大功率半導體開關RSD觸發導通特性的實驗研究

周競之 王海洋 何小平 陳維青 郭 帆 邱愛慈

（西北核技術研究所 西安 710024）

1 引言

大功率半導體開關中，反向觸發導通雙極晶閘管（Reversly Switched-on Dynistor,RSD）是目前通流能力最強的半導體器件之一[1]。它的導通速度快，電流上升速率最高可達70kA/μs[2]。相比其他大電流開關，RSD還具有長壽命、可靠性高、無污染等優點。在高壓大功率電源中[3-7]有廣泛的應用前景。

RSD應用技術的關鍵在于觸發技術，俄羅斯Ioffe物理研究所對RSD觸發導通的物理過程進行了理論分析[2]，提出以臨界觸發電荷量作為RSD觸發充分與否的判據，并給出了計算公式，由于理論分析中的條件簡化，公式的計算結果不能完全適用于不同脈寬觸發的情況。雖然國內外對RSD的觸發特性進行過實驗研究[8,9]，證實了觸發電荷量是影響RSD導通狀況的決定因素。但相關實驗多局限于單個觸發脈沖寬度，對觸發脈寬0.5～2μs，特別是0.5μs以下的觸發導通性能的實驗結果未見報道。

本文對四種觸發脈寬2μs、1μs、500ns和250ns下RSD的觸發導通狀況進行了對比實驗，不同脈寬下實驗獲得的臨界觸發電荷量可為計算公式的修正提供參考數據；也為設計RSD短脈沖觸發電路提供參考，在工程實踐中，縮短RSD的觸發電流脈寬有助于實現RSD開關組件的小型化。因此本文主要研究不同觸發脈沖寬度下的RSD觸發導通特性規律，著重研究短脈沖觸發作用下的導通狀況，具有理論和工程意義。

2 RSD的結構和觸發條件

RSD是一種類晶閘管器件，不同的是RSD不含門極，屬于兩端器件。它的半導體結構如圖1所示。

圖1 RSD的半導體結構圖Fig.1 Schematic of semiconductor structure of RSD

RSD的陽極均勻分布著上萬個高摻雜濃度的p+和n+單元。從縱向來看，RSD相當于大量pnpn晶閘管單元與npnn+晶體管單元的并聯。由于陰極發射結n+p的反向擊穿電壓低，在反向電壓下會發生擊穿；此時npnn+晶體管變成pnn+二極管，可以看出RSD反向等效于二極管。

RSD依靠反向電流進行觸發。觸發電流反向流過RSD時，會在n基區內累積生成大量的非平衡載流子，使得原來保持高阻狀態的n基區電導率升高，從而達到導通的條件。n基區內非平衡載流子的濃度越高，RSD的觸發越充分。觸發過程中n基區內生成非平衡載流子濃度的高低與觸發電流注入RSD的觸發電荷量QR有關。

要保證RSD獲得充分觸發而均勻導通，它的觸發電流脈沖必須滿足一定的條件。俄羅斯學者通過理論分析，給出了保證RSD均勻導通的觸發條件[8]。

式中jR——觸發電流面密度（A/cm2）；

S——RSD的管芯面積（cm2）；

tR——觸發電流脈沖寬度（μs）；

djF/dt——導通后正向電流密度上升速率，kA/(μs·cm2)；

A——比例系數，與半導體參數有關[(2.6～3.4)×10-14s2]；

對式（1）兩邊同時在RSD的芯片面積上進行面積分，式（1）變成

3 RSD觸發導通特性測試平臺設計

3.1 實驗電路方案

實驗電路原理圖如圖2所示，圖中包括主回路和觸發回路兩部分。

圖2 實驗電路原理圖Fig.2 Schematic of experimental circuit

觸發回路采用直接放電的方式對RSD進行觸發。整個實驗電路的工作過程如下：初始條件下主電容C充正電2kV，觸發電容C1充負高壓，幅值可調；此時RSD承受正向2kV的電壓。當控制開關受控導通后，觸發回路開始振蕩放電，由于RSD反向等效于二極管，因此觸發回路的振蕩電流幾乎全部反向流過RSD，成為RSD的觸發電流。觸發過程中原來加在RSD兩端的正向電壓由磁開關承受，磁開關處于阻抗很高的非飽和狀態，阻止了主回路的放電。觸發電流脈沖結束時，磁開關也恰好飽和導通；主電容通過RSD對負載放電。

