CN108233897A - 一种基于阴极短路栅控晶闸管的脉冲形成网络 - Google Patents

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左慧玲
刘超
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Abstract

本发明属于电力电子领域，具体的说是一种基于阴极短路栅控晶闸管(CS‑MCT)的脉冲形成网络。本发明主要包括由直流电源和充电电阻构成的充电回路，N级脉冲形成网络部分，由单向导通二极管、CS‑MCT、续流二极管、双向钳位二极管、负载构成的放电回路以及器件栅极控制部分，其中CS‑MCT采用四端接法，和普通三端器件相比，多了一个栅阴极(Kevin Cathode)。其特点是：能有效抑制因阴极电感感生的瞬时高压对栅阴极回路的影响，避免栅极因为过压造成击穿失效。而且栅极只起触发导通的作用，当器件导通闩锁之后进入晶闸管工作模式下，电导调制效果进一步加强，导通性能不受栅极电压控制，亦不受饱和电流限制，能够在小面积下实现更大的脉冲电流。

Description

一种基于阴极短路栅控晶闸管的脉冲形成网络
技术领域
本发明属于电子技术领域，具体的说是涉及一种基于阴极短路栅控晶闸管的脉冲形成网络。
背景技术
脉冲功率技术是20世纪60年代初期由于国防科研需要而发展起来的一门新兴科学技术。简单来说，脉冲功率技术是把慢储存起来的能量进行快速压缩，以脉冲的形式释放给负载的电物理技术。随着核物理、电子束加速器物理、激光和等离子体物理研究的发展，脉冲功率技术得到迅速发展，成为当前国际上非常活跃的前沿科技之一，在军事领域和民用领域都有广泛的应用前景，军事领域应用于核聚变技术、国防军事防御等；民用领域应用于食品加工、医疗、废水处理，废气处理，臭氧制备、发电机点火、离子注入、材料加工等。(于明伟.LCC谐振式脉冲电流源设计[D].哈尔滨工业大学,2015.)
脉冲功率装置大体上可以分为三个部分：充电部分储存能量、脉冲形成网络部分调整波形和放电部分释放能量。脉冲功率装置实质上就是在时间和空间上对能量进行压缩。时间上的能量压缩，能够提高功率；空间上的能量压缩，可以提高储能密度，减小装置的体积，使装置更加紧凑。在某些高功率脉冲电源中会出现能量同时在时间和空间上的压缩，以提高功率和缩小体积。(冯常顺.一种紧凑化长脉冲Marx型脉冲功率源的初步研究[D].国防科学技术大学,2009.)
传统脉冲功率的脉冲形成部分是由单个的电阻电感电容组成的RLC回路，放电波形是正弦波，而随着应用领域的扩展，脉冲形成网络的应用也占据了脉冲功率的一片天地。其中的脉冲形成部分由多级RLC回路组合而成，其放电波形由多个正弦波叠加而成，形成了具有一定脉冲宽度的矩形波。这就要求脉冲功率开关同样能承受较长时间的大电流。
随着脉冲应用领域的扩展，脉冲功率开关作为脉冲功率电源的关键器件有着举足轻重的地位。目前，常用的半导体脉冲功率开关包括功率MOSFET、晶闸管(SCR)、绝缘栅双极晶体管(IGBT)、MOS控制晶闸管(MCT)。上述这些半导体脉冲功率开关各有优缺点。其中双极型功率器件内部存在电导调制效应，使其具有相对于常规单极型器件更小的导通功耗，但不同类型的双极型器件的电导调制程度不同。其中，晶闸管在某些kA级电流应用领域可以取代火花间隙开关，晶闸管内部由于存在NPN管和PNP管的正反馈作用，使其电导调制程度更高，导通功耗更小。但是由于在开启过程中存在电流集中效应，造成晶闸管的di/dt能力较差。此外，晶闸管属于流控型器件，与压控型器件相比，其驱动和保护更为复杂。IGBT主要应用在高频中等脉冲功率电源，IGBT属于压控型器件，驱动相对简单，但是IGBT的电导调制程度受到漂移区和P型基区反偏PN结的限制，导致器件的导通功耗较大；此外，IGBT的导通受栅压控制，最大电流也受饱和电流的限制。栅控晶闸管(MOS-Controlled Thyristor,MCT)具有类似晶闸管的低阻特性，同时具有较高的di/dt能力和压控特性，但器件在开关过程中需要异号的栅极控制信号，导致驱动电路更为复杂(Temple V A K.MOS controlledthyristors(MCT's)[C].Electron Devices Meeting,1984International.IEEE,1984:282-285.)。
