大功率超高速半导体开关的换流特性研究图文精.docx

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大功率超高速半导体开关的换流特性研究图文精

第２７卷第３０期２０∞年１０秀

中国电帆工稷学报

Ｐ约ｅｅｅｄｉ撞ｇｓｏｆ凌ｅＣＳ嚣Ｅ

Ｖ翻．２７Ｎｏ．３０Ｏｃｔ。

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文章编号：

０２５８．８０１３（２００７）３０．００３８一０５

中图分类号：

ＴＮ８６文献标识码：

Ａ

学科分类号：

４７０－４０

大功率超高速半导体开关的换流特性研究

余岳辉１，梁琳１，颜家圣２，彭亚斌１

（１．华中科技大学电子科学与技术系，湖北省武汉市４３００７４；

２．襄樊台基半导体有限公司，湖北省襄樊市４４１０２１）

Ｃｕｒｒｅｎｔ

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ｄｙ面ｓｔｏｒ；ｔｕｒｎ—ｏｎｃｈａｆａｃｔｃｒｉｓｔｉｃｓ；ｐｕｌ辩；ｄ∥出

摘要：

研究了一种应用于激光驱动源的大功率超高速半导体舞关反羹搿关晶体管《袋ＳＤ）戆薮结梅，激实瑗辩、鑫ｓ歉宽、Ｍｗ以上的高重复率脉冲的产生和控制。

ＲｓＤ具有大面积快速均匀开通、可无限串联、功率大、换流效举高、寿命长

酶特点。

利耀单次辣净试验乎台磷究了醛Ｄ熬舞遥瓿理及

高密度能麓转换、允许通过的峰值电流、开通条件与预充、准静态损耗及其ｄ∥ｄｆ等多项特憔。

根据经骏公式，对小

基金璎戮：

国家鸯熬秘学基金瑗嚣（辩２７了ｏｌ蠡匏５７７０２８）．离等学校博士学科点专项科研基套（２００５０４８７０４４）。

Ｐｒｏｊ鳅Ｓｕｐｐｏ删ｂｙ

Ｎａｌｉｏｎａｌ

ＮａｔｕｒａＪＳｃｉｅｎｃｅＦｏｕｎｄａｌｉｏｎ

０ｆ

ＣｌＩｉｎａ

（５０２７７０１６，５０５７７０２８）．

直径ＲＳＤ做极限电流试验，毋２０ｍｍ的ＲＳＤ堆体通过了

１９．９ｋＡ脉冲电流（脉宽３哦ｓ）。

通过减小主回路电感考核了

ＲｓＤ戆高纛旋｝籍誊藿特缝，放毫电歪３ｌ（ｖ融得蘩ｄ融接遥

８ｋＡｍｓ。

关键词：

大功率开哭：

反向开关晶体管；开通特性；脉冲；幽ｍ

０弓ｌ言

脉冲功率技术产生于２０世纪３０年代，２０世

纪∞年代之露得囊逐速发震。

其最初豹吸弓｝力来

自军事方面的应用，例如同位素分离、电磁炮、激光靶、原子靶、飞机弹射、激光推进、激光反卫、核聚变激发等；冷战结束螽，研究人员将他销酶露

光转向其在工业上的应用，例如大功率能量发生

器、微波、新材料制各、生物医疗、环保等领域【ｌ剖。

牙关元馋怒脉冲功率系统豹核心元俘之一，其参数和特性对脉冲的上升时间、幅值、关断时间等

产生最直接的影响。

以往大功率快速换流通常都用

气体放电器件来实现，这曾经在很大程度主成涛技术上唯一可能实现的手段。

然而这类器件使用寿命

短，工作不稳定，且难以在高重复频率条件下王作，

这是由气体放魄的性质本身决定的。

半导俸并关体积小、寿命长、性能更稳定，可克服上述缺点。

但

是，传统的晶湖管响应速度慢、关断时间长，殍遇

难予丽步，且蠢于导通届部讫丽导致了大的损耗，其大功率系统化有较大难度，电流容量和ｄｆ，ｄｆ值亦

比较肖限；光导半导体开关是另一种惠性能的大功率匿态开关器佟，但其电流容量使其在几十至几百

ｋＡ的大电流放电领域并不适用，所以超大功率的高速开关目前仍是制约重复频率脉冲功率系统发

万方数据

第３０期余岳辉等：

大功率超高速半婚体开关的换流特性研究

３９

展的主要瓶颈¨以引。

１．ｖ．Ｇｒｅ处ｏｖ等人基于可控等离子层换流原理，首先提出丁大功率超高速半导体开关反向开

关晶体管（ｆｅｖｅ搭ｅｌｙｓｗｉｔｃｈｅｄｄｙｍｓｔ蛾，ＲＳＤ）的掰器

件结构，它可实现数十至数百姓大电流、数十斟

高电压、微秒纳秒级开通三者完美的统一【ｌ¨７１。

根

据不阂Ｓｉ单燕电阻率、芯片直径、最大阻断电压和关断时间，ＲＳＤ器件可以被有侧重的应用于２个方

向——脉冲功率１０８—１０１０ｗ的高压方向和平均功率

ｌａ‰ｌ矿Ⅳ的离频方向。

鹬Ｄ独一冤二的换流特性

使箕残余电压在前沿只有很小的突辫，导通时的换流损耗与准静态损耗相比很小。

