的可以尽量减小被开关导通电阻的分压作用，从而提高输出电压。当脉冲电源充电至20.3kV时(即光导开关的偏置电压20.3kV)，固态平板Blumlein线对负载放电，负载上获得高压脉冲半高宽为10.3ns，幅值达到了22.3kV(半高宽实验值比理论值大主要是回来电感参数带来的影响)。对于2mm厚固态平板Blumlein线，若按22.3kV输出电压来设计加速器，其加速梯度可达11.15 MV/m，远高于传统直线感应加速器的约0.5 MV/m的加速梯度。因此，满足紧凑型脉冲功率系统的设计。

图4 光导开关导通电阻与激光二极管电流取样电压的关系Fig．4 Relationship between sampling voltage of LD‘s current and PCSS’s on-resistance

图5 6mm GaAs光导开关在脉冲偏置电压下的导通特性Fig．5 On-stated characteristic of 6mm GaAs PCSS under pulsed bias voltage

4 结论

开展了紧凑型固态平板Blumlein线中的GaAs光导开关导通特性实验研究，使用高功率脉冲激光二极管触发光导开关。激光二极管产生的905nm红外激光能够触发光导开关，在20.3kV的偏置电压下，固态平板Blumlein线输出22.3kV的高压脉冲。通过输入输出参数和回路参数计算GaAs光导开关的导通电阻，结果表明光导开关具有4.1Ω的导通电阻。GaAs光导开关非线性导通时，偏置电压的升高能够明显降低开关的导通电阻，增大激光能量不能够明显降低光导开关的导通电阻。

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Experiment on GaAs PCSS’s on-resistance with solid-state planar Blumlein line

SHEN Yi，WANG Wei，LIU Yi，XIA Lian-sheng，ZHANG Huang，ZHU Jun，SHI Jin-shui，ZHANG Lin-wen

(Institute of Fluid Physics，Key Laboratory of Pulsed Power，China Academy of Engineering Physics，Mianyang 621900，China)

In order to develop the compact pulse power system，the experiment on GaAs photoconductive semiconductor switch(PCSS)’s on-resistance has been studied．With 2mm-thick solid-state planar Blumlein line，GaAs PCSS is triggered with the high power pulse laser diode．GaAs PCSS turned-on the lock-on mode under the pulsed bias voltage．A 22.3kV high voltage pulse was obtained on load through Blumlein line，which satisfied the design of compact pulse power system．The PCSS’s on-resistance of 4.1Ω was calculated according to bias voltage，output voltage and impedance of Blumlein line．Moreover，the relationship between GaAs PCSS’s on-resistance and bias voltage，laser energy were studied under the lock-on mode of PCSS．

pulsed power technology;solid-state planar Blumlein line;GaAs PCSS;on-resistance

TN78

A

1003-3076(2014)07-0073-04

2012-08-10

国家自然科学重点基金资助项目(11035004)、中物院科学技术发展重点基金资助项目(2013A0402018)

谌 怡(1984-)，男，四川籍，助理研究员，硕士，研究方向为脉冲功率技术及强流电子束源;

夏连胜(1970-)，男，江苏籍，研究员，博士，研究方向为脉冲功率技术及强流电子束源。