RSD關斷時間檢測方法的改進研究

汪 愷，梁 琳，余岳輝

（華中科技大學光學與電子信息學院，湖北 武漢430074）

0 引 言

作為半導體脈沖功率開關器件，RSD不僅同時兼顧了幾十kV高電壓、幾百kA大電流、幾十至上百kA／μs的電流上升率，還保證了μs甚至ns級的開通時間，這使得它在脈沖功率領域得到了廣泛的應用［1］。RSD由數萬個晶閘管單元和晶體管單元交替構成，其開通基于可控等離子層換流原理，可實現芯片全面積均勻同步導通［2］。而在脈沖功率的重頻應用中，開關的關斷特性是至關重要的，其關斷時間直接決定了可以獲得的最高重復頻率［3］。本文在對RSD關斷時間檢測電路原理研究的基礎上，通過仿真和實驗，旨在研究RSD的關斷特性，分析影響其關斷時間的因素，并搭建和改進RSD關斷時間檢測平臺。

1 RSD關斷時間檢測電路的原理與改進設計

1．1 RSD關斷時間檢測原理

RSD的開通基于可控等離子層換流原理，可分為預充階段和導通階段［4，5］。定義從流過RSD上電流下降到峰值電流的1%開始到RSD重新恢復正向阻斷能力這段時間為RSD的關斷時間，因此測量關斷時間的關鍵是檢測RSD是否恢復正向阻斷能力并找到其臨界點。

RSD關斷檢測實驗平臺由充電電路、諧振預充回路、主放電回路、單片機延時控制電路和關斷檢測電路構成，其中充電電路負責給各回路電容充電，單片機延時控制電路提供預充回路和檢測回路的開關信號，諧振預充回路對RSD進行反向預充，主回路提供主放電電壓，關斷檢測電路提供檢測信號［6］。檢測原理為：通過對RSD重加電壓來判斷其是否恢復正向阻斷能力，根據兩次放電的間隔時間可調找到其臨界點。

以往的檢測電路均采用晶閘管作為諧振預充回路的開關，但是由于晶閘管的關斷時間較長，使得在檢測回路開通的時候預充回路仍處于導通狀態，這樣得到的電流波形沒有明顯的特征用來判斷RSD是否關斷，并且諧振回路會分流部分檢測電流，導致檢測結果有較大誤差。另一方面，主電壓放電過程中預充回路的振蕩電流會影響主回路，減緩等離子體的復合，導致測得的關斷時間偏大。因此，在改進電路中，選擇開關速度更快的IGBT取代晶閘管作為諧振預充回路的開關，希望在檢測回路開通之前實現預充回路充分關斷，并且減小以上反向電流引入的誤差。

1．2 RSD關斷時間檢測平臺

RSD關斷時間檢測實驗平臺如圖1所示，電源AC、電阻R0、二極管D0和開關S組成充電回路；電阻R1、電容C0、二極管D1、磁開關 MS0和IGBT組成諧振預充回路；電阻R2、電容C1、磁開關 MS1和RSD組成放電主回路；電阻R3、電容C2、磁開關 MS2和晶閘管Thyristor組成關斷檢測電路。實驗中所用電源AC經過R0限流D0整流后輸出正弦半波電壓信號，三個電容C0、C1和C2共用一套充電裝置，電路中的電感均用磁開關代替，起隔離和延時的作用［8］，充電電流可以對MS0和MS1消磁。與此同時，在磁開關的隔離作用下，Thyristor或IGBT在通過電流之前能夠充分的開通，對器件具有保護作用。

圖1 RSD關斷時間檢測電路原理圖

2 仿真結果分析

根據RSD的開通機理，針對器件少子壽命、主電流下降率dI／dt（以下簡稱dI／dt）和工作電壓，用軟件對其關斷過程進行仿真，仿真原理和實驗檢測關斷時間一致，且均隔離了預充回路。圖2（a）、（b）分別為設定測試電壓1200 V，不改變器件少子壽命和dI／dt，tm（tm為測試電壓延遲時間）為41μs和42μs時RSD的電壓、電流波形。從圖中可以看出，延遲41μs加測試電壓，RSD上仍有電流流過，說明RSD沒有關斷；延遲42μs加測試電壓，RSD上沒有電流流過，說明RSD已經關斷。關斷時間toff（以下均用toff表示）往大者取值計算，為22μs（起始時刻近似20μs）。

圖3為設定測試電壓1200 V，增大器件少子壽命，保持dI／dt不變，tm為42μs時RSD的電壓、電流波形。比較圖3和圖2（b）可以看出，增大器件少子壽命后，在同樣的延遲時間下加測試電壓，RSD從之前的關斷變成了導通狀態，說明關斷時間隨著器件少子壽命的增大而增大。通過摻Au等途徑減小器件少子壽命能有效減小關斷時間，但是同時增大了RSD的導通壓降，也影響了其阻斷特性，需要折衷考慮。

圖2 測試電壓1200 V，不改變器件少子壽命和dI／dt時電壓、電流波形

圖3 tm＝42．0μs，測試電壓1200 V，增大器件少子壽命時電壓、電流波形

保持器件少子壽命不變，改變電路參數，增大dI／dt后得到圖4所示電壓、電流波形，其中tm為42μs，對應toff為22μs（起始時刻近似20μs）。比較圖4和圖2（b）同樣可以看出，在相同的延時下RSD從圖2（b）中的關斷變為圖4中的導通狀態，說明關斷時間隨著dI／dt的增大而增大。

圖4 tm＝42．0μs，測試電壓1200 V，增大dI／dt時電壓、電流波形

圖5為不改變器件載流子壽命和dI／dt，測試電壓從1200 V減小到600 V時RSD的電壓、電流波形。比較圖5和圖2（a）可以看出，在同樣的延遲時間下，減小測試電壓幅值后，RSD從導通狀態變成關斷狀態，說明RSD的關斷時間隨著器件工作電壓的減小而減小。

