半导体断路开关的输出电压中的预脉冲现象, 严重影响了整个系统的输出脉冲前沿陡度和重复频率。针对半导体断路开关在反向截断过程中预脉冲产生的过程和机理进行了研究。利用Silvaco Atlas仿真软件对半导体断路开关正反向泵浦过程中载流子的迁移和电场的变化过程进行了详细考察, 发现预脉冲的产生是由双边截断过程中N-N+结截断所引起的脉冲前沿变缓现象, 其长短主要取决于P型轻掺杂区内的少子电子的迁移率, 而脉冲前沿的陡度则取决于双边截断过程中的PN结截断过程。同时, 对具有不同基区长度的器件, 对其在不同泵浦电流密度下的情况进行了模拟和对比, 发现器件基区越窄, 脉冲前沿越陡, 而预脉冲基本相等; 低电流密度条件下只发生N-N+结单边截断, 大电流密度条件下则发生双边截断, 而双边截断的延迟更长, 但脉冲前沿拐点更陡, 截断更快。

依据高重频高压纳秒脉冲输出的要求，基于半导体断路开关(SOS)的工作特点，设计了高重频高压纳秒脉冲源脉冲发生器线路。分析发生器线路的工作原理，对输出脉冲幅度50 kV/100 Ω、脉宽约10 ns~20 ns 和重复频率100 kHz 脉冲源的线路中关键器件的参数进行了计算。分析关键器件SOS、饱和脉冲变压器、副开关要求，给出了关键器件的选型参考。

采用Silvaco TCAD软件,对P+-P-N-N+SOS结构输出脉冲宽度的参数影响规律进行了一维数值模拟研究,包括N+区扩散深度、有效横截面积、外电路参数等。模拟结果表明：随着N+区扩散深度、有效横截面积的增加和外电路电阻的增大,输出脉冲的宽度减小。通过参数优化,获得了脉宽约为4 ns的输出脉冲。

提出了磁饱和直线变压器驱动源(LTD)泵浦半导体断路开关(SOS)产生高重复频率短脉冲的技术路线。利用LTD初次级线圈为单匝同轴结构和磁芯可饱和的特点,实现快速反向泵浦SOS,通过多级LTD模块叠加获得高电压输出。采用射频金属氧化物场效应晶体管(RF MOSFET)作为LTD初级电路的主开关,将SOS正向泵浦电流脉冲时间降至数十ns,泵浦电流脉冲重复频率最高可达MHz。最终研制出一台基于SOS的10级磁饱和LTD型脉冲发生器,输出电压约11 kV,电流220 A，脉冲宽度约2 ns,重复频率为20 kHz。实验验证了磁饱和直线脉冲变压器泵浦SOS产生高重复频率短脉冲的技术路线可行。

在维持电路参数同比变化和通过半导体断路开关(SOS)的电流密度不变的基础上，提出了一种SOS截断特性模拟的缩比模型，并可在Silvaco ATLAS软件中应用。在以不同的缩比率选取等效SOS横截面积的情况下，将原电路中串联的100个二极管等效为若干个二极管，模拟得到了相同的二极管电流和电压波形。模拟结果表明，该模型不仅可以得到正确的SOS瞬态截断过程，而且可将计算速度提高近百倍。通过对SOS截断过程中载流子分布和电场分布变化过程的分析发现，SOS的截断过程发生在nn+区。

为了研究掺杂结构为p+-p-n-n+的半导体断路开关的ns脉冲截断机理, 根据流体力学方程和全电流方程推导出半导体断路开关内部载流子运动满足的电流-电压关系表达式, 提出了一种外电路方程和载流子流体力学方程联立求解的1维耦合数值模型。采用该模型对半导体断路开关的ns脉冲截断过程进行了数值模拟, 模拟结果表明: 在截断过程中, n-n+结处的载流子数密度首先开始明显降低, 并出现高电场, 随后p+-p结处也出现类似现象, 随着载流子的抽取, 高电场区域向p-n结处快速移动, 最终在p-n结处完成截断, 而基区载流子数密度在截断前后无明显变化。

采用基于半导体断路开关的纳秒脉冲高压电源, 在两个金属电极之间产生放电区间为1 600 mm×100 mm×25 mm的常压辉光空气等离子体。等离子体发生器采用负高压针电极阵列与平板阳极结构, 针电极的直径为1 mm, 长度为20 mm, 针电极之间的间隔为20 mm, 针电极与平板零电位之间的距离为25 mm, 在每个负高压针电极末端周围同时形成圆锥形辉光放电, 在平板地电极则形成大面积辉光放电。采用电压探针测量了该新型等离子体的放电特性, 结果表明: 放电脉冲的上升时间为26 ns, 最高脉冲输出峰值电压为27 kV; 利用该辉光等离子体对幅宽为1 000 mm聚四氟乙烯薄膜进行了表面改性处理, 处理后其表面接触角由原来的124°降到69°, 亲水性能大为提高。

利用基于SOS的固态脉冲功率源进行了Ka波段相对论返波管振荡器(RBWO)的实验研究。该固态脉冲功率源工作电压200～360 kV,工作电流约2.6 kA,脉宽约20 ns,脉冲上升前沿约9 ns。SOS固态脉冲功率源驱动Ka波段BWO的实验结果为:微波频率36～38 GHz,脉宽约10 ns,峰值功率约50 MW,重复频率10 Hz。

功率器件半导体断路开关具有高重复频率工作能力。采用高速绝缘栅双极晶体管组件作为初级充电回路的主开关,建立了一台工作频率为10 kHz的脉冲发生器。脉冲发生器采用磁饱和脉冲变压器、磁开关及高压脉冲电容器组等固态器件进行两级脉冲压缩,产生小于100 ns的电流脉冲,对半导体断路开关进行泵浦,半导体断路开关反向截断泵浦电流在负载上产生高压脉冲输出。实验装置在电阻负载上得到了脉冲输出功率约为8.6 MW,脉冲宽度约10 ns,重复频率10 kHz的高压脉冲输出。