基于脈沖變壓器RSD直接式預(yù)充的設(shè)計(jì)與研究

尚 超 余岳輝 吳擁軍 馮仁偉 李偉邦

（1.華中科技大學(xué)電子科學(xué)與技術(shù)系 武漢 430074 2.湖北臺(tái)基半導(dǎo)體有限公司 襄樊 441021）

1 引言

脈沖功率技術(shù)產(chǎn)生于20世紀(jì)30年代，60年代之后得到快速發(fā)展。其最初來(lái)自軍事方面的應(yīng)用，如電磁炮、飛機(jī)彈射、核聚變激發(fā)等；冷戰(zhàn)后，研究人員將其應(yīng)用到工業(yè)上，如大功率能量發(fā)生器、微波、生物醫(yī)療及環(huán)保等領(lǐng)域[1-6]。隨著脈沖功率技術(shù)的廣泛應(yīng)用，對(duì)其核心元件之一的開關(guān)提出了越來(lái)越高的要求。半導(dǎo)體器件能克服傳統(tǒng)氣體開關(guān)壽命短、不穩(wěn)定等缺陷，故目前脈沖功率開關(guān)有半導(dǎo)體化的趨勢(shì)[7]。開關(guān)元件的參數(shù)和特性對(duì)脈沖的上升時(shí)間、幅值、關(guān)斷時(shí)間等產(chǎn)生最直接的影響，理想的脈沖功率開關(guān)要求同時(shí)兼?zhèn)涓唠妷?、大電流、低損耗、長(zhǎng)壽命等特點(diǎn)。

大功率超高速半導(dǎo)體開關(guān)RSD是20世紀(jì)80年代末，由俄羅斯科學(xué)院阿·法約物理技術(shù)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(guān)[8-9]?；谔厥獾慕Y(jié)構(gòu)和工作原理，RSD能實(shí)現(xiàn)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(zhǔn)穩(wěn)態(tài)出現(xiàn)在幾個(gè)微秒內(nèi)（對(duì)普通晶閘管這一過(guò)程約為上百微秒）。

高壓RSD的應(yīng)用在很大程度上依賴于其觸發(fā)開關(guān)的設(shè)計(jì)。傳統(tǒng)的觸發(fā)開關(guān)是半導(dǎo)體開關(guān)堆體，其串聯(lián)技術(shù)及觸發(fā)系統(tǒng)異常復(fù)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(fā)。該方案的觸發(fā)開關(guān)可以是單只功率半導(dǎo)體開關(guān)，從而降低了系統(tǒng)對(duì)觸發(fā)開關(guān)的要求，理論分析和實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明該方案是可行的。

2 RSD的結(jié)構(gòu)及工作原理

2.1 RSD器件結(jié)構(gòu)

圖1為RSD基本結(jié)構(gòu)及工作原理示意圖。它是一種包含數(shù)萬(wàn)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(cè)的n＋p發(fā)射極。當(dāng)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(jí)的速度開通數(shù)十至數(shù)百千安的大電流，磁開關(guān)隔離主回路和預(yù)充回路。

圖1 RSD基本結(jié)構(gòu)及工作原理示意圖Fig.1 Basic structure and schematic circuit of RSD

用預(yù)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(yù)充電荷量；dJ/dt為主電流密度上升率。

2.2 RSD開通機(jī)理

圖1中的開關(guān)S閉合，預(yù)充電壓φ2反向施加到RSD上，此時(shí)的主電壓被未飽和的磁開關(guān)隔離，晶體管的n+p低壓結(jié)被擊穿，在器件n基區(qū)內(nèi)形成一等離子層。磁開關(guān)飽和后，主電壓φ1加在RSD上，器件體內(nèi)的等離子層發(fā)生再分布，進(jìn)行電導(dǎo)調(diào)節(jié)，在n基區(qū)內(nèi)J2結(jié)附近形成一個(gè)可源源不斷提供等離子體的等離子庫(kù)，RSD實(shí)現(xiàn)全面積均勻?qū)?。RSD的直接式觸發(fā)，電路簡(jiǎn)單，所需器件少，且觸發(fā)效果好。但從圖1的工作原理圖來(lái)看，觸發(fā)開關(guān)S閉合前承載著主電壓和預(yù)充電壓之和，工作環(huán)境非常惡劣。故RSD的推廣應(yīng)用對(duì)觸發(fā)開關(guān)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(fā)。

3 實(shí)驗(yàn)原理

3.1 測(cè)試平臺(tái)原理

圖2為基于脈沖變壓器的RSD直接式觸發(fā)原理圖。Tr為可飽和的脈沖變壓器，L0為磁開關(guān)，C1為主放電電容，C2為隔離電容，C0為預(yù)充電容，RSD為主放電開關(guān)，Z為阻性負(fù)載。C1－L0―RSD－Z構(gòu)成主放電回路；Tr二次側(cè)－RSD－C2構(gòu)成RSD的預(yù)充回路；C0－Tr一次側(cè)－V構(gòu)成低壓觸發(fā)回路。該電路要求磁開關(guān)飽和前，觸發(fā)回路通過(guò)變壓器給RSD提供足夠的預(yù)充電荷，以保證其正常開通。工作原理：工作前Tr一次側(cè)復(fù)位，C1、C2及C0充電至一定電壓。觸發(fā)晶閘管V導(dǎo)通，變壓器磁心飽和前，C0通過(guò)Tr一次側(cè)放電，同時(shí)在Tr二次側(cè)感應(yīng)一電壓ΔU，此值高于C2充電電壓，此電壓差產(chǎn)生C2的充電電流，該電流反向流過(guò)RSD，對(duì)RSD進(jìn)行預(yù)充。經(jīng)過(guò)Δt1的時(shí)間延遲，預(yù)充結(jié)束，磁開關(guān)L0飽和，主電容C1通過(guò)RSD對(duì)負(fù)載放電，形成電流脈沖；再經(jīng)過(guò)Δt2的時(shí)間延遲，Tr磁心飽和，電容C2通過(guò)C2－RSD－Tr二次側(cè)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(yù)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(shè)計(jì)

