大功率半导体开关RSD触发导通特性的实验研究

周竞之 王海洋 何小平 陈维青 郭 帆 邱爱慈

（西北核技术研究所 西安 710024）

1 引言

大功率半导体开关中，反向触发导通双极晶闸管（Reversly Switched-on Dynistor,RSD）是目前通流能力最强的半导体器件之一[1]。它的导通速度快，电流上升速率最高可达70kA/μs[2]。相比其他大电流开关，RSD还具有长寿命、可靠性高、无污染等优点。在高压大功率电源中[3-7]有广泛的应用前景。

RSD应用技术的关键在于触发技术，俄罗斯Ioffe物理研究所对RSD触发导通的物理过程进行了理论分析[2]，提出以临界触发电荷量作为RSD触发充分与否的判据，并给出了计算公式，由于理论分析中的条件简化，公式的计算结果不能完全适用于不同脉宽触发的情况。虽然国内外对RSD的触发特性进行过实验研究[8,9]，证实了触发电荷量是影响RSD导通状况的决定因素。但相关实验多局限于单个触发脉冲宽度，对触发脉宽0.5～2μs，特别是0.5μs以下的触发导通性能的实验结果未见报道。

本文对四种触发脉宽2μs、1μs、500ns和250ns下RSD的触发导通状况进行了对比实验，不同脉宽下实验获得的临界触发电荷量可为计算公式的修正提供参考数据；也为设计RSD短脉冲触发电路提供参考，在工程实践中，缩短RSD的触发电流脉宽有助于实现RSD开关组件的小型化。因此本文主要研究不同触发脉冲宽度下的RSD触发导通特性规律，着重研究短脉冲触发作用下的导通状况，具有理论和工程意义。

2 RSD的结构和触发条件

RSD是一种类晶闸管器件，不同的是RSD不含门极，属于两端器件。它的半导体结构如图1所示。

图1 RSD的半导体结构图Fig.1 Schematic of semiconductor structure of RSD

RSD的阳极均匀分布着上万个高掺杂浓度的p+和n+单元。从纵向来看，RSD相当于大量pnpn晶闸管单元与npnn+晶体管单元的并联。由于阴极发射结n+p的反向击穿电压低，在反向电压下会发生击穿；此时npnn+晶体管变成pnn+二极管，可以看出RSD反向等效于二极管。

RSD依靠反向电流进行触发。触发电流反向流过RSD时，会在n基区内累积生成大量的非平衡载流子，使得原来保持高阻状态的n基区电导率升高，从而达到导通的条件。n基区内非平衡载流子的浓度越高，RSD的触发越充分。触发过程中n基区内生成非平衡载流子浓度的高低与触发电流注入RSD的触发电荷量QR有关。

要保证RSD获得充分触发而均匀导通，它的触发电流脉冲必须满足一定的条件。俄罗斯学者通过理论分析，给出了保证RSD均匀导通的触发条件[8]。

式中jR——触发电流面密度（A/cm2）；

S——RSD的管芯面积（cm2）；

tR——触发电流脉冲宽度（μs）；

djF/dt——导通后正向电流密度上升速率，kA/(μs·cm2)；

A——比例系数，与半导体参数有关[(2.6～3.4)×10-14s2]；

对式（1）两边同时在RSD的芯片面积上进行面积分，式（1）变成

3 RSD触发导通特性测试平台设计

3.1 实验电路方案

实验电路原理图如图2所示，图中包括主回路和触发回路两部分。

图2 实验电路原理图Fig.2 Schematic of experimental circuit

触发回路采用直接放电的方式对RSD进行触发。整个实验电路的工作过程如下：初始条件下主电容C充正电2kV，触发电容C1充负高压，幅值可调；此时RSD承受正向2kV的电压。当控制开关受控导通后，触发回路开始振荡放电，由于RSD反向等效于二极管，因此触发回路的振荡电流几乎全部反向流过RSD，成为RSD的触发电流。触发过程中原来加在RSD两端的正向电压由磁开关承受，磁开关处于阻抗很高的非饱和状态，阻止了主回路的放电。触发电流脉冲结束时，磁开关也恰好饱和导通；主电容通过RSD对负载放电。

通过改变触发回路中的C1、L1和R1可以调节触发脉冲的宽度；在回路参数不变的情况下，通过改变电容C1的充电电压U1可以调节触发脉冲的幅值。本文实验了四种不同触发脉宽，分别为2μs、1μs、500ns和250ns。

如果RSD触发充分导通均匀，那么RSD导通过程中的压降相对较低，表明RSD导通过程中损耗较小；反之如果触发不充分，RSD内部会发生局部导通，导通压降升高，损耗增大。因此通过测量RSD两端的导通压降来反映RSD的导通状况。RSD触发水平的高低由触发电流脉冲决定，选用电流线圈对触发电流进行测量。图2中标出了电压探头和电流线圈的位置。

3.2 磁开关设计

磁开关是带有磁心的电感，其电感LMS为

式中N——磁开关匝数；

Sm——横截面积；

lm——平均磁路长度。

磁开关的电感与磁心的脉冲相对磁导率μp成正比。磁开关保持关断状态的时间称为隔离时间。隔离时间td由式（4）确定。

式中uMS——磁开关两端的电压；

ΔB——磁心从非饱和状态到饱和状态的磁

感应强度变化量。

实验选用具有高饱和磁感应强度、高矩形比的铁基非晶材料2605SA1制作磁心。图3是实测的非晶材料2605SA1的单边磁滞回线。

图3 非晶材料2605SA1的单边磁滞回线Fig.3 Half hysteresis loop of amorphous 2605SA1

根据实测的磁心材料参数，设计出如表1所示的磁开关结构参数，磁开关采用多片环形磁心叠加的方式组成。

表1 不同隔离时间的磁开关结构参数Tab.1 Parameters of magnetic switch structure withdifferent delay times

