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2016年092期二肖中特

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您现在的位置: 电子之家 >> 半导体 >> 正文   更新时间:2014-8-13 0:51:22  点击数:2151

大功率超高速半导体开关RSD新结构及特性

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摘要:新近开发出了用于大功率脉冲电源技术的新型超高速开关RSD,本文介绍了该器件的结构、开通机制、特性及测试实验结果。设计电流10KA、50KA,开通时间数十纳秒、断态重复峰值电压20KV的RSD堆已在实验室制出并在湖北襄樊仪表元件厂合作试生产。

关键词:大功率 脉冲 开通 阳极触发 RSD


    摘 要:新近开发出了用于大功率脉冲电源技术的新型超高速开关RSD,本文介绍了该器件的结构、开通机制、特性及测试实验结果。设计电流10KA、50KA,开通时间数十纳秒、断态重复峰值电压20KV的RSD堆已在实验室制出并在湖北襄樊仪表元件厂合作试生产。
    关键词:大功率 脉冲 开通 阳极触发 RSD
    
    
    1 前 言
    随着高新技术的发展,一种新的电力变换,即对电压10KV以上、电流数十KA以上、电流上升时间数十nS以下的超大功率、超高速装置有很大的应用需求。特别是在加速器、电磁炮,大功率激光器、荷电粒子辐射源、等离子体装置、各种放电应用中,μS、nS脉宽、MW以上的高速大功率脉冲的产生和控制技术已成为人们的研究热点[1] 。
     使用大功率半导体开关器件的脉冲功率技术近年来在世界各国竞相开发。在欧美有用各种功率半导体器件的高速大功率脉冲电源,美国用IGBT的100KV、75A的电源已商品化,欧洲ABB公司、Westcode Co.是用GTO和大功率晶闸管做的。资料[2]用功率MOSFET 30只串联、100只并联做成了输出最大24KV/2KA的激光脉冲电源。资料[3]用MAGT(MOS Assisted Gate-Triggered Thyristor)构成主开关部分。在输出MW级的大功率脉冲装置中使用IGBT作开关,显然电流容量有限;使用高速大功率晶闸管后输出功率可以很大,但开关速度只达到1.5KA/μs;MOSFET是唯一可以实现纳秒级开通的器件,但串、并联太多,系统庞大。圣彼得堡、莫斯科原子能研究所研究出了一种大功率超高速阳极触发半导体开关RSD(Reversely Switched Dynistor) ,有人称之为纳秒开关。正在研究用10个RSD(250KA/2KV)串联,1ms内输出5MJ,目前正准备上500KA、25KV的装置,输出12.5MJ。为了满足产业应用脉冲功率技术的要求,半导体开关功率器件技术已成为一门重要的基础技术。
    在微细化、高压化技术的驱使下,近年来各种新型的功率器件不断出现。要作到高速、高压、大电流化,现有的电流上升快的器件只MAGT.(MOS Assisted Gate-Triggered Thyistor),其di/dt可达21KA/μS、通流能力可的达84KA?;褂蠭EGT(Injection Enhanced Gate Transistor)、IGTT(IGBT Mode Turn-off Thyristor)等新的器件正在研制或开发中,但所有这些器件其制造工艺复杂、电路复杂、技术难度高、价格昂贵而且难得买到。
    美军方研究中心(ARL)采用直径125mm对称晶闸管结构,实际上是一双向对称的四层结构转折二极管(BBD),已达到电压2.5KV,可开关221KA电流,di/dt 为2KA/μS;同时还开发了另一种形式的固体开关,即RSD,采用非对称的晶闸管结构, 阳极触发,已制出80mm直径的芯片,单只阻断电压3.1KV,可开关177KA脉冲电流,di/dt达2.8KA/μS,反向触发电流2.3KA[4][5][6]。
    2 RSD的结构、开通机制及特点
    2.1 RSD的结构

