基于脉冲变压器RSD直接式预充的设计与研究

尚 超 余岳辉 吴拥军 冯仁伟 李伟邦

（1.华中科技大学电子科学与技术系 武汉 430074 2.湖北台基半导体有限公司 襄樊 441021）

1 引言

脉冲功率技术产生于20世纪30年代，60年代之后得到快速发展。其最初来自军事方面的应用，如电磁炮、飞机弹射、核聚变激发等；冷战后，研究人员将其应用到工业上，如大功率能量发生器、微波、生物医疗及环保等领域[1-6]。随着脉冲功率技术的广泛应用，对其核心元件之一的开关提出了越来越高的要求。半导体器件能克服传统气体开关寿命短、不稳定等缺陷，故目前脉冲功率开关有半导体化的趋势[7]。开关元件的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，理想的脉冲功率开关要求同时兼备高电压、大电流、低损耗、长寿命等特点。

大功率超高速半导体开关RSD是20世纪80年代末，由俄罗斯科学院阿·法约物理技术研究所的I.V.Grekhov等人基于可控等离子层换流原理提出的一种新型脉冲功率开关[8-9]。基于特殊的结构和工作原理，RSD能实现在芯片全面积均匀同步开通，残余电压在前沿只有很小的陡升，准稳态出现在几个微秒内（对普通晶闸管这一过程约为上百微秒）。

高压RSD的应用在很大程度上依赖于其触发开关的设计。传统的触发开关是半导体开关堆体，其串联技术及触发系统异常复杂。本文提出一种利用脉冲变压器隔离高压的RSD直接式触发。该方案的触发开关可以是单只功率半导体开关，从而降低了系统对触发开关的要求，理论分析和实验结果表明该方案是可行的。

2 RSD的结构及工作原理

2.1 RSD器件结构

图1为RSD基本结构及工作原理示意图。它是一种包含数万相间排列的晶闸管和晶体管单元的二端器件图。所有单元的集电极共有，它阻断着图示的外加正向电压，此外共有的还有阴极侧的n＋p发射极。当施一脉宽约2μs、一定幅值的反向电流后，RSD可以微秒甚至纳秒级的速度开通数十至数百千安的大电流，磁开关隔离主回路和预充回路。

图1 RSD基本结构及工作原理示意图Fig.1 Basic structure and schematic circuit of RSD

用预充电荷描述的RSD正常开通的条件为

式中，Qcr为器件开通所需的预充电荷量；dJ/dt为主电流密度上升率。

2.2 RSD开通机理

图1中的开关S闭合，预充电压φ2反向施加到RSD上，此时的主电压被未饱和的磁开关隔离，晶体管的n+p低压结被击穿，在器件n基区内形成一等离子层。磁开关饱和后，主电压φ1加在RSD上，器件体内的等离子层发生再分布，进行电导调节，在n基区内J2结附近形成一个可源源不断提供等离子体的等离子库，RSD实现全面积均匀导通。RSD的直接式触发，电路简单，所需器件少，且触发效果好。但从图1的工作原理图来看，触发开关S闭合前承载着主电压和预充电压之和，工作环境非常恶劣。故RSD的推广应用对触发开关提出了较高的要求。本文就是基于此，研究利用脉冲变压器隔离高压的RSD直接式触发。

3 实验原理

3.1 测试平台原理

图2为基于脉冲变压器的RSD直接式触发原理图。Tr为可饱和的脉冲变压器，L0为磁开关，C1为主放电电容，C2为隔离电容，C0为预充电容，RSD为主放电开关，Z为阻性负载。C1－L0―RSD－Z构成主放电回路；Tr二次侧－RSD－C2构成RSD的预充回路；C0－Tr一次侧－V构成低压触发回路。该电路要求磁开关饱和前，触发回路通过变压器给RSD提供足够的预充电荷，以保证其正常开通。工作原理：工作前Tr一次侧复位，C1、C2及C0充电至一定电压。触发晶闸管V导通，变压器磁心饱和前，C0通过Tr一次侧放电，同时在Tr二次侧感应一电压ΔU，此值高于C2充电电压，此电压差产生C2的充电电流，该电流反向流过RSD，对RSD进行预充。经过Δt1的时间延迟，预充结束，磁开关L0饱和，主电容C1通过RSD对负载放电，形成电流脉冲；再经过Δt2的时间延迟，Tr磁心饱和，电容C2通过C2－RSD－Tr二次侧回路放电，以泄放其上的电荷。

图2 基于脉冲变压器的RSD直接式预充电路原理图Fig.2 Direct precharge structure of RSD based on pulse transformer

3.2 脉冲变压器的设计

该方案中脉冲变压器的作用有三个：一是隔离主回路的高压，降低触发开关上的初始电压；二是给RSD提供足够的预充电荷，保证其正常开通；三是经过一定的时间延迟后饱和，为电容C2提供放电回路。

