RSD关断时间检测方法的改进研究

汪 恺，梁 琳，余岳辉

（华中科技大学光学与电子信息学院，湖北 武汉430074）

0 引 言

作为半导体脉冲功率开关器件，RSD不仅同时兼顾了几十kV高电压、几百kA大电流、几十至上百kA／μs的电流上升率，还保证了μs甚至ns级的开通时间，这使得它在脉冲功率领域得到了广泛的应用［1］。RSD由数万个晶闸管单元和晶体管单元交替构成，其开通基于可控等离子层换流原理，可实现芯片全面积均匀同步导通［2］。而在脉冲功率的重频应用中，开关的关断特性是至关重要的，其关断时间直接决定了可以获得的最高重复频率［3］。本文在对RSD关断时间检测电路原理研究的基础上，通过仿真和实验，旨在研究RSD的关断特性，分析影响其关断时间的因素，并搭建和改进RSD关断时间检测平台。

1 RSD关断时间检测电路的原理与改进设计

1．1 RSD关断时间检测原理

RSD的开通基于可控等离子层换流原理，可分为预充阶段和导通阶段［4，5］。定义从流过RSD上电流下降到峰值电流的1%开始到RSD重新恢复正向阻断能力这段时间为RSD的关断时间，因此测量关断时间的关键是检测RSD是否恢复正向阻断能力并找到其临界点。

RSD关断检测实验平台由充电电路、谐振预充回路、主放电回路、单片机延时控制电路和关断检测电路构成，其中充电电路负责给各回路电容充电，单片机延时控制电路提供预充回路和检测回路的开关信号，谐振预充回路对RSD进行反向预充，主回路提供主放电电压，关断检测电路提供检测信号［6］。检测原理为：通过对RSD重加电压来判断其是否恢复正向阻断能力，根据两次放电的间隔时间可调找到其临界点。

以往的检测电路均采用晶闸管作为谐振预充回路的开关，但是由于晶闸管的关断时间较长，使得在检测回路开通的时候预充回路仍处于导通状态，这样得到的电流波形没有明显的特征用来判断RSD是否关断，并且谐振回路会分流部分检测电流，导致检测结果有较大误差。另一方面，主电压放电过程中预充回路的振荡电流会影响主回路，减缓等离子体的复合，导致测得的关断时间偏大。因此，在改进电路中，选择开关速度更快的IGBT取代晶闸管作为谐振预充回路的开关，希望在检测回路开通之前实现预充回路充分关断，并且减小以上反向电流引入的误差。

1．2 RSD关断时间检测平台

RSD关断时间检测实验平台如图1所示，电源AC、电阻R0、二极管D0和开关S组成充电回路；电阻R1、电容C0、二极管D1、磁开关 MS0和IGBT组成谐振预充回路；电阻R2、电容C1、磁开关 MS1和RSD组成放电主回路；电阻R3、电容C2、磁开关 MS2和晶闸管Thyristor组成关断检测电路。实验中所用电源AC经过R0限流D0整流后输出正弦半波电压信号，三个电容C0、C1和C2共用一套充电装置，电路中的电感均用磁开关代替，起隔离和延时的作用［8］，充电电流可以对MS0和MS1消磁。与此同时，在磁开关的隔离作用下，Thyristor或IGBT在通过电流之前能够充分的开通，对器件具有保护作用。

图1 RSD关断时间检测电路原理图

2 仿真结果分析

根据RSD的开通机理，针对器件少子寿命、主电流下降率dI／dt（以下简称dI／dt）和工作电压，用软件对其关断过程进行仿真，仿真原理和实验检测关断时间一致，且均隔离了预充回路。图2（a）、（b）分别为设定测试电压1200 V，不改变器件少子寿命和dI／dt，tm（tm为测试电压延迟时间）为41μs和42μs时RSD的电压、电流波形。从图中可以看出，延迟41μs加测试电压，RSD上仍有电流流过，说明RSD没有关断；延迟42μs加测试电压，RSD上没有电流流过，说明RSD已经关断。关断时间toff（以下均用toff表示）往大者取值计算，为22μs（起始时刻近似20μs）。

图3为设定测试电压1200 V，增大器件少子寿命，保持dI／dt不变，tm为42μs时RSD的电压、电流波形。比较图3和图2（b）可以看出，增大器件少子寿命后，在同样的延迟时间下加测试电压，RSD从之前的关断变成了导通状态，说明关断时间随着器件少子寿命的增大而增大。通过掺Au等途径减小器件少子寿命能有效减小关断时间，但是同时增大了RSD的导通压降，也影响了其阻断特性，需要折衷考虑。

图2 测试电压1200 V，不改变器件少子寿命和dI／dt时电压、电流波形

图3 tm＝42．0μs，测试电压1200 V，增大器件少子寿命时电压、电流波形

保持器件少子寿命不变，改变电路参数，增大dI／dt后得到图4所示电压、电流波形，其中tm为42μs，对应toff为22μs（起始时刻近似20μs）。比较图4和图2（b）同样可以看出，在相同的延时下RSD从图2（b）中的关断变为图4中的导通状态，说明关断时间随着dI／dt的增大而增大。

