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基于反向开关晶体管的脉冲电源在电磁发射中的应用

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兵工学报 2017年第4期38卷 658-663页

作者：张亚舟李贞晓田慧李海元栗保明南京理工大学瞬态物理国家重点实验室江苏南京210094

为了进行电磁轨道炮发射机理研究,研制了一套基于反向导通双晶复合晶体管(RSD)全固态开关的电容储能型脉冲功率电源。RSD开关采用可控等离子体换流技术,具有全面积均匀同步导通、开通损耗小、功率大、换流效率高、寿命长的特点。电源系... 详细信息

为了进行电磁轨道炮发射机理研究,研制了一套基于反向导通双晶复合晶体管(RSD)全固态开关的电容储能型脉冲功率电源。RSD开关采用可控等离子体换流技术,具有全面积均匀同步导通、开通损耗小、功率大、换流效率高、寿命长的特点。电源系统由16个64 k J储能模块并联组成,采用一体化紧凑设计,内嵌充电、控制、保护与测量功能。系统额定电压18 k V、总储能1 MJ,可通过时序控制对放电波形进行调节,短路同步放电峰值可达960 k A.系统在20 mm口径电磁轨道炮上进行了多次发射试验,结果表明脉冲电源系统可靠性高,一致性好,输出波形灵活可调,满足轨道炮超高速发射研究的需要。

关键词：兵器科学与技术电磁发射脉冲功率电源反向开关晶体管

反向开关晶体管RSD硅基结构优化与碳化硅基模型研究

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反向开关晶体管RSD硅基结构优化与碳化硅基模型研究

作者：刘程华中科技大学

学位级别：硕士

现代脉冲功率技术的发展越来越要求较高的运行频率,来满足其在国防、工业、医疗及环保领域的应用。作为系统中关键技术的开关器件,就更加注重低损耗、大功率、高重复频率和长寿命等器件特性。相比于其他器件,反向开关晶体管(Reversely S... 详细信息

现代脉冲功率技术的发展越来越要求较高的运行频率,来满足其在国防、工业、医疗及环保领域的应用。作为系统中关键技术的开关器件,就更加注重低损耗、大功率、高重复频率和长寿命等器件特性。相比于其他器件,反向开关晶体管(Reversely Switched Dynistor,简称RSD)因采用可控等离子体层换流开通原理而具有均压特性好、通流能力强和较高电流上升率等性能,能较好满足脉冲功率技术对功率开关器件的要求。基于RSD的等离子体双极漂移模型得到的开通电压表达式,可以看出RSD开通时具有较高电压峰值,对脉冲功率系统是不利的。文章分别从Si RSD结构优化和采用新材料(4H-SiC)制作器件两个方面着手,研究如何降低系统中RSD器件的开通损耗。研究单只Si RSD器件的开通电压与阻断电压关系时,实验电路中选取耐压为0.8kV RSD器件和耐压为2.5kV RSD器件进行对比实验,结果表明在相同电压放电下前者最大开通电压显著低于后者。同时,向RSD引入缓冲层来优化器件结构参数进而改善器件的开关特性。采用正交试验设计的方法来评估不同参数缓冲层结构,并选出最优组合。实验对比了耐压2.5kV RSD,结果表明同等条件下带缓冲层结构的开通损耗比传统结构降低了18.96%。在新结构优化特性的基础上,尝试从更基础的新材料进行优化。首次提出采用第三代宽禁带半导体材料Si C代替Si制作RSD器件,并建立数值模型进行具体的仿真研究。采用4H-SiC材料各物理量经验参数值,考虑大注入条件下的典型物理效应,并结合外电路模型对SiC RSD的断态和通态特性进行模拟仿真。仿真数据表明在同等高阻断电压下,Si C RSD比Si RSD具有更好的开通特性。

关键词：脉冲功率反向开关晶体管缓冲层碳化硅数值模型

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两步式放电改善反向开关晶体管开通特性研究

物理学报 2012年第5期61卷 499-505页

作者：洪武梁琳余岳辉华中科技大学电子科学与技术系武汉430074

针对大功率半导体开关反向开关晶体管(RSD)由于预充不足造成的非均匀开通缺陷,在直接预充放电工作电路的基础上,设计了一种两步式放电工作电路.根据RSD结构特点理论分析了正常开通所需条件,并对器件元胞结构进行建模分析,模型仿真结果表... 详细信息

