基于新型絕緣柵觸發(fā)晶閘管的高功率準矩形脈沖源

陳 楠，陳萬軍，尚建蓉，劉 超，李青嶺，孫瑞澤，李肇基，張 波

(1.電子科技大學電子科學與工程學院，成都 610054；2.陸軍裝備部駐重慶地區(qū)軍事代表局駐成都地區(qū)第二軍事代表室，成都 610054)

1 引言

準矩形脈沖源是脈沖功率系統(tǒng)中一種典型的脈沖形成裝置，可產生高脈沖前沿和寬脈寬（微秒或毫秒級）的方波脈沖，廣泛應用于Marx 發(fā)生器、大功率固態(tài)調制源、激光激勵源等脈沖功率系統(tǒng)[1-4]。目前，準矩形脈沖源多采用的是傳統(tǒng)氣體/真空開關，具有開關體積大、質量大、壽命短和維護不便等缺點[5-6]，不利于系統(tǒng)向小型化和緊湊型方向發(fā)展。半導體固態(tài)開關具有壽命長、可靠性高和維護方便等優(yōu)勢，已成為新一代全固態(tài)、緊湊型和小型化準矩形脈沖源研究的熱點之一[7-9]。

在眾多的半導體開關中，單極型的功率MOSFET驅動簡單，但其導通電阻較大，不適合用于大功率脈沖應用[10-11]。雙極型的絕緣柵雙極型晶體管（Insulated Gate Bipolar Transistor，IGBT）可實現(xiàn)相對低的導通電阻，然而其電流飽和特性限制了器件的峰值電流（IP）和電流上升率（di/dt），使其在脈沖功率中應用受限[10,12]。傳統(tǒng)的可控硅整流器（Silicon Controlled Rectifier，SCR）或門極可關斷晶閘管（Gate Turn Off Thyristor，GTO）可處理103A 以上的浪涌電流，但其緩慢的導通過程限制了器件di/dt 能力（小于5 kA/μs）[13-14]。脈沖功率晶閘管針對脈沖功率應用特殊優(yōu)化了門極-陰極結構，可實現(xiàn)數十kA/μs 的di/dt[15]，但其電流控制模式需較大驅動功率和相對復雜的驅動方案，增加了開關體積和應用難度[16]。MOS 柵晶閘管（MOS Gate Thyristors,MGT）兼具MOS 驅動簡單和晶閘管大電流能力[17]，十分適合替代脈沖功率晶閘管。然而，常規(guī)MGT 主要用于功率電子領域，其設計多關注器件關斷特性[18]，在一定程度上限制了器件實現(xiàn)快速開啟和高脈沖性能。

本文提出了一種基于新型絕緣柵觸發(fā)晶閘管（Insulated Gate Trigger Thyristor,IGTT）的高功率準矩形脈沖源，該準矩形脈沖源采用針對脈沖功率系統(tǒng)應用特殊需求設計的IGTT 作為開關器件，可以滿足系統(tǒng)的快速開啟和高脈沖特性的要求。

2 準矩形脈沖形成理論

準矩形脈沖形成網絡（Pulse Forming Network,PFN）系統(tǒng)見圖1（a），充電系統(tǒng)（Charging System）負責對脈沖形成網絡主體進行充電。PFN 主體能量通過脈沖功率開關（Pulse Power Switch, PPS）形成準矩形脈沖電流釋放到負載。脈沖功率開關性能直接決定準矩形脈沖輸出波形特性。下文將基于準矩形脈沖形成理論，分析準矩形脈沖形成對脈沖功率開關的性能需求。

圖1 準矩形脈沖形成網絡系統(tǒng)

基于LC 傳輸網絡結構，設有n 節(jié)LC 網絡，每節(jié)網絡中電容和電感均相同，將脈沖功率開關模型簡化為理想開關（Si）與等效電阻Rs。初始狀態(tài)下，儲能電容兩端電壓均為U0，流過電感的初始電流均為0。當將LC 網絡部分看做整體，有Ig(R0+Rs)=U0，零負載條件下，脈沖峰值電流IP可表示為：

式（1）給出了準矩形脈沖波峰值電流IP與開關電阻的關系。接下來對準矩形脈沖電流上升率di/dt 進行理論分析。在準矩形波脈沖前沿階段（如10%IP～50%IP），準矩形脈沖輸出波形及首節(jié)LC 網絡輸出波形如圖2 所示，其中，C0=6.6 μF，L0=940 nH，首節(jié)電容C1=0.66 μF，首節(jié)電感L1=94 nH，U0=1200 V。

圖2 準矩形脈沖輸出波形及首節(jié)LC 網絡輸出波形

因此，在分析準矩形脈沖電流上升率di/dt 時僅考慮首節(jié)LC 網絡放電電流。將首節(jié)LC 網絡與開關電阻等效為RLC 放電回路[21]，其回路內部各節(jié)點電流電壓根據基爾霍夫電流-電壓定律可以表示為：

