基于脈沖變壓器RSD直接式預充的設計與研究

尚 超 余岳輝 吳擁軍 馮仁偉 李偉邦

（1.華中科技大學電子科學與技術系 武漢 430074 2.湖北臺基半導體有限公司 襄樊 441021）

1 引言

脈沖功率技術產生于20世紀30年代，60年代之后得到快速發展。其最初來自軍事方面的應用，如電磁炮、飛機彈射、核聚變激發等；冷戰后，研究人員將其應用到工業上，如大功率能量發生器、微波、生物醫療及環保等領域[1-6]。隨著脈沖功率技術的廣泛應用，對其核心元件之一的開關提出了越來越高的要求。半導體器件能克服傳統氣體開關壽命短、不穩定等缺陷，故目前脈沖功率開關有半導體化的趨勢[7]。開關元件的參數和特性對脈沖的上升時間、幅值、關斷時間等產生最直接的影響，理想的脈沖功率開關要求同時兼備高電壓、大電流、低損耗、長壽命等特點。

大功率超高速半導體開關RSD是20世紀80年代末，由俄羅斯科學院阿·法約物理技術研究所的I.V.Grekhov等人基于可控等離子層換流原理提出的一種新型脈沖功率開關[8-9]。基于特殊的結構和工作原理，RSD能實現在芯片全面積均勻同步開通，殘余電壓在前沿只有很小的陡升，準穩態出現在幾個微秒內（對普通晶閘管這一過程約為上百微秒）。

高壓RSD的應用在很大程度上依賴于其觸發開關的設計。傳統的觸發開關是半導體開關堆體，其串聯技術及觸發系統異常復雜。本文提出一種利用脈沖變壓器隔離高壓的RSD直接式觸發。該方案的觸發開關可以是單只功率半導體開關，從而降低了系統對觸發開關的要求，理論分析和實驗結果表明該方案是可行的。

2 RSD的結構及工作原理

2.1 RSD器件結構

圖1為RSD基本結構及工作原理示意圖。它是一種包含數萬相間排列的晶閘管和晶體管單元的二端器件圖。所有單元的集電極共有，它阻斷著圖示的外加正向電壓，此外共有的還有陰極側的n＋p發射極。當施一脈寬約2μs、一定幅值的反向電流后，RSD可以微秒甚至納秒級的速度開通數十至數百千安的大電流，磁開關隔離主回路和預充回路。

圖1 RSD基本結構及工作原理示意圖Fig.1 Basic structure and schematic circuit of RSD

用預充電荷描述的RSD正常開通的條件為

式中，Qcr為器件開通所需的預充電荷量；dJ/dt為主電流密度上升率。

2.2 RSD開通機理

圖1中的開關S閉合，預充電壓φ2反向施加到RSD上，此時的主電壓被未飽和的磁開關隔離，晶體管的n+p低壓結被擊穿，在器件n基區內形成一等離子層。磁開關飽和后，主電壓φ1加在RSD上，器件體內的等離子層發生再分布，進行電導調節，在n基區內J2結附近形成一個可源源不斷提供等離子體的等離子庫，RSD實現全面積均勻導通。RSD的直接式觸發，電路簡單，所需器件少，且觸發效果好。但從圖1的工作原理圖來看，觸發開關S閉合前承載著主電壓和預充電壓之和，工作環境非常惡劣。故RSD的推廣應用對觸發開關提出了較高的要求。本文就是基于此，研究利用脈沖變壓器隔離高壓的RSD直接式觸發。

3 實驗原理

3.1 測試平臺原理

圖2為基于脈沖變壓器的RSD直接式觸發原理圖。Tr為可飽和的脈沖變壓器，L0為磁開關，C1為主放電電容，C2為隔離電容，C0為預充電容，RSD為主放電開關，Z為阻性負載。C1－L0―RSD－Z構成主放電回路；Tr二次側－RSD－C2構成RSD的預充回路；C0－Tr一次側－V構成低壓觸發回路。該電路要求磁開關飽和前，觸發回路通過變壓器給RSD提供足夠的預充電荷，以保證其正常開通。工作原理：工作前Tr一次側復位，C1、C2及C0充電至一定電壓。觸發晶閘管V導通，變壓器磁心飽和前，C0通過Tr一次側放電，同時在Tr二次側感應一電壓ΔU，此值高于C2充電電壓，此電壓差產生C2的充電電流，該電流反向流過RSD，對RSD進行預充。經過Δt1的時間延遲，預充結束，磁開關L0飽和，主電容C1通過RSD對負載放電，形成電流脈沖；再經過Δt2的時間延遲，Tr磁心飽和，電容C2通過C2－RSD－Tr二次側回路放電，以泄放其上的電荷。

圖2 基于脈沖變壓器的RSD直接式預充電路原理圖Fig.2 Direct precharge structure of RSD based on pulse transformer

3.2 脈沖變壓器的設計

該方案中脈沖變壓器的作用有三個：一是隔離主回路的高壓，降低觸發開關上的初始電壓；二是給RSD提供足夠的預充電荷，保證其正常開通；三是經過一定的時間延遲后飽和，為電容C2提供放電回路。

