RSD的功率损耗特性分析与优化

低损耗对延长器件使用寿命有重要意义，并且也是提高器件工作于连续振荡发生方式时的频率极限的条件。RSD由于其特殊的结构和工作原理，能实现在全面积芯片均匀同步开通，残余电压在前沿只有很小的突升，准静态情况出现在几个微秒以内（对普通晶闸管这一过程约上百微秒），即RSD工作时总损耗很小，且开通损耗只占总损耗的很小一部分，这个特点使RSD可应用于重复频率高幅值的脉冲功率领域。

1.RSD功率损耗计算

开通电压是表征损耗的参数，一般包括PN结结压降、基区体压降与电极的欧姆接触压降几部分，其中结压降和欧姆接触压降相对体压降来说影响较小，而体压降又以掺杂浓度最低、宽度最大的N基区的影响最为显著。通过对预充和导通暂态过程的分析，已经得到了主要考虑N基区体压降的RSD开通电压表达式，现集中表示如下：

在预充过程中

在导通过程中

预充回路和主回路都满足如下方程：

采用四阶龙格-库塔方法将电流i和电压u_C离散化，则有

预充过程的初始条件为u_C（0）＝U₂，i（0）＝0。开通过程的初始条件为u_C（0）＝U₁、i（0）＝0以及。代入RSD参数，将式（4-15）～式（4-20）反复迭代计算的结果就是对实际电路的模拟。

RSD上电压U_RSD和通过RSD的电流I_RSD在对应时间点的乘积即为RSD的瞬时功率。依据对RSD开通过程的分析，其引起的功率损耗可分为预充过程的功率损耗和导通过程的功率损耗两部分。由于预充电流幅值较小，且内含的预充二极管在电导调制作用下通态压降很小，所以这部分损耗的影响是不显著的。导通损耗又可分为脉冲前沿的换流损耗和准静态损耗两部分。

当t_R≤t＜t₂时，反向波P_r返回，电导调制作用减弱，正向波P_f占据了反向波留下的空间，对电导率的调节作出贡献，P_r与P_f的作用相互抵消，可认为N基区电导率保持恒定，U_RSD随J_F（t）的增大而增大。RSD在此时间段完成开通瞬态过程，引起的损耗为开通时的换流损耗。当t≥t₂时，正向波P_f调节N基区电导率，特大注入的情况下，电导率急剧上升，使U_RSD总体呈下降趋势。RSD在此时间段处于导通状态，引起的损耗为通态损耗或称准静态损耗。可见当t＝t₂时刻，正向波P_f抵达P₁层瞬间，RSD上的正向压降有最大值U_Fmax。同等电流下，U_Fmax越小，则功率损耗越小。

2.结果与讨论

在实验室制作了直径为40mm的RSD芯片，选择其中7个组成堆体。器件的结构参数为N基区宽度W_N＝270μm，衬底电阻率ρ＝65Ω·cm。在测试平台上开通，主电压分别为4kV和6kV。其他电路参数如下：C₁＝600μF，L₁＝1.3μH，R₁＝0.113Ω，C₂＝1.18μF，L₂＝0.7μH，R₂＝0.08Ω，U₂＝1.5kV.这里脚标1对应主回路，脚标2对应预充回路。(www.xing528.com)

图4-13 仿真波形（1～4kV，2～6kV）

a）电流仿真波形 b）电压仿真波形 c）功率仿真波形

图4-13表示了RSD的电流、电压和功率的仿真波形。这里U_RSD和P_RSD的值是指堆体的，是单芯片平均值的7倍。图4-14a和b表示了电流和电压的实验波形。示波器为泰克TDS1012。电流通过罗氏线圈测量，比例系数为10900A／V。图4-14c和d表示了功率的实验波形，它是由电流和电压实验波形在对应时间点相乘得到的。

图4-14 实验波形，（1～4kV，2～6kV）

a）电流实验波形 b）电压实验波形 c）4kV功率实验波形 d）6kV功率实验波形

对比仿真和实验结果，电流波形在峰值、脉宽和上升率等方面都十分吻合，而对电压波形仿真值要小于实测值，这是由于实验中的电压测量装置的误差引起的。电压信号不是直接取自RSD芯片两端，而是记入了封装引线上的电压降。

对于U₁＝4kV的情况，通过计算得到在导通过程进行1.32μs后进入准静态，即t₂＝t_R＋1.32μs。预充时间设为2μs。在一个放电周期里，单芯片上的预充损耗为0.036J，换流损耗为0.039J，准静态损耗为16.471J，它们分别是RSD上总损耗的0.22％、0.24％和99.54％。一个周期中脉冲放电的总能量为4800J，损耗在RSD堆体上的能量占2.45％。这些结果表明RSD上总的损耗很小，且换流过程的动态损耗只占到其中很小一部分。因此，RSD是理想的脉冲功率开关，其工作频率可大幅提高。

图4-15表示了最大开通电压U_Fmax和一个周期中RSD上的能量损耗E与峰值电流I_m的关系。随着I_m的增加，U_Fmax和E都增加。当I_m从13.8kA增加到69.0kA，U_Fmax从15.7V增加到36.4V，E从6.0J增加到66.5J。图4-16表示了RSD上的功率最大值或（P_RSD）max与N基区宽度W_N和掺杂浓度N_d之间的关系。（P_RSD）_max随W_N的增加和N_d的减少而增加。上述结果与式（4-15）～式（4-18）描述的规律一致。当N_d＝1.0×10¹⁴cm^-3时，W_n从220μm增加至520μm，则（P_RSD）_max从277kW增加至993kW，所以为保持较低的功耗此条件下W_N通常小于320_μm。当W_N＝270μm时，N_d从5.0×10¹⁴cm^-3减少至2.0×10¹³cm^-3，则（P_RSD）_max从169kW增加至833kW，此条件下，N_d通常高于5.8×10¹³cm^-3（即电阻率低于80Ω·cm）。

图4-15 最大开通电压和能量损耗与电流峰值的关系

图4-16 功率最大值与N基区宽度和掺杂浓度的关系

a）不同N基区宽度 b）不同N基区掺杂浓度