通過改變觸發回路中的C1、L1和R1可以調節觸發脈沖的寬度；在回路參數不變的情況下，通過改變電容C1的充電電壓U1可以調節觸發脈沖的幅值。本文實驗了四種不同觸發脈寬，分別為2μs、1μs、500ns和250ns。

如果RSD觸發充分導通均勻，那么RSD導通過程中的壓降相對較低，表明RSD導通過程中損耗較小；反之如果觸發不充分，RSD內部會發生局部導通，導通壓降升高，損耗增大。因此通過測量RSD兩端的導通壓降來反映RSD的導通狀況。RSD觸發水平的高低由觸發電流脈沖決定，選用電流線圈對觸發電流進行測量。圖2中標出了電壓探頭和電流線圈的位置。

3.2 磁開關設計

磁開關是帶有磁心的電感，其電感LMS為

式中N——磁開關匝數；

Sm——橫截面積；

lm——平均磁路長度。

磁開關的電感與磁心的脈沖相對磁導率μp成正比。磁開關保持關斷狀態的時間稱為隔離時間。隔離時間td由式（4）確定。

式中uMS——磁開關兩端的電壓；

ΔB——磁心從非飽和狀態到飽和狀態的磁

感應強度變化量。

實驗選用具有高飽和磁感應強度、高矩形比的鐵基非晶材料2605SA1制作磁心。圖3是實測的非晶材料2605SA1的單邊磁滯回線。

圖3 非晶材料2605SA1的單邊磁滯回線Fig.3 Half hysteresis loop of amorphous 2605SA1

根據實測的磁心材料參數，設計出如表1所示的磁開關結構參數，磁開關采用多片環形磁心疊加的方式組成。

表1 不同隔離時間的磁開關結構參數Tab.1 Parameters of magnetic switch structure withdifferent delay times

表1中的6只磁開關分別對應四種不同的隔離時間，這6只磁開關從左到右、從上到下依次編號為1#到6#。其中同一橫排的1#、2#和3#磁開關飽和電感相等，4#、5#和6#磁開關飽和電感相等。這樣可以保證主回路放電的一致性。

4 觸發導通特性的實驗

4.1 不同觸發脈寬下的觸發電流

圖4給出了1μs和250ns兩種觸發脈寬下的觸發電流波形。要保證足夠的觸發電荷量，觸發脈寬越短的觸發電流幅值越高。因此實驗中電容C1的充電電壓在不同脈寬下需做較大范圍的調節，調節范圍從0.6～11kV。

圖4 兩種觸發脈寬下的觸發電流脈沖波形Fig.4 Waveforms of trigger current with two pulse widths

4.2 不同觸發脈寬下的RSD觸發導通特性

圖5 是測得的2μs觸發脈寬下RSD的導通壓降和回路電流波形。可以看出圖5a中的觸發電流較高，圖5b中的觸發電流較低，造成的結果是圖5b中的導通壓降出現了明顯的尖峰，這是由于觸發不充分導致RSD內部發生載流子耗盡造成的。雖然圖5a和圖5b的主電流波形沒有明顯的差別，但是如果RSD長期工作在觸發不充分的狀態，很容易導致器件損壞。

圖5 2μs觸發脈寬下的導通壓降和電流波形Fig.5 Waveforms of switching voltage and current under trigger current pulse width of 2μs

為了找到RSD導通狀況的變化規律，實驗了多種不同觸發電流幅值下的情況。通過對觸發電流積分得到觸發電荷量QR和測量RSD的峰值導通壓降UTmax，得到如圖6所示的變化曲線。

圖6 2μs觸發脈寬下的峰值導通壓降隨觸發電荷量的變化曲線Fig.6 Curve of peak voltage vs.trigger charge under trigger current pulse width of 2μs

圖7 兩種觸發脈寬下的峰值導通壓降隨觸發電荷量的變化曲線Fig.7 Curves of peak voltage vs.trigger charge under two different trigger current pulse widths

圖8 是觸發脈寬250ns下峰值導通壓降隨觸發電荷量的變化曲線。從曲線的形狀來看，250ns觸發脈寬與其他三種觸發脈寬基本一致。不同的是，250ns觸發脈寬下峰值導通壓降約為220V，遠高于其他觸發脈寬的情況。這表明RSD內部還是發生了載流子耗盡，觸發不夠充分。

圖8 250 ns觸發脈寬下的峰值導通壓降隨觸發電荷量的變化曲線Fig.8 Curve of peak voltage vs trigger charge under trigger current pulse width of 250ns