利用脈沖變壓器等效電路，圖2電路可簡化如圖3所示。圖3中，R1、L1分別為變壓器二次繞組的等效電阻、漏感；R2、L2分別為變壓器一次繞組的等效電阻、漏感；Lt為磁心耦合磁化電感，理想情況下為無窮大；Rr為等效磁心損耗電阻。

圖3 利用變壓器等效電路簡化后的電路原理圖Fig.3 Simplified circuit used equivalent circuit of transformer

對脈沖變壓器的精確計算是比較困難的。通常的做法是利用圖3的等效電路，先設定一些待求參數，利用相關軟件對這些參數進行仿真，對其中較滿意的參數輔以實驗驗證，同時通過實驗結果對電路參數進行修正，直到得到滿意的電路參數。經多次仿真、實驗，并結合實驗室條件，確定電路參數為：變壓器電壓比為3∶21，磁心材料為鐵基納米晶；C1＝10μF；C2＝0.2μF；C0＝0.5μF；R1=0.5Ω；L1＝3μH；R2＝0.4Ω；L2＝8μH；Z＝0.24Ω。

變壓器磁心經一定的時間延遲后必須飽和，為電容C2上的電荷提供泄放回路。利用仿真軟件Saber對其飽和特性進行仿真，仿真結果示于圖4。電流曲線顯示，變壓器一次電流I先有較小幅度的上升，隨后出現一個較大的上升電流脈沖；同時一次電壓U出現較大的下降坡度，這些現象說明變壓器在此時飽和。在放電電壓為350V下對其進行了實驗驗證，波形示于圖5。U1對應變壓器一次電壓，I1對應一次電流。電流波形顯示，在350V電壓下，得到峰值為305A的電流。但此電流并不是立刻產生，而是經過約10μs的時間延遲后產生，這是因為變壓器在10μs內未飽和，保持高感抗，只流過很小的漏電流；10μs后變壓器飽和，流過大電流。說明變壓器飽和特性良好，電壓波形上有同樣的反映。實驗結果與仿真能夠吻合。

圖4 變壓器一次電流和電壓仿真波形Fig.4 Simulation waveforms of current and voltage on primary side of pulse transformer

圖5 變壓器一次電流和電壓波形Fig.5 Waveforms of current and voltage of RSD

4 實驗結果及分析

利用上面的電路參數，對方案進行試驗驗證。初始條件：UC1＝10kV，UC2＝10kV，UC0＝4kV。RSD直徑為24mm，單片耐壓2.2kV，5片串組成堆體；觸發開關為兩只晶閘管串，單只耐壓為2.2kV（或一只耐壓為5kV的高壓晶閘管）；電流測量采用比例為620A/V的管式分流器，示波器為泰克公司生產，型號為TDS2012，帶寬100MHz。

圖6和圖7為實驗波形。圖6為RSD預充電流波形，圖7為主回路電流波形。圖6的波形顯示，預充電流幅值為80A，脈寬為2.4μs；圖7的波形顯示，主電流峰值為12kA，脈寬為15μs，di/dt為2kA/μs。兩波形平滑、均勻。

由此，根據式（1）計算觸發該RSD所需的臨界預充電荷量Qcr＝18μC/cm2，而由觸發回路經變壓器實際提供給RSD的預充電荷量Q=72.2μC/cm2，可見該方案能夠滿足RSD的觸發要求。

圖6 RSD預充電流波形Fig.6 Waveforms Precharge current of RSD

圖7 主回路電流波形Fig.7 Waveforms Current of main circuit

圖6 預充電流波形的毛刺是觸發引起的干擾所致。圖7所示電流波形中的預充部分不是很清楚，是為測量主電流，示波器量程打得較大，故相對較小的預充電流不是很明顯。主電流波形出現振蕩，是因為主電路設計為欠阻尼狀態。試驗結束后，經測量電容C2上僅有很小的殘余電壓，相對10kV的初始電壓，可以認為C2上的電荷已通過飽和的變壓器泄放完畢。

5 結論

針對RSD應用中的觸發問題，本文通過仿真和試驗研究了利用脈沖變壓器隔離高壓的RSD直接式觸發。理論分析和實驗結果都表明：利用脈沖變壓器隔離高壓的方法降低了RSD觸發開關上的初始電壓，從而降低了對觸發開關的要求，該方案較容易實現高壓RSD的觸發；提供充足的預充電荷是RSD正常開通的外部條件，該方案能為器件提供充足的預充電荷，從而保證了其正常開通。變壓器是該觸發方案的關鍵，一方面提升一次電壓，實現對RSD的預充；另一方面在飽和后給電容C2上的電荷提供泄放回路，仿真及試驗結果說明所設計變壓器具有很好的飽和特性。利用本文的電路拓撲及相應的實驗參數，在10kV主開通電壓下，得到了幅值為12kA、底寬為15μs、di/dt為2kA/μs的主電流。試驗完畢，經測試堆體中各管芯特性基本無退化，證明了本方案的可行性。同時本研究也為更高電壓等級RSD的觸發提供了思路。

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