CN101419271A - 一种半导体脉冲功率开关关断时间的检测电路 - Google Patents
一种半导体脉冲功率开关关断时间的检测电路 Download PDFInfo
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Abstract
本发明公开了一种应用于脉冲功率领域的大功率超高速半导体开关关断时间的检测电路。检测电路包括主回路、预充回路、关断时间检测回路、充电回路和延时触发电路;关断时间检测回路接受充电回路提供的充电电流,使关断检测回路的电压上升到预定值,充电完毕后,经过预先设置的延迟时间,关断时间检测回路接受延时触发电路提供的信号并导通,将电压信号加到主回路中,根据RSD是否能通过电流来判断其是否关断。本发明根据RSD脉冲放电的工作方式,提出了一种检测其关断时间的电路,按照关断检测的要求优化设计了主回路,用单片机实现RSD预充回路开关和关断检测回路开关的可控延时触发,设计并搭建了关断时间的检测平台,测量精度可达到1.1μs。
Description
技术领域
本发明属于半导体开关检测技术,具体涉及一种应用于脉冲功率领域的大功率超高速半导体开关关断时间的检测电路。
背景技术
20世纪90年代俄罗斯物理科学院的阿·法物理技术研究室基于可控等离子层开通原理研制了一系列固体脉冲功率开关,大功率超高速半导体开关反向开关晶体管RSD(Reversely Switched Dynistor))为其中之一。RSD以其在芯片全面积均匀同步开通的原理上的优势,能同时获得几十kV高电压、几百kA大电流、几十至上百kA/μs电流上升率的优异开关性能。
据文献[Grekhov I V.New principles of high power switching with semiconductordevices.Solid-state Electronics,1989,32(11):923-930]报道,RSD是p+-n-p-n+四层结构的晶闸管类型的半导体器件,但与晶闸管不同,它是没有控制极的二端器件。RSD结构中包含数万个相间排列的晶闸管单元和晶体管单元,各部分共有的集电结阻断外加正向电压。图1表示了其工作的外电路,由预充回路和主回路两部分组成。当预充回路未接通(S断开)时,由于集电结(J2结)反偏,RSD不会开通。当S合上接通预充电路,磁开关L未饱和,加在RSD上为反向偏置。短时的n+p结反偏使J2结附近形成一高浓度薄等离子体层。当磁开关L饱和后,晶闸管部分开始了开启过程。在外电场作用下,J2结n侧等离子层中的空穴进入到p区,同时J3结的n+区电子也注入到p区。p+n结上空穴向n区注入,漂移场的作用使J1结n侧等离子体层向J2结移动,RSD开通。
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RSD的关断特性则基本与普通晶闸管相似。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开关是二端器件,没有控制极,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。
发明内容
本发明的目的在于提供一种半导体脉冲功率开关关断时间的检测电路,该电路结构简单有效,且满足测量精度的要求。
本发明提供的半导体脉冲功率开关关断时间的检测电路,其特征在于:它包括主回路、预充回路、关断时间检测回路、充电回路和延时触发电路;
充电回路分别为主回路、预充回路和关断时间检测回路的电容提供充电电流,使三个回路中电容上的电压都达到预定值;
延时触发电路按照设置的延迟时间先后为预充回路和关断时间检测回路中的半导体开关提供触发信号;
主回路用于接受充电回路提供的充电电流,使主回路的电压上升到预定值;充电完毕后,主回路接受预充回路提供的触发预充电流,然后开始放电过程,将能量转换到负载上;