利用脉冲变压器等效电路，图2电路可简化如图3所示。图3中，R1、L1分别为变压器二次绕组的等效电阻、漏感；R2、L2分别为变压器一次绕组的等效电阻、漏感；Lt为磁心耦合磁化电感，理想情况下为无穷大；Rr为等效磁心损耗电阻。

图3 利用变压器等效电路简化后的电路原理图Fig.3 Simplified circuit used equivalent circuit of transformer

对脉冲变压器的精确计算是比较困难的。通常的做法是利用图3的等效电路，先设定一些待求参数，利用相关软件对这些参数进行仿真，对其中较满意的参数辅以实验验证，同时通过实验结果对电路参数进行修正，直到得到满意的电路参数。经多次仿真、实验，并结合实验室条件，确定电路参数为：变压器电压比为3∶21，磁心材料为铁基纳米晶；C1＝10μF；C2＝0.2μF；C0＝0.5μF；R1=0.5Ω；L1＝3μH；R2＝0.4Ω；L2＝8μH；Z＝0.24Ω。

变压器磁心经一定的时间延迟后必须饱和，为电容C2上的电荷提供泄放回路。利用仿真软件Saber对其饱和特性进行仿真，仿真结果示于图4。电流曲线显示，变压器一次电流I先有较小幅度的上升，随后出现一个较大的上升电流脉冲；同时一次电压U出现较大的下降坡度，这些现象说明变压器在此时饱和。在放电电压为350V下对其进行了实验验证，波形示于图5。U1对应变压器一次电压，I1对应一次电流。电流波形显示，在350V电压下，得到峰值为305A的电流。但此电流并不是立刻产生，而是经过约10μs的时间延迟后产生，这是因为变压器在10μs内未饱和，保持高感抗，只流过很小的漏电流；10μs后变压器饱和，流过大电流。说明变压器饱和特性良好，电压波形上有同样的反映。实验结果与仿真能够吻合。

图4 变压器一次电流和电压仿真波形Fig.4 Simulation waveforms of current and voltage on primary side of pulse transformer

图5 变压器一次电流和电压波形Fig.5 Waveforms of current and voltage of RSD

4 实验结果及分析

利用上面的电路参数，对方案进行试验验证。初始条件：UC1＝10kV，UC2＝10kV，UC0＝4kV。RSD直径为24mm，单片耐压2.2kV，5片串组成堆体；触发开关为两只晶闸管串，单只耐压为2.2kV（或一只耐压为5kV的高压晶闸管）；电流测量采用比例为620A/V的管式分流器，示波器为泰克公司生产，型号为TDS2012，带宽100MHz。

图6和图7为实验波形。图6为RSD预充电流波形，图7为主回路电流波形。图6的波形显示，预充电流幅值为80A，脉宽为2.4μs；图7的波形显示，主电流峰值为12kA，脉宽为15μs，di/dt为2kA/μs。两波形平滑、均匀。

由此，根据式（1）计算触发该RSD所需的临界预充电荷量Qcr＝18μC/cm2，而由触发回路经变压器实际提供给RSD的预充电荷量Q=72.2μC/cm2，可见该方案能够满足RSD的触发要求。

图6 RSD预充电流波形Fig.6 Waveforms Precharge current of RSD

图7 主回路电流波形Fig.7 Waveforms Current of main circuit

图6 预充电流波形的毛刺是触发引起的干扰所致。图7所示电流波形中的预充部分不是很清楚，是为测量主电流，示波器量程打得较大，故相对较小的预充电流不是很明显。主电流波形出现振荡，是因为主电路设计为欠阻尼状态。试验结束后，经测量电容C2上仅有很小的残余电压，相对10kV的初始电压，可以认为C2上的电荷已通过饱和的变压器泄放完毕。

5 结论

针对RSD应用中的触发问题，本文通过仿真和试验研究了利用脉冲变压器隔离高压的RSD直接式触发。理论分析和实验结果都表明：利用脉冲变压器隔离高压的方法降低了RSD触发开关上的初始电压，从而降低了对触发开关的要求，该方案较容易实现高压RSD的触发；提供充足的预充电荷是RSD正常开通的外部条件，该方案能为器件提供充足的预充电荷，从而保证了其正常开通。变压器是该触发方案的关键，一方面提升一次电压，实现对RSD的预充；另一方面在饱和后给电容C2上的电荷提供泄放回路，仿真及试验结果说明所设计变压器具有很好的饱和特性。利用本文的电路拓扑及相应的实验参数，在10kV主开通电压下，得到了幅值为12kA、底宽为15μs、di/dt为2kA/μs的主电流。试验完毕，经测试堆体中各管芯特性基本无退化，证明了本方案的可行性。同时本研究也为更高电压等级RSD的触发提供了思路。

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