针对大功率半导体开关反向开关晶体管(RSD)由于预充不足造成的非均匀开通缺陷,在直接预充放电工作电路的基础上,设计了一种两步式放电工作电路.根据RSD结构特点理论分析了正常开通所需条件,并对器件元胞结构进行建模分析,模型仿真结果表明RSD在窄脉宽预充电流作用下具有更佳的开通性能,降低了预充阶段基区载流子复合.两步式放电实验发现第一步放电电流幅值、脉宽对于两步式放电电路的正常工作起决定作用,而反向预充电流主要作用于RSD第一步放电的正常开通,降低了预充电路设计难度.仿真及实验结果均表明两步式放电电路较直接式预充放电电路提高了RSD的均匀开通性能,这是由于两步式放电显著提高了基区等离子体积累.

关键词：反向开关晶体管半导体开关两步式放电均匀开通

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反向开关晶体管结构优化与特性测试

强激光与粒子束 2012年第4期24卷 876-880页

作者：梁琳余亮吴拥军余岳辉华中科技大学电子科学与技术系武汉430074 湖北台基半导体股份有限公司湖北襄阳441021

对半导体脉冲功率开关反向开关晶体管(RSD)的结构进行了优化,在RSD中引入缓冲层,建立器件数值模型并作仿真分析,结果表明:缓冲层结构起到了截止电场的作用,使得器件基区得以减薄,较传统结构RSD阻断电压升高而开通电压降低。针对RSD的特... 详细信息

对半导体脉冲功率开关反向开关晶体管(RSD)的结构进行了优化,在RSD中引入缓冲层,建立器件数值模型并作仿真分析,结果表明:缓冲层结构起到了截止电场的作用,使得器件基区得以减薄,较传统结构RSD阻断电压升高而开通电压降低。针对RSD的特殊工作方式,提出了RSD开通电压、关断时间等关键参数的测试方案并进行了实验测量。进行了RSD大电流开通试验,直径7.6cm的堆体在12kV主电压下成功通过峰值电流173kA,传输电荷32C。

关键词：反向开关晶体管脉冲功率开关缓冲层开通电压关断时间

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基于RSD开关的脉冲放电试验研究

高电压技术 2008年第11期34卷 2433-2439页

作者：雷民马亮戴玲梁琳彭亚斌华中科技大学武汉430074 国网电力科学研究院武汉430074

为了研究反向导通双晶复合晶体管(RSD)开关在大电流脉冲放电领域中的应用,介绍了RSD的结构和工作原理;通过RSD导通机理和不同触发回路性能的分析,建立了基于RSD的脉冲放电试验回路;通过选取适当的回路参数得到了峰值为120.5kA、脉宽为24... 详细信息

为了研究反向导通双晶复合晶体管(RSD)开关在大电流脉冲放电领域中的应用,介绍了RSD的结构和工作原理;通过RSD导通机理和不同触发回路性能的分析,建立了基于RSD的脉冲放电试验回路;通过选取适当的回路参数得到了峰值为120.5kA、脉宽为240μs的脉冲放电电流。最后针对大功率脉冲应用条件指出了RSD在大电流脉冲放电应用中需要克服的触发回路设计及续流问题。

关键词：反向开关晶体管脉冲大电流放电回路峰值脉宽设计关键

RSD固态脉冲电源中的罗氏线圈电流检测技术

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强激光与粒子束 2009年第11期21卷 1755-1760页

作者：王德玉王宝诚邬伟扬燕山大学电力电子节能与传动控制河北省重点实验室河北秦皇岛066004

介绍了基于高速大功率反向开关晶体管(RSD)的磁压缩固态脉冲电源试验平台,就RSD状态电流及磁压缩脉冲电流的波形特征对检测环节高需求的问题,研究了罗氏(Rogowski)线圈传感头的频率特性,在对比已有传感头信号处理方法的基础上,给出了一... 详细信息

介绍了基于高速大功率反向开关晶体管(RSD)的磁压缩固态脉冲电源试验平台,就RSD状态电流及磁压缩脉冲电流的波形特征对检测环节高需求的问题,研究了罗氏(Rogowski)线圈传感头的频率特性,在对比已有传感头信号处理方法的基础上,给出了一种新型结构的自积分与外积分复合式罗氏线圈的设计过程和参数选取方法,在保证传感器具有1 mV/A灵敏度的前提下,将传感器的工作频带从低频拓宽到线圈的自然角频率。给出了二级磁压缩网络放电的负载电流实验波形及RSD开关的触发、导通电流波形,验证了该罗氏线圈传感器能够满足本固态脉冲电源中的RSD开关状态电流高精度检测和负载电流的高频检测要求。