预充回路首先接受充电回路提供的充电电流,使预充回路的电压上升到预定值,充电完毕后,预充回路接受延时触发电路提供的信号并导通,再向主回路提供触发预充电流;
关断时间检测回路接受充电回路提供的充电电流,使该回路的电压上升到预定值;充电完毕后,经过预先设置的延迟时间,关断时间检测回路接受延时触发电路提供的信号并导通,将电压信号加到主回路中。
准确检测关断时间对于RSD在重复频率脉冲功率领域的应用具有重要意义。本发明根据RSD脉冲放电的工作方式,提出了一种检测其关断时间的电路。按照关断检测的要求优化设计了主回路,预充采用谐振式方案,用单片机实现RSD预充回路开关和关断检测回路开关的可控延时触发,设计并搭建了关断时间的检测平台,测量精度可达到1.1μs。
附图说明
附图1是现有的RSD的基本结构图及其工作外电路。
附图2是本发明半导体脉冲功率开关关断时间的检测电路的结构框图。
附图3是本发明检测电路的实例结构示意图。
附图4是晶闸管触发电路图。
具体实施方式
本发明提供的半导体脉冲功率开关关断时间检测方法的原理为:RSD导通后,体内储存了大量非平衡少数载流子,这些非平衡少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。
下面结合附图和实例对本发明作进一步详细的说明。
如图2所示,本发明提供的检测电路包括主回路1、预充回路2、关断时间检测回路3、充电回路4和延时触发电路5。
充电回路4分别为主回路1、预充回路2和关断时间检测回路3的电容提供充电电流,使三个回路中电容上的电压都达到预定值,充电时间不预先设定。
延时触发电路5按照设置的延迟时间先后为预充回路2和关断时间检测回路3中的半导体开关提供触发信号。
主回路1用于接受充电回路4提供的充电电流,使主回路的电压上升到预定值。充电完毕后,预充回路2向主回路1提供触发预充电流,预充过程完毕后,主回路1开始放电过程,通过RSD将很大的能量转换到负载上。
主回路1根据电路参数不同可分为过阻尼、欠阻尼和临界阻尼三种放电情况。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。
预充回路2也首先接受充电回路4提供的充电电流,使预充回路2的电压上升到预定值。充电完毕后,预充回路2接受延时触发电路5提供的信号并导通,再向主回路1提供触发预充电流。
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。本发明采用这两种预充方式均可,下述实例中选择了谐振式预充方式。
关断时间检测回路3也首先接受充电回路4提供的充电电流,使该回路的电压上升到预定值。充电完毕后,经过预先设置的延迟时间,关断时间检测回路3接受延时触发电路5提供的信号并导通,将电压信号加到主回路1中。
通过借助以下实施例将更加详细说明本发明的各个组成部分,且以下实施例仅是说明性的,本发明并不受这些实施例的限制。
(1)主回路
如图3所示,主回路1包括主电容C1、第一可饱和磁开关MS1、负载电阻R1、反向开关晶体管RSD、分流器S、续流二极管D1和电阻Rf。主电容C1、可饱和磁开关MS1、负载电阻R1、RSD、分流器S依次串联,其中主电容C1的高压端接可饱和磁开关MS1、负载电阻R1,再接开关RSD阳极,主电容C1低压端接地,续流二极管D1和电阻Rf并联在主电容C1两端,续流二极管D1阳极接地。
为检测关断时间而改进了主回路,在主电容C1上并联了二极管D1和电阻Rf,起到续流的作用。将主回路参数设计为欠阻尼,当主电容C1上电压下降为零时,回路电流达到峰值,主电容C1开始反向充电,电流同时开始流过D1-Rf支路;当RSD中电流减为零时,主电容C1中储存的能量在可饱和磁开关MS1反向饱和之前通过D1-Rf支路耗散完毕,开关RSD不会流过反向电流。Rf的值是重要的:太大则使D1-Rf支路通过的电流小,主电容C1支路通过的电流大,使得的主电容C1能量能让可饱和磁开关MS1反向饱和,从而开关RSD流过反向电流;太小则使电流大部分流过D1-Rf支路,电流下降时间长。主回路经过仿真优化,确定主电容C1取10μF时,负载电阻R1取0.2Ω,电阻Rf取0.6Ω。
