高功率反向开关晶体管开关寿命特性

研制了10kV高压反向开关晶体管(RSD)开关组件。在重复频率0.2Hz、峰值电流约107kA、峰值功率约1GW、单次传输电荷约20C、单次传输能量约100kJ条件下,实验次数达50 000多次;主要研究了RSD开关的静态伏安特性随实验次数的变化趋势。采用数值分析的方法,统计拟合得到了长脉冲大电流条件下RSD开关的寿命模型,并依据失效判据初步预估RSD开关的寿命可达107次。

基于反向开关晶体管的脉冲电源在电磁发射中的应用

为了进行电磁轨道炮发射机理研究,研制了一套基于反向导通双晶复合晶体管(RSD)全固态开关的电容储能型脉冲功率电源。RSD开关采用可控等离子体换流技术,具有全面积均匀同步导通、开通损耗小、功率大、换流效率高、寿命长的特点。电源系统由16个64 k J储能模块并联组成,采用一体化紧凑设计,内嵌充电、控制、保护与测量功能。系统额定电压18 k V、总储能1 MJ,可通过时序控制对放电波形进行调节,短路同步放电峰值可达960 k A.系统在20 mm口径电磁轨道炮上进行了多次发射试验,结果表明脉冲电源系统可靠性高,一致性好,输出波形灵活可调,满足轨道炮超高速发射研究的需要。

反向开关晶体管开关通态峰值压降的精确测量与研究

基于反向开关晶体管的特殊工作原理,设计了并联电阻法精确测量RSD的通态峰值压降。介绍了通态峰值压降的测量原理及过程,并确定了电路参数。实验结果表明:直径16mm的单片反向开关晶体管在1.2kA的脉冲电流(脉宽17.5μs)下测得通态峰值压降为8.0V。并且,反向开关晶体管通态峰值压降随换流峰值的增大而增大;改变分压电阻比值对测量结果无明显影响。

反向开关晶体管结构优化与特性测试

对半导体脉冲功率开关反向开关晶体管(RSD)的结构进行了优化,在RSD中引入缓冲层,建立器件数值模型并作仿真分析,结果表明:缓冲层结构起到了截止电场的作用,使得器件基区得以减薄,较传统结构RSD阻断电压升高而开通电压降低。针对RSD的特殊工作方式,提出了RSD开通电压、关断时间等关键参数的测试方案并进行了实验测量。进行了RSD大电流开通试验,直径7.6cm的堆体在12kV主电压下成功通过峰值电流173kA,传输电荷32C。

大功率超高速半导体开关的换流特性研究

研究了一种应用于激光驱动源的大功率超高速半导体开关反向开关晶体管(RSD)的新结构,以实现μs、ns脉宽、MW以上的高重复率脉冲的产生和控制。RSD具有大面积快速均匀开通、可无限串联、功率大、换流效率高、寿命长的特点。利用单次脉冲试验平台研究了RSD的开通机理及高密度能量转换、允许通过的峰值电流、开通条件与预充、准静态损耗及其di/dt等多项特性。根据经验公式,对小直径RSD做极限电流试验,φ20mm的RSD堆体通过了19.9kA脉冲电流(脉宽30μs)。通过减小主回路电感考核了RSD的高di/dt耐量特性,放电电压3kV时得到di/dt接近8kA/μs。

半导体脉冲功率开关器件综述

该文对应用于脉冲功率领域的特种半导体开关器件进行综述,具体包括反向开关晶体管(reversely switched dynistor,RSD)、漂移阶跃恢复二极管(drift step recovery diode,DSRD)和快速离化晶体管(fast ionization dynistor,FID)。上述半导体开关器件从时间尺度上分别对应微秒级、纳秒级和皮秒级,研制材料包括硅基(Si)和碳化硅基(SiC)。该文介绍相关器件的工作机理、关键技术和应用情况,以及部分研究进展,并对未来的发展趋势进行展望。

基于RSD开关的脉冲放电试验研究

为了研究反向导通双晶复合晶体管(RSD)开关在大电流脉冲放电领域中的应用,介绍了RSD的结构和工作原理;通过RSD导通机理和不同触发回路性能的分析,建立了基于RSD的脉冲放电试验回路;通过选取适当的回路参数得到了峰值为120.5kA、脉宽为240μs的脉冲放电电流。最后针对大功率脉冲应用条件指出了RSD在大电流脉冲放电应用中需要克服的触发回路设计及续流问题。

脉冲功率开关RSD的高dI/dt特性研究

基于等离子体双极漂移模型,得到了超高速大功率半导体开关反向开关晶体管(RSD)的dI/dt耐量解析表达式,分析了RSD的主放电回路模型,在此基础上讨论了影响RSD的dI/dt特性的因素,dI/dt随预充电荷总量的增加、通过p基区的电子扩散时间和p基区电子寿命的缩短而增大,随主放电回路电压的上升和电感的减小而增大.RSD的dI/dt耐量可达1×105A.μs-1,远高于普通晶闸管,可应用于短脉冲大电流领域.