根據初始狀態(tài)對式（2）進行求解，獲得首節(jié)LC 脈沖電流表達式i1：

因此準矩形脈沖峰值電流IP與電流上升率di/dt 可表示為：

根據式（5），脈沖功率開關電阻Rs可直接影響脈沖峰值電流和di/dt。圖3 展示了脈沖峰值電流與di/dt 和開關電阻的關系，計算中，C0為6.6 μF，L0為940 nH，首節(jié)電容C1為0.66 μF，首節(jié)電感L1為94 nH。由圖3 可知，隨著開關電阻Rs的減小，di/dt 和IP逐漸增大。當Rs小于LC 網絡特征電阻R0時，di/dt 和IP受Rs的影響開始減弱；當Rs小于0.1R0時，di/dt 和IP幾乎不隨Rs變化而變化。這就要求開關需具備盡可能低的導通電阻，且開關導通電阻Rs應盡量小于0.1R0。

圖3 不同開關電阻Rs下脈沖峰值電流和di/dt 理論計算結果

除了開關導通電阻的影響之外，開關電阻變化率dR/dt 對脈沖電流上升率di/dt 也具有不可忽略的影響。圖4 給出了不同電阻變化率下PFN 電路與對應RLC 模型的仿真波形對比，R1表示數值恒定為10 mΩ的等效輸出電阻，R2～R4分別表示不同電阻變化率dR/dt（變化范圍為5 MΩ～10 mΩ）的等效輸出電阻，其電阻變化率數值依次減小，即dR2/dt＞dR3/dt＞dR4/dt。從圖4 中可以看出在脈沖上升沿（10%～50%部分），PFN電路產生脈沖波形與式（5）所得RLC 近似脈沖波形具有高度一致性；阻抗變化率dR/dt 對脈沖電流上升率di/dt 具有明顯影響，dR/dt 值越大，則脈沖前沿的di/dt值越大。這也表明要得到上升沿陡峭度高、即脈沖前沿的di/dt 值大的脈沖輸出，需要器件的dR/dt 值盡可能大，也即是要求器件除了具有極低的導通電阻外，開啟速度也需要盡可能快，才能同時滿足峰值電流和電流上升率的要求。

圖4 PFN 電路仿真與RLC 模型仿真波形的比較結果

除了脈沖電流峰值和di/dt 以外，衡量準矩形脈沖輸出優(yōu)劣的另一個重要參數是平頂紋波系數ζ[22]，ζ 是指平頂脈沖電流大于（或小于）平頂幅值IAmp的值與平頂幅值IAmp的比值，其中Imin代表脈沖平頂處最小波谷值，Imax代表脈沖平頂處最大波峰值。ζ 的定義表達式為：

平頂紋波系數是衡量準矩形脈沖平頂特性最重要的參數，平頂紋波系數越小，其脈沖輸出平頂性越高，脈沖源性能越好。目前常用的改善準矩形脈沖平頂紋波系數的方法有：匹配LC 網絡參數的逼近優(yōu)化算法和等值LC 網絡的級數增加法?？紤]到實際可操作性，本文主要采用等值LC 網絡的級數增加法，通過增加LC 網絡的級數來減小每級儲能電容產生脈沖電流峰值的時間間隔，同時結合仿真結果對各級電感值進行修正，以達到降低平頂紋波系數的目的。針對LC 網絡級數和各級電感值的仿真優(yōu)化結果如圖5 所示，仿真中，均保持C0為6.6 μF，L0為940 nH。

圖5 LC 網絡級數和電感值優(yōu)化仿真結果

從圖5 中可以看出，增大PFN 網絡級數可以明顯增大電流上升率di/dt，同時對平頂紋波系數有一定的改善。值得注意的是，脈沖平頂部分的最大波峰與最小波谷均出現(xiàn)在脈沖波形的過沖部分。通過對首節(jié)電感值進行修正，適當增大首節(jié)電感，并降低次級電感值（保持總電感不變），得到修正后的結果。通過電感值的修正，準矩形波的平頂紋波系數大幅減小，僅為1.13%，輸出平頂特性得到大幅提升。

3 IGTT 結構與特性

如第2 節(jié)理論分析，實現(xiàn)高脈沖矩形波的關鍵在于脈沖功率開關具備快速開啟能力與極低的導通電阻。本團隊前期開發(fā)的一種特殊設計的IGTT[23]如圖6（a）所示，該結構在傳統(tǒng)NPT 型絕緣柵晶閘管的基礎上增加了N 型電場截止層（N-FS），同時采用高效注入陽極（High Efficiency Injection Anode，HEA）結構，實現(xiàn)高耐壓的同時減小器件漂移區(qū)長度，提高陽極注入效率，從而進一步降低了器件導通電阻，提高了器件開啟速度，因此非常適用于高功率準矩形脈沖源。IGTT與IGBT 導通特性對比如圖6（b）所示，在前期小電流導通階段，IGTT 特性與IGBT 導通特性類似，溝道電子電流（Imos）作為PNP 晶體管的基極電流驅動空穴電流（IH）從P+陽極注入N-drift，再經P-阱（P-well）收集進入陰極；隨著陽極電壓（VA）的增加，陽極電流（IA）增加，IGTT 上方的NPN 晶體管開啟。此時，陽極注入的空穴電流（IH）作為NPN 晶體管基極電流驅動電子電流（IE）直接越過N-well/P-well 形成的PN 結勢壘作為PNP 晶體管基極電流。電子電流IH與空穴電流IE形成可再生正反饋機制，為器件提供幾乎無限的電子與空穴用于電導調制，器件獲得極低的導通電阻，實現(xiàn)極高的di/dt 特性。而IGBT 受限于有限的MOS 溝道提供電子能力進入電流飽和階段，限制器件電導調制程度，影響器件的脈沖性能。