250ns觸發脈寬下的實際觸發電荷量達到了270μC，比式（2）估算所需臨界觸發電荷量的具體數值高出許多，但仍無法生成足夠的載流子濃度保證RSD均勻導通。從理論上分析，可能是由于觸發電流密度過高導致中間pn結注入系數降低造成的[10]。當觸發電流增大到一定程度，特別是在電流密度高于200A/cm2時，p基區內俄歇復合成為主要的復合方式，復合速度加快。此時需要更多的電子注入p基區來完成復合，那么就會有一部分電子電流直接注入p基區，導致了中間pn結處空穴電流占觸發電流比例的降低，也稱為空穴電流注入系數的降低；這意味著只有部分觸發電流參與生成載流子。因此RSD未能生成足夠的載流子濃度。

4.3 不同觸發脈寬下的臨界觸發電荷量計算公式

表2 不同觸發脈寬下的比例系數ATab.2 Proportion factor A of different trigger current pulse widths

對于不同的觸發脈寬，比例系數A不是一個常量，而是隨觸發脈寬的增加而增大。俄羅斯學者給出的比例系數A為常數[8]，僅與半導體的固有物理參數有關，這是因為在理論推導過程中忽略了觸發過程中的復合作用。而實際上觸發過程中載流子在累積生成的同時也在復合減少。由于載流子壽命和觸發脈寬都在微秒量級，因此不能忽略復合對載流子生成情況的影響。觸發脈寬越長，載流子復合減少的數量越多；要保證生成RSD均勻導通所需的載流子濃度，所需注入的臨界觸發電荷量也越大。因此比例系數A不是常數，而是隨著觸發脈寬的增加而增大。在500ns的觸發脈寬下，載流子復合減少數量較少，因此它的A值與俄羅斯學者給出的A值基本一致。

5 結論

本文建立了RSD觸發導通特性測試平臺，對不同觸發條件下RSD觸發導通特性進行了研究，得到了四種觸發脈寬下RSD觸發導通特性的變化規律和RSD均勻導通所需的臨界觸發電荷量，在500ns～2μs的觸發脈寬上，RSD可以獲得充分觸發而均勻導通，250ns觸發脈寬下，RSD的觸發不充分，導通不均勻。實驗與分析表明：觸發電流密度過高會造成中間pn結的空穴電流注入系數降低，導致只有部分觸發電流參與生成載流子；受載流子復合的影響，臨界觸發電荷量計算公式的比例系數會隨著觸發脈沖寬度增加而增加。

[1] Balyaev S A,Bezeglov V G,Chibirkin V V,et al.New generation of high-power semiconductor closing switches for pulsed power applications[C].Proceedings of the IEEE 28th International Conference of Power Intergrated Grid,2007:1525-1528.

[2] Grekhov I V.New principles of high power switching with semiconductor devices[J].Solid-State Electronics,1989,32(11) : 923-930.

[3] Savage M E.Final Results from the high-current,high-action closing switch test program at Sandia national laboratories[J].IEEE Transactions on Plasma Science,2000,28(5): 1451-1455.

[4] Grekhov I V,Kozlov A K,Korotkov S V.High power RSD generator for pumping excimer lasers[J].Instruments and Experimental Techniques,1996,39(3): 423-426.

[5] Wang Haiyang,He Xiaoping,Chen Weiqing,et al.A high current high di/dtpulse generator based on reverse switching dynistor[J].IEEE Transactions on Plasma Science 2009,37(2): 356-358.

[6] 何小平,王海洋,周競之,等.12kV高壓反向觸發雙極晶閘管開關組件[J].強激光與粒子束,2010,22(4): 803-806.He Xiaoping,Wang Haiyang,Zhou Jingzhi,et al.12kV high voltage reversly switched dynistor assembly[J].High Power and Particle Beams,2010,22(4): 803-806.

[7] Grekhov I V,Kozlov A K,Korotkov S V.Submicrosecond RSD generator pumping pulsed lasers[J].Instruments and Experimental Techniques,1996,39(3): 419-422.

[8] Gorbatyuk A V,Grekhov I V,Nalivkin A V,et al.Theory of qusi-diode operation of reversly switched dinistors[J].Solid-State Electronics,1988,31(10):1483-1491.

[9] 杜如峰,余岳輝,胡乾,等.預充電荷對RSD開通特性的影響[J].電力電子技術,2003,37(5): 84-86.Du Rufeng,Yu Yuehui,Hu Qian,et al.Influence of pre-charge upon RSD turn on character[J].Power Electronics,2003,37(5): 84-86.

[10] Korotkov S V.Switching possibilities of reversly switched-on dynistors and principles of RSD circuitry[J].Instruments and Experimental Techniques,2002,45(4): 437-470.