尚 超 劉云龍 董義華 張雪原 張玉芝

百兆瓦級反向開關晶體管脈沖功率組件及其水下脈沖放電研究

尚 超 劉云龍 董義華 張雪原 張玉芝

（濰坊學院信息與控制工程學院，山東 濰坊 261061）

基于反向開關晶體管的工作原理，設計了水下脈沖放電系統(tǒng)。根據負載擊穿特性，首次提出不使用磁開關阻斷主電壓的設計思路，這提高了主電流上升率。確定了實驗參數，并進行了放電實驗。實驗過程可見，在擊穿過程中，負載相當于一阻值很小的電阻，且擊穿過程有一個時間延遲。在12kV主電壓和4kV預充電壓下，負載擊穿時間約為25ms；反向開關晶體管預充電流峰值為397A，脈寬為3ms；主電流峰值為6.5kA，脈寬為5ms，d/d為3.2kA/ms。

脈沖功率；負載；水下放電；反向預充

0 引言

近些年，隨著發(fā)展全球化，恐怖主義也由原來的陸地和近太空向陸?？杖婵v深。相對于陸地和近太空，水下防護一直是安全防護的薄弱環(huán)節(jié)。2000年10月，美國海軍“科爾號”驅逐艦在也門亞丁灣遭到自殺式爆炸襲擊，造成20名水兵死亡和近20億美元的修復費用，此事件引起了西方各國對水下防護的足夠重視。除此之外，一些重要的活動、集會場所也需要水下防護，在此大背景下開展該技術的研究有重大意義。另外，20世紀50年代，蘇聯科學家Yutkin發(fā)現了水的“液電效應”，即在水中進行高壓脈沖放電可以產生高強度的壓力波。利用這一原理，德國科學家在20世紀80年代研制出了沖擊波碎石機并成功用于人體內碎石。21世紀初，國內學者盧新培等提出了等離子體聲源的思想，水下脈沖放電是目前研究較為廣泛的水下應用技術之 一[1-4]。本文首次提出將新穎的脈沖功率器件反向開關晶體管（reversely switched dynistor, RSD）應用于水下脈沖放電系統(tǒng)，設計放電電路，并研究系統(tǒng)的放電規(guī)律，得到電路結構及電路參數。

1 RSD基本結構及工作原理

如圖1所示，RSD包含數萬相間排列的晶閘管單元和晶體管單元，其特微尺寸均小于器件的n基區(qū)厚度。所有單元的集電結為共有，用來阻斷外加在器件上的正向電壓，它們共有的還有n+-p發(fā)射結，是由靠邊的盡可能高摻雜的n+層與次高摻雜的p層構成。當外加電壓極性作短時逆轉，各晶體管單元的低壓n+-p發(fā)射結被反向偏置并被擊穿，內涵二極管的中間集電結變?yōu)檎蚱茫藭r每個元件流過脈沖電流，此電流為RSD提供反向預充，同時向各單元共有的n基區(qū)從不同方向注入電子和空穴，從而在n基區(qū)靠近p區(qū)附近形成一均勻分布的等離子體層，該等離子體層為器件流過正向脈沖電流提供通道[5-10]。

圖1 RSD基本結構及工作原理示意圖

根據器件結構特點，建立其工作過程的數學模型

式中：(,)為剩余等離子體濃度；d為n基區(qū)的摻雜濃度；=n/p為弱電場中電子與空穴遷移率的比值；()為流過等離子層的電流密度。

以上分析可見，RSD的工作過程分反向預充和正向導通兩步[11-13]。開關S閉合，反向電壓加到RSD，主電壓由磁開關MS隔離[14]，預充電容2通過RSD放電，預充電流流過RSD，一段時間后，器件預充結束，同時磁開關飽和，主電容1通過RSD對負載放電，形成電流脈沖[15]。

根據式（1）及RSD導通后等效一pin二極管，得到用臨界預充電荷描述的開通條件

2 實驗原理及結果討論

圖2為實驗用負載結構示意圖。

圖2 水下脈沖放電負載結構示意圖

負載有陰、陽（K、A）兩極，兩極間距約為1.6mm（根據需要，間距大小可調），工作原理為擊穿放電[16]。工作時負載完全浸沒在海水中，當在其兩極間施加一高電壓，負載被擊穿，繼之流過大電流，產生強大的海水沖擊波（即水下脈沖放電）。