而CS-MCT以其优越的性能解决了上述矛盾，属于压控型器件，它的内部存在阴极短路的晶闸管结构，使得其在具有较小导通电阻和较大di/dt能力的同时还能在栅极零偏时实现器件的阻断，大大简化了栅极驱动电路；当它的工作模式由最初的IGBT模式触发闩锁进入晶闸管模式后，导通不受栅极电压控制，不受饱和电流限制，能更大程度的提升电流等级；同时缓解了阴极contact孔处的电流集中现象，有效降低了晶格温度(Chen W,etal.Experimentally demonstrate a cathode short MOS-controlled thyristor(CS-MCT)for single or repetitive pulse applications[C].ISPSD,2016 28thInternational Symposium on.IEEE,2016:311-314.)。
发明内容
本发明的目的是，将CS-MCT作为固体开关应用于脉冲形成网络。其中CS-MCT采用四端接法，添加了一个栅阴极(Kevin Cathode)，能有效降低因为阴极电感感生的瞬时高压对栅阴极电压的影响，并配合适当的脉冲形成网络可以获得具有良好平顶性能且上升延迟小，电流量级高的类矩形波。本发明就是利用驱动简单、导通电阻低、鲁棒性强的硅基功率器件CS-MCT来阻断高电压大电流和控制具有高电压大电流的矩形波的开启。
本发明的技术方案是：
本发明提供一种基于硅基阴极短路栅控晶闸管的脉冲形成网络，并给出了一种较简单的等电容等电感型脉冲形成网络，包括充电回路、脉冲形成网络、放电回路以及栅极控制单元和栅极双向钳位二极管(D3)，所述充电回路包括直流电源DC和大功率充电电阻Rc，所述脉冲形成网络包括N级等电感等电容型LC并联回路，所述放电回路包括CS-MCT、单向导通二极管(D1)、续流二极管(D2)和负载RL。
上述所述直流电源的正极连接充电电阻Rc，负极接地；所述脉冲形成网络由N级等电感等电容型LC网络并联组成，其中第N级的LC串联之后，一端接充电电阻，另一端接地；第N-1级的LC串联之后，接在第N级的电容两端；第N-2级的LC串联之后，接在第N-1级的电容两端；依次往下并联，直到第1级的LC串联之后，接在第2级的电容两端。
所述放电回路由续流二极管(D2)与CS-MCT反向并联之后串联一个单向导通的二极管(D1)，并且接在第1级电容两端，其中，串联一个正向导通的二极管是为了截断负向波形，因为所用的CS-MCT只具有正向导通时的低阻特性，也能防止后续振荡波形流过器件使器件持续升温，对器件的长期可靠性产生影响。与CS-MCT反向并联的续流二极管是防止单向导通的二极管由于长时间的大电流而失效所备用的，即正向导通二极管工作时，续流二极管上并无电流流过，当正向导通的二极管由于反向的电流过大而失效成导线时，反向电流流过续流二极管，所以依然能保证器件只工作在正向电流下；所述栅极控制单元与栅极的双向钳位二极管并联之后接在CS-MCT的栅极和栅阴极之间，这种器件的四端接法，即引入一个栅阴极(Kevin Cathode)，能有效减小器件阴极的寄生电感，防止阴极感生电压对器件栅极的损坏；此外，栅极控制单元控制CS-MCT的开启并且栅极的双向钳位二极管能很好的钳位栅极的电压，进一步有效防止栅极的损坏。因为只是初步考虑CS-MCT能否应用于矩形波脉冲放电回路，所以仿真和实验中未接匹配的负载。