关键词：磁压缩固态脉冲电源反向开关晶体管罗氏线圈复合积分器阻尼测量带宽

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RSD二维数值模拟与预充过程分析

电工技术学报 2012年第3期27卷 147-152页

作者：余岳辉冯仁伟梁琳华中科技大学电子科学与技术系武汉430074

为了加深对反向开关晶体管(RSD)器件原理的认识,本文基于半导体物理基本方程,在二维元胞单元上利用有限差分的方法建立了RSD器件的数值模型。模型考虑了载流子间散射、SRH和俄歇复合、碰撞电离等物理效应。采用实验电路提取的参数建立了... 详细信息

为了加深对反向开关晶体管(RSD)器件原理的认识,本文基于半导体物理基本方程,在二维元胞单元上利用有限差分的方法建立了RSD器件的数值模型。模型考虑了载流子间散射、SRH和俄歇复合、碰撞电离等物理效应。采用实验电路提取的参数建立了RSD谐振预充触发电路的外电路模型。联合器件模型方程组和谐振触发外电路模型方程,利用Matlab语言采用Runge-Kutta和牛顿迭代的方法求解并获得了器件瞬态载流子分布和电压电流波形。本文在对比实验结果的基础上,解释并说明了模型的有效性和误差的产生原因。基于载流子和电流分布变化数据,详细分析了RSD预充过程。发现了预充过程中存在的强烈俄歇复合现象和电流抽取现象将导致预充电流注入的等离子体大量减少,因此不宜直接采用电流时间积分值计算预充电荷总量。

关键词：反向开关晶体管数值模拟载流子分布预充过程

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大功率超高速半导体开关的换流特性研究

中国电机工程学报 2007年第30期27卷 38-42页

作者：余岳辉梁琳颜家圣彭亚斌华中科技大学电子科学与技术系湖北省武汉市430074 襄樊台基半导体有限公司湖北省襄樊市441021

研究了一种应用于激光驱动源的大功率超高速半导体开关反向开关晶体管(RSD)的新结构,以实现μs、ns脉宽、MW以上的高重复率脉冲的产生和控制。RSD具有大面积快速均匀开通、可无限串联、功率大、换流效率高、寿命长的特点。利用单次脉冲... 详细信息

研究了一种应用于激光驱动源的大功率超高速半导体开关反向开关晶体管(RSD)的新结构,以实现μs、ns脉宽、MW以上的高重复率脉冲的产生和控制。RSD具有大面积快速均匀开通、可无限串联、功率大、换流效率高、寿命长的特点。利用单次脉冲试验平台研究了RSD的开通机理及高密度能量转换、允许通过的峰值电流、开通条件与预充、准静态损耗及其di/dt等多项特性。根据经验公式,对小直径RSD做极限电流试验,φ20mm的RSD堆体通过了19.9kA脉冲电流(脉宽30μs)。通过减小主回路电感考核了RSD的高di/dt耐量特性,放电电压3kV时得到di/dt接近8kA/μs。

关键词：大功率开关反向开关晶体管开通特性脉冲 di/dt

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基于RSD的脉冲放电系统主回路仿真与试验

电工技术学报 2007年第8期22卷 63-67页

作者：梁琳余岳辉彭亚斌王玉彬华中科技大学电子科学与技术系武汉430074

研究了基于RSD开关的脉冲放电主回路,应用ATPDraw软件仿真了不同主电容、主电压、负载电阻条件下的输出电流波形,并在测试平台上进行了相应的开通试验。试验研究了不同叠片片数和不同主电压下磁开关的输出电压波形,为其配合RSD使用、保... 详细信息

研究了基于RSD开关的脉冲放电主回路,应用ATPDraw软件仿真了不同主电容、主电压、负载电阻条件下的输出电流波形,并在测试平台上进行了相应的开通试验。试验研究了不同叠片片数和不同主电压下磁开关的输出电压波形,为其配合RSD使用、保证合适延迟时间提供了依据。进行了直径40mm的RSD管芯极限通流试验,200μs脉宽下获得峰值电流42kA,与经验公式吻合。计算和试验结果都反映了RSD开通电压随峰值电流增大而增大的趋势。

关键词：反向开关晶体管脉冲功率磁开关主回路