RSD开通及其大电流特性分析

1.预充电荷与RSD等离子库模型

由对RSD工作机理的描述可知，预充过程中在N基区靠近P基区侧形成浓度很高的薄等离子层P₁，在外电压反向的瞬间，各晶体管单元的N基区中都存在着预充电荷Q_R（t＝t_R时单位面积的预充电荷量），这个电荷分布在等离子层P₁、p^＋层附近P₂和反向双极漂移波P_r的各处。当磁开关饱和、正向电流通过时，P₁和P_r中电子随电场发生再分布，同时晶闸管的P^＋发射区向N基区中注入空穴，这些都使P₂等离子层得到补充。与此同时，在外电场作用下，P₁层中空穴注入到P基区，并引起N^＋发射极的迎面电子注入。在此过程中，P₁层电荷Q₁发生变化。阴极侧等效晶体管的注入电流使Q₁得到补充，同时还有一个抽取电流将P₁中电荷抽往P₂，如图4-7所示。RSD导通过程中，为了不发生类似于普通晶闸管的局部化现象，获得大的导通电流，必须保证P₁层不被耗尽，使之与P基区的等离子体一起形成一个不会耗尽的等离子库，成为有效的电子源。

图4-7 等离子层P₁中电荷变化示意图

2.RSD开通条件的定量分析

注入电流和抽取电流动态地改变P₁层中电荷量Q₁，为保证Q₁不耗尽，首先在器件结构上要满足一定条件，使注入电流大于抽取电流。

注入电流是阴极等效N＋PN管的集电极电流。考虑P基区复合以及射极注入电子通过P基区的扩散延迟等因素的影响，由晶体管的电荷控制理论得到等效晶体管的共基极电流增益为

α₂＝τ_∗／ν_N

式中，τ_∗为集电极电流上升的时间常数；ν_N为通过P基区的电子扩散时间，即

ν_N＝W²_P／2D_N

τ_∗＝1／（ν_N^-1＋τ_N^-1）

式中，W_P为P基区宽度；D_N为P基区中电子的扩散系数；τ_N为P基区中电子的寿命。

分析表明，载流子是以漂移的方式通过N基区的，N基区中电流的组成成分与迁移率成正比，即J_N／J_P＝μ_N／μ_P，可知等效PNP管的共基极电流增益为

N基区中空穴电流由P＋发射极注入，而电子电流就是P₁层的抽取电流。抽取的电子电流等于N基区中的电子电流，即

式中，为P₁层的抽取电流，是由N^＋发射极向P基区注入并抵达P₁层边界的电子电流；为P^＋发射极注入电流。为保证P₁层的注入电流大于抽取电流，则需

注入电流是通过P₁的另一边界流入具有漂移输运区域的电子电流，它从N^＋发射极到P₁层要扩散通过P基区，因此相对正向脉冲电流J_F有一延迟时间ν_n，而抽取电流没有延迟。从图4-8a可看出，正向脉冲电流通过RSD之后，P₁层电荷量有一从减少到平衡再到增加的过程，为使P₁上的预充电荷量在RSD导通过程中不出现瞬间耗尽，Q₁必须超过一个最小值。如图4-8b所示，这个最小值就是当时刚好耗尽的P₁层预充电荷密度，将此临界值记做Q_cr。

预充阶段结束时P₁层的单位面积电荷量为

式中，Q_R为总预充电荷密度，。

图4-8 准二极管边界条件的推导

而在导通过程中，P₁层电子电荷的变化可描述为

的值可以通过阴极晶体管的集电极电流来计算，采用晶体管原理中的电荷控制理论获得其简化结果为

式中，Δt为由导通阶段开始的时间，Δt＝t-t_R。(www.xing528.com)

抽取电流值显然决定于等离子波P_f、P_r及集电极前薄层P₁之间电流J_F的瞬时成分。利用部分电子电导和空穴电导的计算可得

P₁层不耗尽的导通条件表示为

式中，t_min由式决定。

对式（4-13）积分，并代入式（4-10）～式（4-12）中，得到用临界预充电荷Q^c_R^r描述的RSD开通条件

式中，为正向电流初始阶段上升率。

3.实验及结果

图4-9所示为RSD开通特性的测试平台原理图，其中主回路电容额定电压为30kV。

由于RSD具有均匀开通的特点，峰值电流正比于芯片面积。大量的开通测试结果表明，对200kA级电流的测试可以利用同结构的小直径RSD万安级破坏性测试结果，由经验公式（4-14）计算得到同类结构的任意通流面积RSD脉冲大电流耐量。

图4-9 RSD开通特性的测试平台原理图

I_m＝KS／［f（t_p）^1／3］ （4-14）

式中，S为RSD芯片有效面积（cm²）；K为结构因子，反比于基区宽度确定的工作电压，2kV时K＝210；f为电流曲线因子，取值从方波曲线的1到正弦曲线的0.66；t_p为电流脉宽（s）。

图4-10是小直径的RSD峰值电流的实测值。样品为15个直径为20mm的RSD串联单元，在10.2kV的端电压下通过了19.9kA的单次脉冲电流，脉宽约为30μs，它已非常接近由式（4-14）计算得到的电流极限值，di／dt为2.2kA／μs。表4-3是各种规格尺寸的RSD脉冲大电流耐量的理论值。

图4-10 RSD的峰值电流测试波形

表4-3 RSD的峰值电流（理论值）

图4-11是不同预充电压下RSD的开通特性比较结果。样品为4个直径为38mm的RSD串联单元，主电容C₁＝21.4μF，预充电容C₂＝1.0μF，主回路电压固定为2000V，通过改变预充回路电压以改变预充电荷量来研究RSD开通特性。

实验发现，在一定范围内，预充电压越高，则开通过程中通态电压上升越小，开通越均匀。Q_R＜Q^c_R^r时，RSD开通过程中会出现P₁等离子体层的短时耗尽，导致N基区电导急剧下降，正向导通电压陡升。

图4-12是一预充不足的实例。正常情况下，RSD开通后的残压为几伏至几十伏，而图4-12中的导通电压出现一明显的尖峰，导致RSD一次开通后损坏。这是由预充通道的设计与相关工艺造成的。

图4-11 预充对开通特性的影响

图4-12 预充不足时的开通波形