(2)预充回路
预充回路2包括预充电容C2,第二可饱和磁开关MS2、第一半导体开关T1、电阻R2和二极管D2。预充电容C2、可饱和磁开关MS2、半导体开关T1依次串联,其中的预充电容C2高压端接可饱和磁开关MS2,再接半导体开关T1的阳极,预充电容C2的低压端接地。电阻R2一端与二极管D2阳极相接,二极管D2阴极接电容C2高压端,电阻R2另一端与充电回路4中的高压硅堆D3的阴极连接,半导体开关T1的门极接延时触发电路5的输出端。
其中,可饱和磁开关MS2是为保护半导体开关T1而引入的;电阻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D2可以防止预充完毕后谐振回路振荡电流对主回路的影响。
在半导体开关T1闭合之后,电流流过C2—MS2—T2回路。因为这个回路的能量损耗很低,预充电容C2上下极板电荷极性交换后为主回路1中的开关RSD提供反向电压。在预充电容C2电荷极性交换过程结束时,半导体开关T1开始处于反向阻断状态,预充电容C2的反向放电过程开始在C2—RSD—R2—D2回路中进行,这就形成了开关RSD的预充电流。
预充回路要使开关RSD在预充阶段积累足够的电荷量,以保证其均匀导通。开关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。根据主回路参数和开关RSD工作电压的范围,考虑保证足够的预充电荷量,可取预充电容C2为0.25μF,电阻R2为0.2Ω。
当预充回路2向主回路1提供触发预充电流时,反向开关晶体管RSD的体内会形成一层不会耗尽的可控等离子体层,此过程持续约1~2μs。半导体开关T1在预充回路2充电完毕后被延时触发电路5提供的信号触发并导通,此时,预充回路2向主回路1提供触发预充电流。
半导体开关T1还可以采用晶闸管、晶体管或IGBT等半导体开关器件。
(3)关断时间检测回路
如图3所示,RSD关断时间检测回路3包括关断检测电容C0、第三可饱和磁开关MS0、电阻R0、第二半导体开关T0和二极管D0。关断检测电容C0、可饱和磁开关MS0、电阻R0、半导体开关T0依次串联,其中关断检测电容C0的高压端接可饱和磁开关MS0、负载电阻R0,再接半导体开关T0阳极;关断检测电容C0的低压端接地,半导体开关T0与二极管D0反并联,半导体开关T0的阴极和二极管D0的阳极接主回路1中的开关RSD的阳极,半导体开关T0的门极接延时触发电路5的输出端。
可饱和磁开关MS0起到保护半导体开关T0的作用;二极管D0是为了给关断检测电容C0充电而引入的;由于关断检测不需要再让RSD通过大电流,所以电阻R0取值可较大。可取电阻R0为2Ω,关断检测电容C0为1μF。
半导体开关T0也可以采用晶闸管、晶体管或IGBT等半导体开关器件。
(4)充电回路
如图3所示,充电回路4包括交流电源AC、限流电阻Rc、高压硅堆D3。具体接法为:交流电源AC、限流电阻Rc、高压硅堆D3依次串联,其中高压硅堆D3的阴极接主回路1中的开关RSD的阳极、预充回路2中的电阻R2和关断时间检测回路3中的半导体开关T0的阴极,交流电源AC的低压端接地。
关断检测电容C0、主电容C1和预充电容C2共用一套充电装置,充电电流对可饱和磁开关MS0和MS1起的是复位作用,不会影响其工作时的延迟时间。
(5)单片机控制的延时触发电路
RSD的关断时间在几十至上百μs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。采用SST89E564单片机,该单片机可以在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。延时触发电路5根据第一、第二半导体开关T1、T0的种类选取相应的电路实现,当二个半导体开关选择相同种类的器件时,可以简化延时触发电路的结构。图4所示为IGBT开关控制的晶闸管触发电路。