图4 tm＝42．0μs，测试电压1200 V，增大dI／dt时电压、电流波形

图5为不改变器件载流子寿命和dI／dt，测试电压从1200 V减小到600 V时RSD的电压、电流波形。比较图5和图2（a）可以看出，在同样的延迟时间下，减小测试电压幅值后，RSD从导通状态变成关断状态，说明RSD的关断时间随着器件工作电压的减小而减小。

图6为不改变器件少子寿命和dI／dt，不同测试电压下RSD内部载流子分布。图6（a）为tm＝41μs，测试电压1200 V（600 V）时，加测试电压瞬间RSD内部载流子浓度分布，（b）、（c）为tm＝41μs，测试电压分别为1200 V和600 V时，加测试电压1μs后RSD内部载流子分布。比较图6（a）、（b）、（c）可以看出，在较高的工作电压下，即使RSD内部载流子已经如图6（a）中所示复合了大部分，由阳极注入的等离子体仍能补充等离子体的不足，使RSD快速导通；相反，在同样的剩余载流子浓度水平下，较低的放电电压不足以使RSD导通。如果定义载流子浓度下降到测试电压不足以使其恢复到导通水平时RSD的状态为准关断，所测得的关断时间为相对关断时间，那么RSD的工作电压越高，其相对关断时间就越大。

3 实验结果分析

实验中主放电电压1200 V，电流波形的取样采用609 V：1 A的同轴分流器，阳极电压波形的取样采用1000：1的高压探头。

图7是预充开关为Thyristor，关断检测回路开通时流过Thyristor的电流波形，其中图7（a）是RSD未关断的情况（从Thyristor的分流量比较小可以看出），图7（b）是RSD已关断的情况，t为给单片机设定的延时时间（以下均是），测得关断时间toff为45μs。比较未关断和关断的情况可以看出，不管RSD是否关断，当电容C0开始放电时，Thyristor上都有电流流过，因此可以推断谐振预充回路一直处于导通状态。这样一来，通过检测RSD上电流是否为零来判断其是否关断有一定误差，并且预充回路一直开通对检测电流有一定的分流作用，会导致关断时间的检测不准确。因此改用开关速度更快的IGBT作为谐振预充回路的开关，减小预充回路分流以及振荡电流引起的误差。

图8 T＝20μs时关断检测波形（预充开关为IGBT）

用IGBT代替Thyristor后测得的RSD临界关断时的电流电压波形如图8所示，其中图8（a）、（b）分别代表t为63．2μs和64．4μs的情况，T为单片机脉宽（以下均是）。比较两组波形，延时63．2μs开通检测回路时，检测电压加在RSD上仍有电流流过RSD；延时64．4μs开通检测回路时，检测电压加在RSD上无电流流过RSD，说明RSD已关断，测得toff为33μs。另外，对比图7和8中临界关断情况下RSD两端的电压波形可以发现，在使用改进电路后测得的电压波形中，检测电压过后仍保留100 V左右的残压，这说明此时IGBT已经关断。并且采用观察RSD两端电压波形是否出现残压来判断RSD是否关断较以往通过观察RSD电流波形是否有电流能更准确找出RSD的临界关断点。

图10 T＝50μs时关断检测波形（预充开关为IGBT）

图9、图10分别为改进电路中T改为40μs和50 μs时测得的RSD临界关断电流电压波形，其toff均为39μs。和图8中T＝20μs时相比，40μs和50μs虽然同样能保证在检测回路开通前预充回路已充分关断，但是不能避免主电压放电过程中预充回路振荡电流对RSD产生的影响。RSD的关断过程，即RSD体内非平衡少子复合，使之重新恢复正向阻断能力的过程，所以在主电压放电过程中，受预充回路振荡影响，反向电流流过RSD，减缓了等离子体的复合，导致测得的RSD关断时间偏大。

表1为采用IGBT作为谐振预充回路开关与改进前的实验结果对比。由表1可知，采用IGBT改进方案测得的关断时间比采用晶闸管方案测得的关断时间要短，这是排除了预充回路对检测产生干扰后测得的结果，更加准确。同时，采用IGBT改进方案在不同单片机信号脉宽下测得的RSD关断时间也不同，在脉宽40μs和50μs时的关断时间大致一样，均为39μs，但是都大于脉宽20μs时测得的关断时间，这也进一步验证了之前的分析。

表1 IGBT和Thy实验结果的比较

4 结 论

在重复频率脉冲功率领域中，准确测量关断时间对于RSD的应用具有重要意义。本文在讨论了以往检测RSD关断时间方法的基础上，通过软件仿真分析了影响RSD关断时间的因素，并针对其测量误差大的缺陷提出了采用IGBT取代Thyristor作为谐振预充回路开关的改进方案，主要结论如下：

（1）通过观察检测电压波形是否有残压判断RSD是否关断，避免判断RSD上是否有电流带来的误差（电流很小时很难判断是否为零）；

（2）主电压放电过程中谐振预充回路的反向振荡电流流过RSD，减缓了等离子体的复合，导致测得的RSD关断时间偏大，采用IGBT作为谐振预充回路开关使谐振预充回路快速关断能避免这种不利振荡引起的误差；

（3）RSD关断时间随着器件少子寿命和主电流下降率dI／dt的增大而增大。定义载流子浓度下降到测试电压不足以使其恢复到导通水平时RSD的状态为准关断，所测得的关断时间为相对关断时间，则RSD工作在越高的电压下，其相对关断时间就越大。测量不同工作环境下的相对关断时间是以后研究的重点。

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