表1中的6只磁开关分别对应四种不同的隔离时间，这6只磁开关从左到右、从上到下依次编号为1#到6#。其中同一横排的1#、2#和3#磁开关饱和电感相等，4#、5#和6#磁开关饱和电感相等。这样可以保证主回路放电的一致性。

4 触发导通特性的实验

4.1 不同触发脉宽下的触发电流

图4给出了1μs和250ns两种触发脉宽下的触发电流波形。要保证足够的触发电荷量，触发脉宽越短的触发电流幅值越高。因此实验中电容C1的充电电压在不同脉宽下需做较大范围的调节，调节范围从0.6～11kV。

图4 两种触发脉宽下的触发电流脉冲波形Fig.4 Waveforms of trigger current with two pulse widths

4.2 不同触发脉宽下的RSD触发导通特性

图5 是测得的2μs触发脉宽下RSD的导通压降和回路电流波形。可以看出图5a中的触发电流较高，图5b中的触发电流较低，造成的结果是图5b中的导通压降出现了明显的尖峰，这是由于触发不充分导致RSD内部发生载流子耗尽造成的。虽然图5a和图5b的主电流波形没有明显的差别，但是如果RSD长期工作在触发不充分的状态，很容易导致器件损坏。

图5 2μs触发脉宽下的导通压降和电流波形Fig.5 Waveforms of switching voltage and current under trigger current pulse width of 2μs

为了找到RSD导通状况的变化规律，实验了多种不同触发电流幅值下的情况。通过对触发电流积分得到触发电荷量QR和测量RSD的峰值导通压降UTmax，得到如图6所示的变化曲线。

图6 2μs触发脉宽下的峰值导通压降随触发电荷量的变化曲线Fig.6 Curve of peak voltage vs.trigger charge under trigger current pulse width of 2μs

图7 两种触发脉宽下的峰值导通压降随触发电荷量的变化曲线Fig.7 Curves of peak voltage vs.trigger charge under two different trigger current pulse widths

图8 是触发脉宽250ns下峰值导通压降随触发电荷量的变化曲线。从曲线的形状来看，250ns触发脉宽与其他三种触发脉宽基本一致。不同的是，250ns触发脉宽下峰值导通压降约为220V，远高于其他触发脉宽的情况。这表明RSD内部还是发生了载流子耗尽，触发不够充分。

图8 250 ns触发脉宽下的峰值导通压降随触发电荷量的变化曲线Fig.8 Curve of peak voltage vs trigger charge under trigger current pulse width of 250ns

250ns触发脉宽下的实际触发电荷量达到了270μC，比式（2）估算所需临界触发电荷量的具体数值高出许多，但仍无法生成足够的载流子浓度保证RSD均匀导通。从理论上分析，可能是由于触发电流密度过高导致中间pn结注入系数降低造成的[10]。当触发电流增大到一定程度，特别是在电流密度高于200A/cm2时，p基区内俄歇复合成为主要的复合方式，复合速度加快。此时需要更多的电子注入p基区来完成复合，那么就会有一部分电子电流直接注入p基区，导致了中间pn结处空穴电流占触发电流比例的降低，也称为空穴电流注入系数的降低；这意味着只有部分触发电流参与生成载流子。因此RSD未能生成足够的载流子浓度。

4.3 不同触发脉宽下的临界触发电荷量计算公式

表2 不同触发脉宽下的比例系数ATab.2 Proportion factor A of different trigger current pulse widths

对于不同的触发脉宽，比例系数A不是一个常量，而是随触发脉宽的增加而增大。俄罗斯学者给出的比例系数A为常数[8]，仅与半导体的固有物理参数有关，这是因为在理论推导过程中忽略了触发过程中的复合作用。而实际上触发过程中载流子在累积生成的同时也在复合减少。由于载流子寿命和触发脉宽都在微秒量级，因此不能忽略复合对载流子生成情况的影响。触发脉宽越长，载流子复合减少的数量越多；要保证生成RSD均匀导通所需的载流子浓度，所需注入的临界触发电荷量也越大。因此比例系数A不是常数，而是随着触发脉宽的增加而增大。在500ns的触发脉宽下，载流子复合减少数量较少，因此它的A值与俄罗斯学者给出的A值基本一致。

5 结论

本文建立了RSD触发导通特性测试平台，对不同触发条件下RSD触发导通特性进行了研究，得到了四种触发脉宽下RSD触发导通特性的变化规律和RSD均匀导通所需的临界触发电荷量，在500ns～2μs的触发脉宽上，RSD可以获得充分触发而均匀导通，250ns触发脉宽下，RSD的触发不充分，导通不均匀。实验与分析表明：触发电流密度过高会造成中间pn结的空穴电流注入系数降低，导致只有部分触发电流参与生成载流子；受载流子复合的影响，临界触发电荷量计算公式的比例系数会随着触发脉冲宽度增加而增加。

[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,周竞之,等.12kV高压反向触发双极晶闸管开关组件[J].强激光与粒子束,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,余岳辉,胡乾,等.预充电荷对RSD开通特性的影响[J].电力电子技术,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.