以上所述为本发明的较佳实施例而已,但本发明不应该局限于该实施例和附图所公开的内容。所以凡是不脱离本发明所公开的精神下完成的等效或修改,都落入本发明保护的范围。
Claims (5)
1、一种半导体脉冲功率开关关断时间的检测电路,其特征在于:它包括主回路(1)、预充回路(2)、关断时间检测回路(3)、充电回路(4)和延时触发电路(5);
充电回路(4)分别为主回路(1)、预充回路(2)和关断时间检测回路(3)的电容提供充电电流,使三个回路中电容上的电压都达到预定值;
延时触发电路(5)按照设置的延迟时间先后为预充回路(2)和关断时间检测回路(3)中的半导体开关提供触发信号;
主回路(1)用于接受充电回路(4)提供的充电电流,使主回路的电压上升到预定值;充电完毕后,主回路(1)接受预充回路(2)提供的触发预充电流,然后开始放电过程,将能量转换到负载上;
预充回路(2)首先接受充电回路(4)提供的充电电流,使预充回路的电压上升到预定值,充电完毕后,预充回路(2)接受延时触发电路(5)提供的信号并导通,再向主回路(1)提供触发预充电流;
关断时间检测回路(3)接受充电回路(4)提供的充电电流,使该回路的电压上升到预定值;充电完毕后,经过预先设置的延迟时间,关断时间检测回路(3)接受延时触发电路(5)提供的信号并导通,将电压信号加到主回路(1)中。
2、根据权利要求1所述的检测电路,其特征在于:关断时间检测回路3包括关断检测电容C0、第三可饱和磁开关(MS0)、电阻R0、第二半导体开关(T0)和二极管D0;
关断检测电容C0、第三可饱和磁开关(MS0)、电阻R0、第二半导体开关(T0)依次串联,其中关断检测电容C0的高压端接第三可饱和磁开关(MS0)、负载电阻R0,再接第二半导体开关(T0)阳极;关断检测电容C0的低压端接地,第二半导体开关(T0)与二极管D0反并联,第二半导体开关(T0)的阴极和二极管D0的阳极接主回路(1),第二半导体开关(T0)的门极接延时触发电路(5)的输出端。
3、根据权利要求1或2所述的检测电路,其特征在于:主回路(1)包括主电容C1、第一可饱和磁开关(MS1)、负载电阻R1、反向开关晶体管(RSD)、分流器S、续流二极管D1和电阻Rf;
主电容C1、第一可饱和磁开关(MS1)、负载电阻R1、反向开关晶体管(RSD)、分流器S依次串联,其中主电容C1的高压端接第一可饱和磁开关(MS1)、负载电阻R1,再接反向开关晶体管(RSD)的阳极,主电容C1低压端接地,续流二极管D1和电阻Rf并联在主电容C1两端,续流二极管D1阳极接地。
4、根据权利要求1或2所述的检测电路,其特征在于:预充回路(2)包括预充电容C2,第二可饱和磁开关(MS2)、第一半导体开关(T1)、电阻R2和二极管D2;
预充电容C2、第二可饱和磁开关(MS2)、第一半导体开关(T1)依次串联,其中的预充电容C2高压端接第二可饱和磁开关(MS2),再接第一半导体开关(T1)的阳极,预充电容C2的低压端接地;电阻R2一端与二极管D2阳极相接,二极管D2阴极接电容C2高压端,电阻R2另一端与充电回路(4)连接,第一半导体开关(T1)的门极接延时触发电路(5)的输出端。
5、根据权利要求1或2所述的检测电路,其特征在于:充电回路(4)包括交流电源(AC)、限流电阻Rc、高压硅堆D3;
交流电源(AC)、限流电阻Rc、高压硅堆D3依次串联,其中高压硅堆D3的阴极接主回路(1)、预充回路(2),以及第二半导体开关(T0)的阴极,交流电源(AC)的低压端接地。
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