亚毫秒脉冲功率开关RSD的大电流放电试验

对应用于电磁发射脉冲功率电源的反向开关晶体管(Reversely Switched Dynistor,RSD)进行了大电流脉冲换流特性测试。介绍了RSD导通原理,分析了RSD的直接预充、谐振预充和变压器升压预充等三种预充电路。进行了9.5kV脉冲放电试验,试验脉冲电流的峰值为110kA,脉冲宽度为260μs,dit/dt为2.8kA/μs,由试验波形计算得到RSD开关的换流损耗为4.5kJ,占释放能量80kJ的5.6%。10.8kV试验的电流峰值、脉冲宽度、开通电压分别为150kA,350μs,8.2V。

脉冲功率电路参数对RSD开关预充时间的影响研究

文章介绍了高功率半导体脉冲功率开关-反向开关晶体管(Reversely Switched Dynistor,RSD)的工作原理,分析了RSD脉冲功率电路的特性。由磁开关的电压电流,得到了磁开关的动态电感与电流的量化曲线,在MATLAB仿真平台,分别建立了磁开关动态电感模型、RSD脉冲功率电路模型。计算了主回路元件参数对RSD开关的预充时间TR的影响。计算结果表明,主回路电阻负载在0.01～1Ω变化时,TR变化很小,主回路电感和1Ω以上的主回路电阻对TR影响较明显,计算结果与实验结果最大误差为5%,表明通过低压试验结果的计算,可较准确地预测高压试验的TR。

两步式放电改善反向开关晶体管开通特性研究

针对大功率半导体开关反向开关晶体管(RSD)由于预充不足造成的非均匀开通缺陷,在直接预充放电工作电路的基础上,设计了一种两步式放电工作电路.根据RSD结构特点理论分析了正常开通所需条件,并对器件元胞结构进行建模分析,模型仿真结果表明RSD在窄脉宽预充电流作用下具有更佳的开通性能,降低了预充阶段基区载流子复合.两步式放电实验发现第一步放电电流幅值、脉宽对于两步式放电电路的正常工作起决定作用,而反向预充电流主要作用于RSD第一步放电的正常开通,降低了预充电路设计难度.仿真及实验结果均表明两步式放电电路较直接式预充放电电路提高了RSD的均匀开通性能,这是由于两步式放电显著提高了基区等离子体积累.

基于RSD的脉冲发生器破碎岩混材料实验仿真

为了总结用于破碎岩混材料的脉冲发生器其设计原则和规律。通过应用一种反向晶体管开关,研制脉冲发生器进行破碎岩混材料实验,并结合CST软件对电极放电过程进行仿真,确定脉冲发生器的最佳参数。经研究发现,基于RSD脉冲发生器的输出脉冲可高效破碎岩混材料,其具有安全可控无污染的优点,有望代替炸药爆破方式。

基于RSD的脉冲放电系统主回路仿真与试验

研究了基于RSD开关的脉冲放电主回路,应用ATPDraw软件仿真了不同主电容、主电压、负载电阻条件下的输出电流波形,并在测试平台上进行了相应的开通试验。试验研究了不同叠片片数和不同主电压下磁开关的输出电压波形,为其配合RSD使用、保证合适延迟时间提供了依据。进行了直径40mm的RSD管芯极限通流试验,200μs脉宽下获得峰值电流42kA,与经验公式吻合。计算和试验结果都反映了RSD开通电压随峰值电流增大而增大的趋势。

RSD二维数值模拟与预充过程分析

为了加深对反向开关晶体管(RSD)器件原理的认识,本文基于半导体物理基本方程,在二维元胞单元上利用有限差分的方法建立了RSD器件的数值模型。模型考虑了载流子间散射、SRH和俄歇复合、碰撞电离等物理效应。采用实验电路提取的参数建立了RSD谐振预充触发电路的外电路模型。联合器件模型方程组和谐振触发外电路模型方程,利用Matlab语言采用Runge-Kutta和牛顿迭代的方法求解并获得了器件瞬态载流子分布和电压电流波形。本文在对比实验结果的基础上,解释并说明了模型的有效性和误差的产生原因。基于载流子和电流分布变化数据,详细分析了RSD预充过程。发现了预充过程中存在的强烈俄歇复合现象和电流抽取现象将导致预充电流注入的等离子体大量减少,因此不宜直接采用电流时间积分值计算预充电荷总量。

