高压RSD开关谐振触发_电工文摘

高压RSD开关谐振触发

点击数：7521 次录入时间：03-04 11:50:53 整理：http://www.55dianzi.com 电工文摘

摘要：针对20kV高压RSD(Reverse Switching Dynistor)开关的触发问题，提出了一种谐振触发方式。利用电路仿真软件PSpice研究了谐振触发回路参数电容、电感、电阻对RSD预充电荷量的影响，并计算出相应条件下所使用磁开关的磁芯截面积，最后给出了4kV谐振触发的实验结果。关键词：RSD，谐振触发，预充电荷，磁开关，PSpice 中图分类号: 文献标识码: 文章编号：
1．引言现代脉冲功率及其应用技术（例如大功率脉冲激光器、材料制备、污染控制等）需要快速上升、幅值达数十至数百千安培的大电流脉冲。传统的气体开关由于导通时间短、通流能力强、耐压高等优点一直得到广泛的应用，但是这类开关存在电极烧蚀的缺点，导致寿命降低、工作性能不稳定。半导体开关由于在传递效率、稳定性、寿命等方面有着突出的优点，逐渐得到应用。传统的半导体功率器件中，晶闸管具有有效通流面积大、易于制造的优点，能满足高压、大电流脉冲功率装置的要求。众所周知，晶闸管的导通是靠门极信号的触发来实现的，其导通最初是从门极附近开始，然后向周围扩展，整个器件完全导通的时间往往需要几微秒，对于上升速率非常高的大电流脉冲，由于载流子的扩展速度跟不上电流上升的要求，电流集中的狭窄区域因温度急剧升高而容易导致晶闸管失效。改进的门极结构，例如渐近线、雪花等形式，虽然能改善这种现象，但是带来了硅片有效通流面积减小、制造成本增加等不利因素[1,2]。上世纪八十年代，前苏联I V Grehkov等人研制成功的半导体器件RSD(Reverse Switching Dynistor)，是依靠器件内部事先已经建立的等离子体层来实现导通的。相对于传统的依靠载流子注入来实现导通的器件，RSD是全面积的快速同步开通，并且由于RSD是两端_____________________基金项目：国家自然科学基金资助课题(50277016，50577028)；高等学校博士点基金资助课题(20050487044)器件，没有损失通流面积，而且很容易制造大面积的器件，更为重要的是，这种等离子体导通的器件，在串接成堆体的时候，导通时外电压的加入不会因器件特性的差异而发生损坏的现象[3,4]。本文提出一种高压RSD的谐振触发，运用电路仿真软件PSpice研究了谐振触发回路参数对RSD 预充电荷量的影响，并计算出磁芯截面积，为设计不同电路参数条件下的磁开关提供依据。 2．RSD的结构及谐振触发2.1 RSD的结构RSD的结构和工作电路如图1所示。结构上，RSD是一种非对称的晶闸管与晶体管相间排列的多元胞结构半导体器件，与传统的晶闸管结构相似，但是没有门极。工作过程可描述为：将触发开关S闭合，触发电路电容C2电压加在RSD上，此时磁开关MS未饱和，晶体管的n＋p低压结被击穿，经过正偏pn集电结J2，空穴注入到n区，对应地，电子由n＋区流入n区。结果，在n区中，靠近J2结处形成第一个浓度梯度很高的薄等离子体层，该等离子体层中的空穴向n＋区方向漂移，经过数十纳秒，反向等离子体波到达n＋区附近，并形成第二个等离子体层。磁开关饱和后，主电路电容C1电压加在RSD上，晶闸管层开始其导通过程，空穴从第一个等离子体层注入p基区，电子从n＋p结注入p基区，同时反向波开始返回，空穴从p＋n结注入到第二个等离子体层，形成正

图1 RSD结构及工作电路向双极等离子体波并向J2方向运动，到达J2时，器件实现导通。 2.2 RSD的谐振触发RSD应用的关键是设计可靠、能提供足够预充电荷量的触发电路，以及饱和时间和RSD预充时间相匹配的磁开关。谐振触发是一种可靠、较为容易实现的触发方式，其电路结构如图2所示，C1、R1分别为主回路电容和负载，触发开关S可以是面积不大的晶闸管或者其它类型的开关，C2是谐振回路电容，L2是谐振电感，R2为谐振回路电阻。S导通后，由C2、L2和R2组成的振荡回路产生的电流I2一部分分流给RSD堆体预充，合理设计谐振回路以及磁开关参数，在磁开关饱和时给RSD提供足够的预充电荷。