圖6 絕緣柵觸發(fā)晶閘管結構與導通機理

圖7 展示了在相同電路條件下，IGTT 與IGBT 準矩形脈沖仿真結果，C0為6.6 μF，L0為940 nH，U0為200 V。從圖7 中可以看出，在工作電壓200 V 的條件下，IGTT 的IP和di/dt 均是IGBT 器件的2 倍以上，這也說明IGTT 器件在準矩形脈沖上的應用具有IGBT無法媲美的優(yōu)勢。

圖7 IGTT 與IGBT 準矩形脈沖仿真結果

4 實驗結果與討論

形脈沖形成系統(tǒng)實物圖。IGTT 器件作為LC 傳輸網絡部分的開關，驅動部分為IGTT 器件提供驅動信號。LC 傳輸網絡由10 節(jié)儲能電容構成，單節(jié)儲能電容容值大小為0.66 μF，電容間電感為扁平金屬銅條/鋁條，單節(jié)金屬鋁條/銅條電感約為90 nH。初始時刻，無柵極觸發(fā)信號，IGTT 處于阻斷狀態(tài)，充電系統(tǒng)將儲能電容的電壓值提升至U0。當柵極觸發(fā)信號到來，IGTT開啟，LC 傳輸網絡儲存能量經IGTT 開關產生準矩形脈沖電流，直至儲能系統(tǒng)能量耗盡。本文還以IGBT 作為脈沖功率開關，作為IGTT 試驗對比組?；贗GTT與IGBT 產生的準矩形脈沖波形如圖9 所示?？梢钥闯?，IGBT 產生的IP約為0.2 kA，di/dt 約為0.1 kA/μs，且脈沖電流上升部分存在波動以及平頂出現(xiàn)明顯紋波。這是由于IGBT 的MOS 溝道提供電子的能力有限從而產生電流飽和，限制了器件導通電阻降低。得益于可再生正反饋晶閘管工作模式，IGTT 可實現(xiàn)極低的導通電阻，其脈沖峰值電流達到0.3 kA，di/dt 為0.5 kA/μs，且具有較好的平頂特性。相較于常規(guī)IGBT，本文所提出的IGTT 峰值電流提升50%、di/dt提升400%，從實驗上證明了本文選用的IGTT 器件十分適合用于準矩形脈沖形成。

圖8 基于IGTT 準矩形脈沖形成系統(tǒng)

圖9 基于IGTT 與IGBT 產生的準矩形脈沖波形（U0=200 V）

在更高的工作電壓下，本文所提出的準矩形脈沖功率源可實現(xiàn)更高脈沖峰值電流與di/dt，不同U0下基于IGTT 產生的準矩形脈沖波形如圖10 所示。當工作電壓U0=400 V 時，基于IGTT 產生的脈沖峰值電流為1.2 kA，di/dt 為2.9 kA/μs，ζ 僅為5.3%；隨著工作電壓的增加，LC 網絡儲能增加，所產生的準矩形脈沖電流峰值和di/dt 也隨之增大，不同工作電壓下的脈沖輸出特性參數如表1 所示。當U0=1200 V 時，本款脈沖源實現(xiàn)了3.7 kA 的峰值電流和11.2 kA/μs 的di/dt，同時，其平頂紋波系數僅為2.3%，脈沖平頂特性較好。

圖10 不同U0 下基于IGTT 產生的準矩形脈沖波形

表1 基于IGTT 的準矩形脈沖電流參數

5 結論

本文提出了一種基于新型IGTT 器件的高功率準矩形脈沖源。通過對PFN 網絡的理論和仿真分析，指出了開關器件對于準矩形脈沖源性能的重要影響，同時闡明了選擇開關器件的要求，并采用一種針對脈沖功率應用而特殊設計的IGTT 器件實現(xiàn)了高功率準矩形脈沖源的設計和優(yōu)化。實驗結果表明，在相同電路條件下，本款基于IGTT 的脈沖源相較于基于IGBT的設計，其峰值電流提升了50%、di/dt 提升了400%。在1200 V 的工作電壓下，PFN 電路產生了脈沖前沿約為350 ns、平頂寬度為3.05 μs、電流峰值為3.7 kA、前沿di/dt 為11.2 kA/μs、平頂系數僅為2.3%的準矩形脈沖電流，具有較好的準矩形脈沖輸出性能。