該方案中脈沖變壓器的作用有三個(gè)：一是隔離主回路的高壓，降低觸發(fā)開關(guān)上的初始電壓；二是給RSD提供足夠的預(yù)充電荷，保證其正常開通；三是經(jīng)過(guò)一定的時(shí)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(jiǎn)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(wú)窮大；Rr為等效磁心損耗電阻。

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

對(duì)脈沖變壓器的精確計(jì)算是比較困難的。通常的做法是利用圖3的等效電路，先設(shè)定一些待求參數(shù)，利用相關(guān)軟件對(duì)這些參數(shù)進(jìn)行仿真，對(duì)其中較滿意的參數(shù)輔以實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，同時(shí)通過(guò)實(shí)驗(yàn)結(jié)果對(duì)電路參數(shù)進(jìn)行修正，直到得到滿意的電路參數(shù)。經(jīng)多次仿真、實(shí)驗(yàn)，并結(jié)合實(shí)驗(yàn)室條件，確定電路參數(shù)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(jīng)一定的時(shí)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(duì)其飽和特性進(jìn)行仿真，仿真結(jié)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(xiàn)一個(gè)較大的上升電流脈沖；同時(shí)一次電壓U出現(xiàn)較大的下降坡度，這些現(xiàn)象說(shuō)明變壓器在此時(shí)飽和。在放電電壓為350V下對(duì)其進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，波形示于圖5。U1對(duì)應(yīng)變壓器一次電壓，I1對(duì)應(yīng)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(chǎn)生，而是經(jīng)過(guò)約10μs的時(shí)間延遲后產(chǎn)生，這是因?yàn)樽儔浩髟?0μs內(nèi)未飽和，保持高感抗，只流過(guò)很小的漏電流；10μs后變壓器飽和，流過(guò)大電流。說(shuō)明變壓器飽和特性良好，電壓波形上有同樣的反映。實(shí)驗(yàn)結(jié)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(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析

利用上面的電路參數(shù)，對(duì)方案進(jìn)行試驗(yàn)驗(yàn)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(fā)開關(guān)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(cè)量采用比例為620A/V的管式分流器，示波器為泰克公司生產(chǎn)，型號(hào)為TDS2012，帶寬100MHz。

圖6和圖7為實(shí)驗(yàn)波形。圖6為RSD預(yù)充電流波形，圖7為主回路電流波形。圖6的波形顯示，預(yù)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(jù)式（1）計(jì)算觸發(fā)該RSD所需的臨界預(yù)充電荷量Qcr＝18μC/cm2，而由觸發(fā)回路經(jīng)變壓器實(shí)際提供給RSD的預(yù)充電荷量Q=72.2μC/cm2，可見該方案能夠滿足RSD的觸發(fā)要求。

圖6 RSD預(yù)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(yù)充電流波形的毛刺是觸發(fā)引起的干擾所致。圖7所示電流波形中的預(yù)充部分不是很清楚，是為測(cè)量主電流，示波器量程打得較大，故相對(duì)較小的預(yù)充電流不是很明顯。主電流波形出現(xiàn)振蕩，是因?yàn)橹麟娐吩O(shè)計(jì)為欠阻尼狀態(tài)。試驗(yàn)結(jié)束后，經(jīng)測(cè)量電容C2上僅有很小的殘余電壓，相對(duì)10kV的初始電壓，可以認(rèn)為C2上的電荷已通過(guò)飽和的變壓器泄放完畢。

5 結(jié)論

針對(duì)RSD應(yīng)用中的觸發(fā)問(wèn)題，本文通過(guò)仿真和試驗(yàn)研究了利用脈沖變壓器隔離高壓的RSD直接式觸發(fā)。理論分析和實(shí)驗(yàn)結(jié)果都表明：利用脈沖變壓器隔離高壓的方法降低了RSD觸發(fā)開關(guān)上的初始電壓，從而降低了對(duì)觸發(fā)開關(guān)的要求，該方案較容易實(shí)現(xiàn)高壓RSD的觸發(fā)；提供充足的預(yù)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(yù)充電荷，從而保證了其正常開通。變壓器是該觸發(fā)方案的關(guān)鍵，一方面提升一次電壓，實(shí)現(xiàn)對(duì)RSD的預(yù)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(yàn)結(jié)果說(shuō)明所設(shè)計(jì)變壓器具有很好的飽和特性。利用本文的電路拓?fù)浼跋鄳?yīng)的實(shí)驗(yàn)參數(shù)，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(yàn)完畢，經(jīng)測(cè)試堆體中各管芯特性基本無(wú)退化，證明了本方案的可行性。同時(shí)本研究也為更高電壓等級(jí)RSD的觸發(fā)提供了思路。

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