ＲＳＤ这种导通时损耗的绝对筐秘比值（换流损耗与准静态损耗之比）很

小的特点，理论上可以使其工作于连续振荡发生方

式的频率极限大幅度提高。

Ｊ２结注入到ｎ基区，相应地，电子由阳极ｎ＋区注入

藏基区，结果在ｎ蒸酝中靠近勤结处形成～高浓度

薄等离子体层。

在漂移场作用下，该薄等离子体层中的空穴向阳极ｎ＋区移动，经过数十纳秒，等离子体波到达ｆ区。

在ｎ＋ｎ结附近形成第２个高浓度薄等离子体层。

当磁开关Ｌ饱和，主电压弘加在ＲＳｐ上，晶潲管单元开始其导通过程，是结附近等离子体层中的空穴进入到ｐ基区，阴极侧ｎ＋发射区电子通过Ｊ３

结也注入到ｐ基区。

同时，等离子体波反巍，空穴从ｐ＋ｎ结注入ｎ基区，漂移场的作用使Ｊｌ结附近等离子体层向Ｊ２结移动，计算表明，由于这种补充作耀，是结附近等离予体层几乎没有消耗，形成了一个可源源不断提供等离子体的等离子库，ＲＳＤ实现

在器件全面积均匀同步开通。

｛ＲＳ０的结构及开通机理

２

ＲＳＤ的特性及试验

１．１

ＲＳＤ的结构

图ｌ为所研制的单只赆Ｄ开关的基本结构，

它是～种包含数万相闻撵列的晶阚管帮晶体管单元的二端器件。

所有单元中的集电极为共有，它阻断外加鲍正向电压，此外还共有阴极莰ｌ的珏＋ｐ发射

结。

当反向施加一脉宽ｌ也｝Ｉｓ、脉幅约Ｏ．５一１．５ｋＡ

的驱动电流时，ＲｓＤ可以“ｓ至ｎｓ级的速度开通数十至数百千安的大电流。

主电路耱驱动电路之间由磁开关Ｌ隔离。

曝王酗Ｄ秀关豹结构

Ｆｉ函ｌ

Ｓｔ翔ｃｔｕ摊ｏｆＲｓＤｓ镩ｉｔｃｈ

１．２

ＲＳＤ的开通机理

ＲＳＤ利用预充阶段的反向注入，在芯片全嚣积

上形成一层很薄的、浓度梯度很离的可控等离子层，该等离子层在正向开通过程中必须不耗尽，成

为有效的电子源，使器件实现准二极管模式的全面

积均匀、同步歼通，达到高速、大容量换流的目的。

具体开通过程如下：

将预充电路开关Ｓ闭合，

预充电压阮热在ＲｓＤ上，此时磁汗关Ｌ未饱移，晶体管的ｎ＋ｐ低压结被击穿，空穴经过正偏集电结

２．１测试平台原理图

图２所示为单次ＲＳＤ开通特性的测试平台原

理图，其中主回路电容Ｃｌ额定电压为３魄ｖｆｌ鄹。

圈２ＲＳＤ辩透试验平螽毫路原理圈

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ＲＳＤ

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２。

２只ＳＤ豹电流电殛特性

图３所示为早期所研制的单次ＲＳＤ样品（单只）的电流电压特性，图３＾５中对应的分流器比率为

撕—蝌。

霹以看惠，电压的确应黠问秀纛ｓ级，但

残余电压较高，除了与预充回路、芯片的结构有关

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万方数据

中国电机工程学报

第２７卷

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图４

ＲＳＤ的峰值电流测试波形

Ｆｉｇ．４

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ＲＳＤ预充不足时的典型开通特性

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外，磁开关的延迟时间已大于２“ｓ，与要求的１也¨ｓ

院稍微长了些。

２．３

ＲＳＤ允许通过的峰值电流

由于ＲＳＤ具有均匀开通的特点，峰值电流证

迸于芯片面积。

大量的开通测试维采表明，对２∞蛐。

级电流的测试可以利用同结构的小直径ＲＳＤ万安级破坏性测试结果，由经验公式【１９】

厶＝轰答，【，≤乞）“。

ｌ

≤１）

计算得到同类结构的任意通流面积ＲＳＤ脉冲大电流耐量。

式（１）中：

Ｓ为ＲＳＤ芯片有效谳积，ｃｍ？

；

鬈为结构嚣子，反比于基区宽度确定酶工佟电匿，

２ｋｖ时胎２１０．．厂为电流曲线因子，取值从方波曲

线的ｌ到正弦曲线的Ｏ。

６６；≈为电流脉宽，ｓ。

鹜４是小直径熬ＲｓＤ峰值电流器实溅值。

样品为１５只直径２０Ｉ】瑚，的ＲＳＤ串联，在１０．２ｋＶ的端电压下通过了１９．９ｌ溘的单次脉冲电流（脉宽约为３鲰ｓ），琵非常接近由式（１）计算得到豹毫流极限值，ｄ枷ｆ为２．２ｋＡ，ＩＩｓ。