圖6為不改變器件少子壽命和dI／dt，不同測試電壓下RSD內部載流子分布。圖6（a）為tm＝41μs，測試電壓1200 V（600 V）時，加測試電壓瞬間RSD內部載流子濃度分布，（b）、（c）為tm＝41μs，測試電壓分別為1200 V和600 V時，加測試電壓1μs后RSD內部載流子分布。比較圖6（a）、（b）、（c）可以看出，在較高的工作電壓下，即使RSD內部載流子已經如圖6（a）中所示復合了大部分，由陽極注入的等離子體仍能補充等離子體的不足，使RSD快速導通；相反，在同樣的剩余載流子濃度水平下，較低的放電電壓不足以使RSD導通。如果定義載流子濃度下降到測試電壓不足以使其恢復到導通水平時RSD的狀態為準關斷，所測得的關斷時間為相對關斷時間，那么RSD的工作電壓越高，其相對關斷時間就越大。

3 實驗結果分析

實驗中主放電電壓1200 V，電流波形的取樣采用609 V：1 A的同軸分流器，陽極電壓波形的取樣采用1000：1的高壓探頭。

圖7是預充開關為Thyristor，關斷檢測回路開通時流過Thyristor的電流波形，其中圖7（a）是RSD未關斷的情況（從Thyristor的分流量比較小可以看出），圖7（b）是RSD已關斷的情況，t為給單片機設定的延時時間（以下均是），測得關斷時間toff為45μs。比較未關斷和關斷的情況可以看出，不管RSD是否關斷，當電容C0開始放電時，Thyristor上都有電流流過，因此可以推斷諧振預充回路一直處于導通狀態。這樣一來，通過檢測RSD上電流是否為零來判斷其是否關斷有一定誤差，并且預充回路一直開通對檢測電流有一定的分流作用，會導致關斷時間的檢測不準確。因此改用開關速度更快的IGBT作為諧振預充回路的開關，減小預充回路分流以及振蕩電流引起的誤差。

圖8 T＝20μs時關斷檢測波形（預充開關為IGBT）

用IGBT代替Thyristor后測得的RSD臨界關斷時的電流電壓波形如圖8所示，其中圖8（a）、（b）分別代表t為63．2μs和64．4μs的情況，T為單片機脈寬（以下均是）。比較兩組波形，延時63．2μs開通檢測回路時，檢測電壓加在RSD上仍有電流流過RSD；延時64．4μs開通檢測回路時，檢測電壓加在RSD上無電流流過RSD，說明RSD已關斷，測得toff為33μs。另外，對比圖7和8中臨界關斷情況下RSD兩端的電壓波形可以發現，在使用改進電路后測得的電壓波形中，檢測電壓過后仍保留100 V左右的殘壓，這說明此時IGBT已經關斷。并且采用觀察RSD兩端電壓波形是否出現殘壓來判斷RSD是否關斷較以往通過觀察RSD電流波形是否有電流能更準確找出RSD的臨界關斷點。

圖10 T＝50μs時關斷檢測波形（預充開關為IGBT）

圖9、圖10分別為改進電路中T改為40μs和50 μs時測得的RSD臨界關斷電流電壓波形，其toff均為39μs。和圖8中T＝20μs時相比，40μs和50μs雖然同樣能保證在檢測回路開通前預充回路已充分關斷，但是不能避免主電壓放電過程中預充回路振蕩電流對RSD產生的影響。RSD的關斷過程，即RSD體內非平衡少子復合，使之重新恢復正向阻斷能力的過程，所以在主電壓放電過程中，受預充回路振蕩影響，反向電流流過RSD，減緩了等離子體的復合，導致測得的RSD關斷時間偏大。

表1為采用IGBT作為諧振預充回路開關與改進前的實驗結果對比。由表1可知，采用IGBT改進方案測得的關斷時間比采用晶閘管方案測得的關斷時間要短，這是排除了預充回路對檢測產生干擾后測得的結果，更加準確。同時，采用IGBT改進方案在不同單片機信號脈寬下測得的RSD關斷時間也不同，在脈寬40μs和50μs時的關斷時間大致一樣，均為39μs，但是都大于脈寬20μs時測得的關斷時間，這也進一步驗證了之前的分析。

表1 IGBT和Thy實驗結果的比較

4 結 論

在重復頻率脈沖功率領域中，準確測量關斷時間對于RSD的應用具有重要意義。本文在討論了以往檢測RSD關斷時間方法的基礎上，通過軟件仿真分析了影響RSD關斷時間的因素，并針對其測量誤差大的缺陷提出了采用IGBT取代Thyristor作為諧振預充回路開關的改進方案，主要結論如下：

（1）通過觀察檢測電壓波形是否有殘壓判斷RSD是否關斷，避免判斷RSD上是否有電流帶來的誤差（電流很小時很難判斷是否為零）；

（2）主電壓放電過程中諧振預充回路的反向振蕩電流流過RSD，減緩了等離子體的復合，導致測得的RSD關斷時間偏大，采用IGBT作為諧振預充回路開關使諧振預充回路快速關斷能避免這種不利振蕩引起的誤差；

（3）RSD關斷時間隨著器件少子壽命和主電流下降率dI／dt的增大而增大。定義載流子濃度下降到測試電壓不足以使其恢復到導通水平時RSD的狀態為準關斷，所測得的關斷時間為相對關斷時間，則RSD工作在越高的電壓下，其相對關斷時間就越大。測量不同工作環境下的相對關斷時間是以后研究的重點。

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