結合某工程應用，為得到足夠的水下放電脈沖，對負載電流的要求是：峰值不小于6kA，脈寬5～6ms，上升率不小于2kA/ms，且要求用低壓控制高壓。

2.1 負載擊穿特性

圖3 負載擊穿電壓特性波形圖

圖4 負載擊穿電流特性波形圖

圖3和圖4所示的電壓、電流特性曲線顯示，負載的擊穿并不是瞬間完成，而是需要一個時間延遲，且在擊穿過程負載相當于一個阻值很小的電阻，該阻值與負載所處海水鹽度及環(huán)境溫度等有關。多次實驗以及分析得到，在6kV初始電壓下，負載的擊穿過程可分為4個階段，如圖5所示。

圖5 負載擊穿過程示意圖

圖5中的先導擊穿過程對應微氣泡膨脹、延展過程；預擊穿過程對應著對微氣泡注入能量，該能量主要用來對通道周圍的水加熱；劇烈放電過程對應著氣泡溫度急劇上升。上述說明負載的延時擊穿特性與磁開關特性相似。

2.2 實驗方案及電路參數的確定

綜合考慮實驗要求，選定實驗方案如圖6所示。

圖6 水下脈沖放電系統(tǒng)結構示意圖

圖6所示的脈沖功率電路可以分為3個部分：

1）觸發(fā)回路。由電容0、晶閘管VT以及變壓器一次側構成。

2）預充回路。由變壓器二次側、RSD以及電容2構成。

3）主放電回路。由電容1、RSD以及負載構成。

負載擊穿過程類似磁開關，故可以考慮用負載代替部分或全部磁開關來隔離主電壓，這使磁開關的使用量大大減少，減小了主電路的寄生電感，從而增大了主電流上升率，而此時磁開關的作用不再是延時，而是阻止RSD的預充電流從負載回路流走。

此方案中，主電壓通過RSD放電的同時，電容2也在通過RSD放電，變壓器一次側的感應電流通過二極管VD給電容0充電，電容0又通過還未來得及關斷的晶閘管VT和變壓器的一次側放電，該電流又在變壓器的二次側感應一電壓，該電壓通過RSD又給電容2充電，然后再次重復上述的過程，這樣RSD一直處在開通→預充→開通不斷重復的狀態(tài)，在此過程的任何時刻，主電壓可以通過RSD對負載放電，繼而形成負載脈沖電流。

2.3 實驗結果及分析

按照圖6電路進行實驗，得到負載電壓曲線如圖7所示。

圖7 12kV主電壓下負載擊穿特性

從圖7電壓曲線可見，在12kV主電壓和4kV預充電壓下負載擊穿時間約25ms，負載電壓上升和下降曲線平滑。實驗還得到了RSD的預充電流及負載電流波形，分別如圖8和圖9所示。

圖8 RSD預充電流波形

圖9所示為流過負載的電流波形，可見在既定參數下，負載電流峰值為6.5kA，脈寬約為5ms，上升時間約為2ms，最大電流上升率為3.2kA/ms。將結果對比工程指標，達到要求。

圖9 負載電流波形

圖8所示波形中，由于電流有了通路，待預充完畢，RSD馬上進入開通狀態(tài)，此后的RSD處在預充→開通→預充不斷重復狀態(tài)，開通電流即為電容2的放電電流。第一個波形對應的預充電流幅值為397A，脈寬為3ms；2第一個放電波形對應電流幅值為248A，脈寬為3ms。

為便于比較，現列寫出采用傳統(tǒng)方式（晶閘管作放電主開關）得到的相關數據，具體見表1。

表1 傳統(tǒng)方式得到的負載電流參數

由表1中數據可以看出，采用傳統(tǒng)方式放電，電路等效電阻普遍較大，約為2.7W左右，而采用RSD作主開關時，電路等效電阻約為1.8W左右，在主電壓同樣為12kV時，采用傳統(tǒng)放電方式，得到的主電流峰值僅為5kA，僅為本文得到的峰值電流的76.9%，且電流上升率也比本文得到的小很多，相較傳統(tǒng)放電方式，本文的放電方式的電流峰值更大，效率更高。

3 結論

基于RSD的優(yōu)越性能，本文設計了水下脈沖功率放電系統(tǒng)，提出了一種減少磁開關數量的電路方案，該方案不同于傳統(tǒng)RSD放電電路。針對放電過程出現的問題，優(yōu)化了電路結構，利用二極管單向導電性，讓RSD一直處于“導通→預充→導通”狀態(tài)，弱化了主電壓放電的時間要求，且通過串入電容，提高了主電流利用率。

[1] 尚超, 劉云龍, 王文成, 等. 四倍壓技術改善RSD脈沖功率系統(tǒng)運行頻率研究[J]. 電氣技術, 2018, 19(2): 32-35, 41.