表１是各种规格尺寸的ＲｓＤ脉

冲大电流耐量的理论值。

２．４秀通条件与预充

由晶体管的电荷控制理论得到了用临界预充

电荷簖描述的ＲｓＤ开通条件【２０ｌ：

表ｌ

ＲＳＤ的峰值电流（理论值）

Ｔａｂ．１

Ｐｅａｋｃｕｒｒｅｎｔ０ｆＲＳＤ（ｔｈｅｏｒｅｔｉｃｖａｌｕｅ）

２０ｌ。

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２０

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１４６

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式中：

级为单位面积的预充电荷量：

扣隅似为弱电场中电子与空穴迁移率的比值，硅器件一般取为２。

８；酊∥鑫｝先歪宾逶态电流密度上升率；圪＝

吆，２见为通过ｐ基区的电子扩散时间，％为ｐ

基区宽度，巩为ｐ基区中电子的扩散系数；氛＝ｌ，

（‘’＋《１）为集电极电流上升酌时澜常数；铭隽ｐ基区中电子的寿命。

图５是一预充不足的实铆。

正常情况下ＲＳＤ

导通后的残压为凡伏至几十伏，丽图５中的导通电

压出现一明显的尖峰，导致ＲＳＤ～次开通后损坏。

这是凌预充通道的设计与糨关工艺造成懿。

实验发现，在一定范围内，预充电压越大，则开通过程中通态电压上升越小，开通越均匀。

２。

５

ＲＳＤ的准静态损耗

ＲＳＤ与普通晶闸管相比具有原理上的优势，即

在整个器件上全面积导通，相同条件下，换流功耗只鸯普通晶阐黪的３０％。

在预充邀黄充足豹情况下，相同尺寸的ＲｓＤ的通流能力比普通晶闸管高出一个数量级。

换流损耗很小，其功耗主要是导通对豹准静态损耗。

在忽略续压降的篱忧模型中，实际的准静态损耗与开通电压（器件上的残余电征）成正比，可表示为

Ｐ。

堡丝

ｆ３）

３∥，ｓ√扫鲰Ｑ≥Ｏ）

式中：

ｗ矗为ｎ基区宽度；埘砂为厩向电流；硒为

空穴迁移率；Ｑ知为ｎ基嚣掺杂慧壁；Ｑ矗殍势单位面积的正向注入电荷量。

图６比较了不同ｎ基区参数ＲＳＤ开通时的准静态损耗，图６、图７中管式分流器ＧＦ－ｌ的电阻计量值为１．６４２４Ⅱ疵。

开通外电路条件相同，主电压３ＯＯＯＶ，预充电压ｌ２００ｖ，正向电流峰值约

甜３０Ａ。

２组芯片直径都免３勃擞，其中（ａ）维为４

只串，（ｂ）组为２只串，（ａ）组ｎ基区宽度小于（ｂ），掺杂浓度高予（ｂ），从开通电压波形读得（ｂ）的开通

蜒，人８ｎ俄

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万方数据

第３０期余岳辉等：

大功率超高速半导体开关的换流特性研究

４１

八：

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（ａ）ＲＳＤ３２２８－３、ＲｓＤ３２２８＿６串联

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（ｂ）ＲＳＤ５一ｌ、ＲｓＤ５－２串联

图６

ＲＳＤ的准静态损耗

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ＲＳＤ

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回路磁开关为超微晶铁心３匝，接入９ｋｖ高压二极管，无另加负载电阻。

图７（ａ）所示表明，放电电压３ｋＶ时，脉冲电流峰值约为８．５ｋＡ，底宽３邮左右，ＲＳＤ开关的彻协接近８ｂ～仙ｓ。

通过ＲＳＤ的ｄｆ，ｄｆ值与放电电压密切相关，图７（ｂ）的测试除放电电压为２ｋＶ外其他条件与（ａ）完全相同，通过的ｄｆ／ｄｆ仅

为４．５Ｗ“ｓ。

随着ＲｓＤ两端电压的增加和放电回路

电感的减小，ＲＳＤ可通过更大的ｄｆ／ｍ值。

３

结论

从ＲｓＤ的电流电压特性曲线可看出，ＲＳＤ可

在灿至ｎｓ时间内开通ＭＷ以上的超大功率。

根据

经验公式，可通过对相同结构小直径ＲＳＤ的破坏

性测试作为等效的大电流测试结果。

为保证ＲＳＤ以均匀、同步的“准二极管”模式开通，需保证预充

过程中形成的等离子层在开通时不被耗尽。

ＲＳＤ在器件全面积上均匀同步导通的特点使其具有很小的开通损耗，通流能力强，开通前沿的换流损耗与准静态损耗相比几乎可忽略不计。

ＲｓＤ具有高劭协特性，通过减小主回路的电感，提高放电电压，

ＲＳＤ的ｄ讹ｆ达到１０５Ⅳ№的预定目标是可能的。

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