    图1为所研究的RSD开关的基本结构,不难看出它是由数百上千只pnpn晶闸管和npn晶体管多单元并联形成的两端结构,其正向可承受数千伏的断态阻断电压。当反向施加一脉宽2μS、脉幅1.5~2KA的驱动电流时,RSD可以nS级的速度开通数十至数百千安的大电流。主电路和驱动电路之间有一磁开关,除了隔离之外还可提高开关开通时的电流上升速度。
    2.2 RSD的开通机制
    当触发电路未接通(S断开)时,由于集电结(J2结)反偏,RSD不能开通。S合上,接上触发电路,磁开关L未饱和之前,两部分电路隔离,加在RSD上的电压反向。此时,对于晶体管层:低电压下,n+p结反偏;电压上升后,J2结中的空穴注入到n区,导致电子从n+n结的n+区向n注入,于是在J2结附形成一高浓度薄等离子体层P1,在漂移场作用下,P1中空穴向n+区移动,经过数十纳秒,等离子体波达到n+区。在n+n结附近,形成第二个高浓度薄等离子体层P2。通常触发脉冲为1—2μs,计算表明,在这种情况下,约75%的等离子体还集聚在J2结附近。由于晶体管层和晶闸管层的尺寸与整个RSD 相比非常小,故可以认为晶闸管层上,等离子体层的分布情况与晶体管层几乎相同。
    当磁开关L饱和后,RSD上电压极性又恢复为初始极性,在晶闸管层上开始了开启过程。在外电层作用下,等离子层P1中的空穴进入到P区,同时J3结的n+区电子也注入到P区。这时,等离子体波又反向移动,即由P2向P1移动。p+n结上空穴向P2层注入,同时,由于漂移场作用,等离子体层P2向J2结移动,由于这种补充作用,经计算表明,P1等离子体层几乎没有消耗,此时RSD开通,这时的开通是在整个RSD器件上(所有transistor层和thyristor层)同时开通的。

    2.3 RSD的特点
    高速大功率脉冲产生的关键技术之一是实现高速开通的大功率器件。该领域以前使用的开关元件一般是气隙开关、引燃管、闸流管(thyratron)一类的放电型开关,它们可以在数十nS以下开通而且功率也比较大,但突出的问题是:体积大,维修保养的工作量大,元件的更换费用占到总费用的17%;寿命短(发射接近109 程度时效率下降、出现劣化);可靠性差,“点火”时间不确定,难于在多台装置串并联的超大功率电源系统中运行;控制性不好,要达到稳定的开通需调整阴、栅的加热电流,同时开机前尚需10多分钟预热。而大功率半导体开关是等离子体导电、大面积同时开通,有較高的开关电流和很高的电流变化率,di/dt可达105A/μS;发射在1010以上、使用寿命长,不劣化,可靠性好;控制方便,多只串联时不需要均压;功率大、损耗较真空管小两个量级,效率高。
    由I.V.Grekhov提出的RSD是一种超高速开关。其di/dt约为105A/μS,是已知器件中电流上升速度最大的,峰值电流可达270KA(50μS脉宽)单只电压已作到2.5~3.0KV[7] 。
    3 开通特性测试试验结果.
    本项目研究基于I.V.Grekhov的模型,提出了一种RSD超高速开关的新结构。该结构用超薄发射极理论在阳极侧设计薄发射极P+层、阴极设计有短路点,通过采用雷浪涌?;て髦卸来吹亩嘣P徒秤傻缱涌昭ㄗ⑷胍鸬木д⒐苁降目ㄗ┍揽?。目前以直径为20~40mm的芯片为对象,对新结构模型、关键工艺以及RSD堆体在大功率激光电源中进行了研究和应用试验。图2所示为RSD单只样品开通时的电压下降曲线,开通时电压下降时间约为80nS,最快的达26nS。
   
   

    图3所示为首批3KV RSD样品开通时的电流电压特性,电流的上升时间较长与主回路的参数有关,同时也未加磁压缩。
     

    图4是由9只小功率RSD组成的1#堆,该结构中的RSD,单只的阻断电压大部分可达3~4KV,电压的下降时间大都为60 nS左右(尚未加磁压缩),最快的一只是26 nS。堆体的断态重复峰值电压为28KV,但测试中未能开通。
    图5为2#堆的开通特性,它由7只断态重复峰值电压2.5KV的RSD组成,试验中所加的电压为8KV,峰值电流已通过4KA、底宽约200μS。
    4 RSD的主要应用领域 
    高速大功率脉冲技术的应用极其广泛。利用高压脉冲放电技术在以下领域的主要应用有,
    ● 工业应用:主要有激光加工电源,大功率微波源,金属离子注入,岩石破碎,X射线源,臭氧生成等;
    ● 国防应用:核聚变电源脉冲强磁场产生装置,电磁加速器(电磁炮);
    ● 环保应用:废水处理、水管中水垢的去除、水中有害有机物去除;火电厂脱硫、脱硝,微生物杀菌,二恶英、废弃物处理,废钢筋水泥分离;
    ● 医疗应用:NO吸入疗法及其装置,大肠杆菌的病源性微生物杀菌;
    ● 新材料开发:固体表面改性,薄膜生长,金刚石合成,纳米尺寸粉体加工。
   

    5 结 论
    测试试验结果表明,采用等了离子体触发、大面积同时快速开通的新结构RSD的确具有良好的开通特性和应用特点,在进一步改进压装结构、磁压缩电路和触发开关的设计后,对峰值电流250KA、阻断电压25KV以下的RSD可望近期实现产业化。

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