[2] YANG Jin, HE Zhenghao, LIU Yuchen, et al. Effects of electrode parameters on sewage disinfection by under-water pulsed arc discharge[J]. Journal of Electrostatics, 2019, 98: 34-39.

[3] LEE S J, MA S H, HONG Y C, et al. Effects of pulsed and continuous wave discharges of underwater plasma on Escherichia coli[J]. Separation and Purification Technology, 2018, 193: 351-357.

[4] 劉毅, 李志遠, 李顯東, 等. 水中脈沖激波對模擬巖層破碎試驗[J]. 電工技術學報, 2016, 31(24): 71-78.

[5] LIANG Lin, PAN Ming, ZHANG Ludan, et al. Positive-bevel edge termination for SiC reversely switched dynistor[J]. Microelectronic Engineering, 2016, 161: 52-55.

[6] 梁琳, 吳文杰, 劉程, 等. SiC基反向開關晶體管RSD關鍵工藝概述[J]. 電工電能新技術, 2016, 35(4): 56-60.

[7] 梁勃, 王文基. 百兆瓦級RSD脈沖功率組件及其在巖石爆破中的應用[J]. 半導體技術, 2016(4): 297- 301.

[8] 汪愷, 梁琳, 余岳輝. RSD關斷時間檢測方法的改進研究[J]. 通信電源技術, 2013, 30(2): 1-5.

[9] 尚超, 梁琳, 余岳輝, 等. 反向開關晶體管開關通態(tài)峰值壓降的精確測量與研究[J]. 電工技術學報, 2011, 26(3): 129-133.

[10] HEESCH E M, YAN K, PEMEN A M, et al. Matching repetitive pulsed power to industrial processes[J]. IEEE Transactions on FM, 2004, 124(7): 607-611.

[11] GREKHOV I V, KOZLOV A K, KOROTKOV S V, et al. High-voltage RSD switches of submegaampere current pulses of microsecond duration[J]. Instruments and Experimental Techniques, 2003, 46(1): 48-53.

[12] KOROTKOV S V. Switching possibilities of reverse switched-on dynistors and principles of RSD circuitry (review)[J]. Instruments and Experimental Techniques, 2002, 45(4): 437-470.

[13] 周競之, 王海洋, 何小平, 等. 大功率半導體開關RSD觸發(fā)導通特性的實驗研究[J]. 電工技術學報, 2012, 27(10): 176-181.

[14] 朱雨翔, 蘭生. 基于磁開關的低頻高壓脈沖電源的設計與仿真[J]. 電氣技術, 2016, 17(1): 42-45.

[15] 王海洋, 何小平, 周競之, 等. 高功率反向開關晶體管開關壽命特性[J]. 強激光與粒子束, 2012, 24(5): 1191-1194.

[16] 姜慧, 邵濤, 章程, 等. 不同電極間距下納秒脈沖表面介質阻擋放電分布特性[J]. 電工技術學報, 2017, 32(2): 33-42.

Study on megawatt class pulse power module of reversely switched dynistor and its application in pulsed discharge under water

SHANG Chao LIU Yunlong DONG Yihua ZHANG Xueyuan ZHANG Yuzhi

(Department of Information and Control Engineering, Weifang University, Weifang, Shandong 261061)

An underwater pulse discharge system was designed based on the principle of reversely switched dynistor. It was put forward that the main voltage was not blocked without using magnetic switch, which increased the rise rate of main current. The experimental parameters were determined and discharge experiments were carried out in paper. We can see in experiment that the load is equivalent to a small resistance, and there is a time delay in breakdown process. Breakdown time of the load is about 25ms; the peak precharge current is 397A and the pulse width was 3ms; the peak current of load was 6.5kA, pulse width was 5ms, d/dwas 3.2kA/ms under the main voltage of 12kV and the precharge voltage of 4kV.

pulse power; load; discharge under water; reverse charge

山東省自然科學基金資助項目（ZR2017QF011）

濰坊市科技發(fā)展計劃資助項目（2018GX017）

2020-06-04

2020-07-08

尚 超（1979—），男，博士，主要研究方向為電力電子及脈沖功率技術。