RSD的关断特性及优化建议

基于可控等离子层原理开通的RSD，由于其特殊的开通机制，可实现芯片全面积均匀同步导通；而对于RSD的关断特性，则基本与相控晶闸管相似。在重复频率的脉冲功率应用中，开关的关断特性是至关重要的，其关断时间直接决定了可以获得的最高重复频率。由于RSD是二端器件，没有门极，工作电路特殊，无法如常规器件（如功率二极管、晶闸管等）去测量其恢复时间，所以按照RSD脉冲放电的工作方式，提出一种RSD关断时间的检测方法，设计并搭建了相应的实验电路，测得了关断时间。

1.RSD开关关断时间检测电路的设计

RSD导通后，体内存储了大量非平衡少数载流子，这些非平衡少数载流子需要一定的时间才能复合完毕，使RSD重新恢复正向阻断能力。让RSD正常放电一次后，经过一段可调的延迟时间，再将一定的正向电压作用于RSD上，根据RSD是否能通过电流来判断其是否关断：如果RSD已关断，则空间电荷区得以重新建立，阻断了再次施加的正向电压；如果RSD未关断，则其仍能导通电流，加不上电压。以上即为RSD关断时间的检测原理。

（1）主回路优化设计 图4-17a所示为一般的RSD脉冲放电主回路，其中C₁为主电容，MS₁为可饱和磁开关，R₁为负载电阻，根据电路参数不同可分为过阻尼、欠阻尼和临界阻尼3种放电情况。对于关断检测而言，要求主电流不能有反向振荡，否则会对RSD形成第二次预充，无法测得准确的关断时间；但如果采用过阻尼电路，则主电流从峰值下降到零会经历较长的时间（即拖尾时间很长），这样会使非平衡载流子已经复合了一部分，也会影响对RSD本身关断特性的判断。所以，为满足关断检测的要求，应设计下降沿陡峭、又不会出现反峰的主回路。

图4-17 RSD主回路优化设计

a）一般的RSD脉冲放电主回路 b）为检测关断时间而改进的主回路

图4-17b所示为改进后的主回路，在主电容上并联了二极管VD_f和电阻R_f，起到续流的作用。将主回路参数设计为欠阻尼，当C₁上电压下降为零时，回路电流达到峰值，C₁开始反向充电，电流同时开始流过VD_f-R_f支路；当RSD中电流减为零时，C₁中存储的能量在MS₁反向饱和之前通过VD_f-R_f支路耗散完毕，RSD不会流过反向电流。R_f的值是重要的：R_f太大，则使VD_f-R_f支路通过的电流小，C₁支路通过的电流大，使得的C₁能量能让MS₁反向饱和，从而RSD流过反向电流；R_f太小，则使电流大部分流过VD_f-R_f支路，电流下降时间长。经过仿真优化，确定C₁取10μF时，R₁取0.2Ω，R_f取0.6Ω。

（2）谐振预充回路 RSD的预充方式一般有直接式和谐振式两种。直接式预充的缺点是预充回路开关在初始阶段需要阻断主电容和预充电容充电电压之和的高压，并且需要对预充电容单独供电，提供额外的功率源。谐振式预充的预充电容与主电容共用供电装置，它们被充至相同的工作电压，预充回路开关能够阻断此电压即可。在RSD关断检测中，选择了谐振式预充方式，电路如图4-18所示。C₂为预充电容，V为预充回路开关，可以是晶体管、晶闸管或IGBT等，此处实验中采用了晶闸管，MS₂是为了保护T₂引入的磁开关，R₂的作用是增加谐振回路与主回路之间的阻抗，减少主回路能量通过谐振回路耗散，二极管VD₂可以防止预充完毕后谐振回路振荡电流对主回路的影响。

图4-18 RSD谐振预充电路图

在V闭合之后，电流流过MS₂-V回路。因为这个回路的能量损耗很低，C₂上下极板电荷极性交换后为RSD提供了反向电压。在C₂电荷极性交换过程结束时，V开始处于反向阻断状态，C₂反向放电过程开始在RSD和低阻抗的R₂间进行，这就形成了RSD的预充电流。

预充回路要使RSD在预充阶段积累足够的电荷量，以保证其均匀导通。RSD的临界预充电荷量除与器件结构参数有关外，主要受主电流上升率影响。根据主回路参数和RSD工作电压的范围，取C₂为0.25μF，R₂为0.2Ω。

