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。
20。
7
◇2∞7Ch酞Soc.£薛Elec.E晖
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
C帅version
CharacteristicsResearch
On
PuIsedPower
S嫡纽h&VerselyS诫lckd
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(1.DeparnnentofElec仃0IlicScience蛐d1瓿hnology,HuazhongUniVerSity
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Science锄dTechnology,wuhall430074,
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Pr0Vi蝴,Chin8;2.凝ang胁偶C}l
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ll磷筘wef蝴i曛;feve粼移swi&铡
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
F弛2
sch哪a6c
circllit
diag舢of
RSD
tllm伽甑perim明tpIaHb哪
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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Fig.3
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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
拍eexperimental
waVeformofRSDpeal【弧蹦蝴t
5№,稀,肌
豳5
RSD预充不足时的典型开通特性
瓣g.5驽pl翰llll撙—a耩两鳓e耋e癜酗
of
i黼嘣cienl稍ggering
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。
5415×lO
20
201.54
50xlO-6
13388m
50)(1∥69
76
3635淑|矿
3糟
76
36.3
50('×10-6
146
嫉≥簖专字甓+矗棚_嘉圆
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
瓣≥“&目
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
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5№,格
(a)RSD3228-3、RsD3228_6串联
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挪埘恪们拓
(b)RSD5一l、RsD5-2串联
图6
RSD的准静态损耗
Fig.6
Q瑚函・sta啦mssipa6帆of
RSD
蜒≥.n苫
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U_|L.1lIl
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5№,格
(4)矾-3kV
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r
量JI
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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