论文部分内容阅读
在微秒和亚微秒脉冲功率领域,半导体脉冲功率开关相对于传统的火花隙等气体开关优势明显,具有短恢复时间、高可靠性、低损耗、高寿命等优点。借助可控等离子层换流的思路设计的反向开关晶体管RSD(Reversely switched dynistor),其阻断电压可达几kV,电流上升率耐量可达上百k A/μs,在开通过程中可实现器件的同步均匀导通。同时传统的半导体功率开关IGBT和某些晶闸管也可应用于脉冲功率领域。RSD是晶闸管单元和晶体管单元交替排列的两端器件,晶闸管和IGBT分别是从门极触发的电流控制型和电压控制型三端功率器件的代表。本文基于半导体载流子迁移率、载流子产生-复合、热电耦合等基本物理模型和典型器件参数的基础上,通过有限差分法、牛顿迭代法、Runge-Kutta等数学方法建立RSD、晶闸管、IGBT三种器件的二维数值模型。保证器件阻断电压约为1000V的前提下,研究优化RSD、晶闸管、IGBT三种器件的基区宽度和掺杂浓度。研究三种器件的临界触发特性,保证三种器件处于临界触发状态时,分别在低电流密度和高电流密度条件下研究对比三种器件的开通特性和热电耦合特性。结论表明RSD同时具有相对较低的开通电压和开通损耗,且这种优势在高电流密度下更加明显。高电流密度,同等外电路条件下RSD内部的最大晶格温度远低于晶闸管和IGBT。在IGBT和晶闸管直流应用中性能指数FOM(Figure of merit)的基础上,结合器件的应用环境提出量化的半导体脉冲功率器件FOM解析公式。实验研究验证三种器件在不同电流密度条件下的临界触发特性仿真结果,并在临界触发条件下验证对比器件的开通特性。最后,实验研究三种脉冲功率器件的开通过程,测量得到单只器件的开通电压和开通电流,改进测量方法采用带宽大精度高的低压探头串联分压测量器件开通电压。RSD相比于其他两种器件具有更低的开通电压,计算得出RSD的开通损耗最小,约占初始能量的3.04%,并且RSD相对于晶闸管具有更好的串联特性。