（3）单片机控制的延时电路 RSD的关断时间在几十至上百微秒量级，要求关断检测平台中至少能提供微秒级精度的可控延时电路，这里采用了SST89E564单片机，延时控制电路如图4-19所示。单片机可以在11.0592MHz的晶振条件下利用定时中断提供约为1.1μs精度的可控定时。电路采用P1口输出触发延迟时间到4个并联的LED显示。P2.0、P2.1和P2.0接受按键信号，分别执行延迟时间减少、增加和关断检测触发。关断检测触发过程首先由P2.6输出一个下跳变脉冲信号，此信号为谐振预充晶闸管V的触发控制信号，然后单片机利用内部定时器中断定时延迟一段时间，延迟到达后触发中断，单片机P2.7给出一个下跳变脉冲，此信号为关断检测回路开关的触发控制信号。

图4-19 单片机延时控制电路图(www.xing528.com)

（4）关断时间检测平台的建立 关断时间检测回路的开关仍然采用了晶闸管，即图4-20中V₁。磁开关MS₀起到保护V₁的作用，二极管VD₀是为了给电容C₀充电而引入，由于关断检测不需要再让RSD通过大电流，所以电阻R₀取值较大，为2Ω，C₀为1μF。基于上述基础，搭建了RSD的关断时间检测平台，电路如图4-20所示，整个系统可分为主回路、预充回路、关断时间检测回路、充电回路和晶闸管延时触发电路。电容C₀、C₁和C₂共用一套充电装置，充电电流对MS₀和MS₁起的是复位作用，不会影响磁开关工作时的延迟时间。

图4-20 RSD关断时间检测平台电路图

2.实验结果与讨论

为了检测N基区少子寿命对RSD关断时间的影响，特选用了两组RSD管芯进行对比实验，其中1号RSD的N基区少子寿命为7.6μs，2号为11.6μs，两组RSD的原始单晶电阻率和N基区宽度都相同。在1500V电压下进行检测实验，电压测量采用泰克公司P6015A高压探头，测量从RSD阳极到地之间的电压，电流测量采用内阻为1.6424mΩ的管式分流器，测量RSD支路电流。

图4-21 1号RSD临界关断时的电流电压波形，U＝1500V

a）延迟时间117μs b）延迟时间118μs

1号RSD临界关断时的电流电压波形如图4-21所示，图4-21a和图4-21b分别表示单片机延迟时间设置为117μs和118μs的情况，可以看到两波形具有明显区别。对于图4-21a，关断检测支路的晶闸管触发后，RSD两端电压有小幅上升，达到280V的峰值时，RSD上开始通过电流，电压降落，说明RSD仍处于导通状态，没有关断；对于图4-21b，关断检测支路的晶闸管触发后，RSD两端电压上冲到1079V，然后降落，最后有100V的稳定残压，始终没有电流流过RSD，说明此时RSD已关断，C₀的放电电流给C₁和C₂充电，由于RSD和V₂都已关断，没有回路耗散能量，所以最后电压稳定在100V。定义对于RSD恰好关断的波形，从RSD放电电流回零的时刻起，到RSD两端电压开始再次上升的时刻止，为RSD的关断时间，则1号RSD在1500V电压下关断时间为97.3μs。图4-22表示了2号RSD临界关断时的电流电压波形，对其的分析与1号RSD类似。当延迟时间设为134μs时，关断检测晶闸管触发时RSD导通，可观察到的电流较小，但电压波形显示最后无残压，说明C₀上的电荷是通过RSD泄放了。延迟时间设为135μs时RSD恰好关断，读得关断时间为115.4μs。此实验结果表明N基区的少子寿命对RSD关断时间的影响是显著的，少子寿命越长，复合越慢，关断时间越长，关断速度越慢。

图4-22 2号RSD临界关断时的电流电压波形，U＝1500V

a）延迟时间134μs b）延迟时间135μs

为了检测放电电压对RSD关断时间的影响，对两组RSD又分别在1600V、1700V、1800V和1900V几个电压等级进行了关断检测实验，测得1号RSD的关断时间分别为100.4μs、102.6μs、106.9μs、110.1μs，2号RSD的关断时间分别为117.1μs、119.1μs、119.3μs、121.6μs。关断时间随放电电压升高而增加，这主要是因为电压升高使主电流增大，产生了更多的非平衡载流子，需要更长的复合时间；并且关断检测时施加的电压越高，也会更容易让RSD导通，从而需要更长的恢复时间。图4-23将实验数据描点作图，通过拟合曲线发现至少在这个电压范围内，关断时间随放电电压的变化规律呈现了良好的线性。

图4-23 RSD关断时间随放电电压变化的实验结果