RSD重复频率脉冲功率电路的研制

研制了一种基于高速大功率半导体脉冲开关反向开关晶体管(Reversely Switched Dynistor,简称RSD)的重复频率脉冲功率电路,电路主要包括放电电容充电回路、主回路及RSD预充回路等部分。分析了脉冲功率电路及磁开关工作原理。设计了工作电压为2.4 kV时的电路及磁开关参数。试验结果表明,当重复频率为10 Hz时,RSD输出电流峰值为2.44 kA,脉宽为9μs,工作频率从10 Hz增加至60 Hz时,输出电流从2.44 kA下降至2.21 kA,变化率为4.5%。

脉冲功率器件RSD非均匀导通的实验研究

介绍了一种新型基于可控等离子体开通的半导体功率器件,即反向开关晶体管(Reversely Switched Dynistor,简称RSD),简述了其基本结构及工作原理。从理论上分析了导致RSD非均匀导通的因素,并通过实验进行验证,得到了2.5kV电压下,峰值电流为14.4k ARSD的典型开通特性。分析和实验结果都显示,导致RSD非均匀导通的因素主要有:磁开关与触发回路配合不当、器件预充不足、主电流的di/dt过高以及工艺因素等,其中前两个因素最为明显,在使用中应予以特别重视并加以避免。实验结果与理论分析能够很好地吻合。

碳化硅RSD的二维数值模型研究

在此通过实验进一步证实了高耐压的硅基反向开关晶体管(RSD)有更高的开通电压峰值,说明采用宽禁带碳化硅(SiC)的必要性。基于半导体物理基本方程,考虑载流子迁移率模型、SRH复合、俄歇复合、碰撞电离效应及禁带变窄效应等,采用典型4H-SiC材料物理参数,建立了SiC RSD二维数值模型,同时结合电路模型模拟了SiC RSD的开通过程,得到不同耐压等级的SiC RSD的开通电压、电流波形。

基于脉冲变压器RSD直接式预充的设计与研究

基于反向开关晶体管(RSD)的工作原理,提出采用脉冲变压器隔离的直接式触发高压RSD,以解决系统对触发开关要求较高的问题。脉冲变压器的作用是隔离主放电回路的高压,同时在有限的时间内给RSD提供足够的预充电荷且经过一定的时间延迟后饱和。据此,利用变压器等效电路对其进行了设计,得到了变压器及电路的相关参数。利用电路仿真软件Saber仿真脉冲变压器的饱和特性,并进行了实验验证。最后以10kV电压通过RSD对负载放电为例,验证方案的可行性,得到峰值为12kA、底宽15μs、di/dt为2kA/μs的主电流。实验完毕,经测试,器件完好无损。

RSD固态脉冲电源中的罗氏线圈电流检测技术

介绍了基于高速大功率反向开关晶体管(RSD)的磁压缩固态脉冲电源试验平台,就RSD状态电流及磁压缩脉冲电流的波形特征对检测环节高需求的问题,研究了罗氏(Rogowski)线圈传感头的频率特性,在对比已有传感头信号处理方法的基础上,给出了一种新型结构的自积分与外积分复合式罗氏线圈的设计过程和参数选取方法,在保证传感器具有1 mV/A灵敏度的前提下,将传感器的工作频带从低频拓宽到线圈的自然角频率。给出了二级磁压缩网络放电的负载电流实验波形及RSD开关的触发、导通电流波形,验证了该罗氏线圈传感器能够满足本固态脉冲电源中的RSD开关状态电流高精度检测和负载电流的高频检测要求。

基于LCL谐振变换结构的RSD重频系统充电技术

全固态半导体开关,即反向开关晶体管(RSD)因其具有全面积、纳秒至微秒级导通等特有的性质,在脉冲功率领域有着良好的应用前景。研究了RSD脉冲功率系统主储能电容的恒流充电技术。利用交流小信号分析法对基于LCL谐振变换结构的充电电源工作原理进行了详细阐述,分析了恒流特性、恒压特性及开关管的软开关特性,利用Orcad Pspice仿真软件进行了仿真验证。同时从功率损耗方面对开关管IGBT的缓冲吸收回路进行了优化设计。通过27 ms将27μF电容器充电至1.1 kV的实验证明了基于LCL拓扑的谐振变换充电电源具有恒流、控制简单、宽负载应用范围等优点,适用于主储能电容器的高精度、快速充电。