进一步的，所述CS-MCT器件的元胞宽度为50μm，内部的晶闸管结构可在正向导通电流远小于额定电流时被触发，触发后的CS-MCT具有较小的导通压降，进而使基于CS-MCT的脉冲形成网络具有较小的导通功耗，热损耗较小；而CS-MCT因开启后器件导通电阻较小且内部电流分布较为均匀而具有较大的di/dt能力，进而使基于CS-MCT的脉冲形成网络具有较短的响应时间，得到的放电波形和矩形波相似度高；CS-MCT为硅基压控器件，可在栅极零偏时具有稳定的耐压能力，进而使基于CS-MCT的脉冲形成网络具有更为简单的驱动控制电路；CS-MCT被触发进入晶闸管模式后，导通不受栅极电压控制，阴极电感对其无影响，进而使基于CS-MCT的脉冲形成网络具有更大的脉冲平顶电流。
本发明的有益效果为，与基于电极触发的气体开关相比，本发明结构稳定，不需要经常更换调试，且利于小型化和模块化；与基于常规单极型功率器件的脉冲形成网络相比，本发明具有更低的功耗；与基于晶闸管的脉冲形成网络相比，本发明的驱动控制更加简单且上升延迟很小；与基于三端器件的脉冲形成网络相比，本发明的具有更高的栅极可靠性；与基于IGBT的脉冲形成网络相比，本发明具有更高的电流量级、更低的晶格温度、更小的上升延迟。另外，本发明具有广泛的应用领域，适用于多种脉冲形成网络和脉冲形成线，包括等电容等电感型脉冲形成线、等电容非等电感型脉冲形成线、非等电容等电感型脉冲形成线、平板脉冲形成线、Max型脉冲形成网络、Blumlein型脉冲形成网络等多种系统。
另外，所述阴极短路栅控晶闸管的栅阴极和阴极短接，封装分为三脚封装和四脚封装，本发明优先选择四脚封装，同时也支持三脚封装。若采用三脚封装，即栅阴极和栅极在外部也是短接的，这时栅极的双向钳位二极管D3是必须的，以防止栅极电压过大而击穿栅极造成失效；若采用本发明选择的四脚封装，添加的栅阴极能有效限制栅极电压受感生阴极电压的影响，栅极和栅阴极之间的双向钳位二极管D3可以省略；若负载处于匹配状态，所述单向导通二极管D1可由导线代替。
附图说明
图1是本发明中一种基于阴极短路栅控晶闸管的脉冲形成网络电路结构图；
图2是本发明中一种基于阴极短路栅控晶闸管的一种简单的脉冲形成网络电路结构图；
图3是本发明中利用PSIM软件对矩形脉冲波形的仿真示意图；
图4是本发明中采用的阴极短路栅控晶闸管(CS-MCT)的结构示意图和等效电路图；
图5为CS-MCT的三端接法和四端接法在脉冲形成网络中作为脉冲开关时的栅阴极波形对比图；
图6是具有相似芯片面积的CS-MCT和IGBT的正向导通特性测试结果；
图7为CS-MCT和IGBT的四端接法在脉冲形成网络中作为脉冲开关时的放电波形的对比图；
图8为图7在0.10μs到0.20μs时间内的放大图，可以对比CS-MCT和IGBT的di/dt；
图9为CS-MCT和IGBT的四端接法在脉冲形成网络中作为脉冲开关时的热功率的对比图。
具体实施方式
下面结合具体附图，对本发明作进一步地详细描述：
如图1所示，整个脉冲网络形成系统包括充电回路、脉冲形成网络、放电回路。
PFN(脉冲形成网络)是由若干组电容和电感排列组成的，选取了工程上最常用的是等电容等电感型PFN为例。因为等电容等电感型PFN具有结构简单、方便实现等特点，并且与传输线的分布参数极其相似。等电容等电感型PFN是将PFL(脉冲传输线)分成长度相等、相互连接的N段，工程上采用无损耗的理想传输线，所以每段PFL的等效电路图如图2中灰色虚线框中所示。故在不考虑损耗的情况下，每部分PFL可以用集中参数的电感电容来替代，L和C代表每段PFL的电感值和电容值。N为PFN的级数，N值越大，PFN的输出脉冲波形与被等效的无损传输线的输出波形越接近。
固态开关作为放电回路的重要组成部分，起着阻断高电压大电流和控制具有高电压大电流的矩形波开启的作用。
如图2所示，为本发明中脉冲形成网络的一种简单的电路原理图，包括充电回路、脉冲形成网络、放电回路以及栅极控制单元和栅极双向钳位二极管(D3)。其中开关器件采用阴极短路栅控晶闸管，此器件采用四端接法，相比于普通的三端器件，添加了一个栅阴极。能有效减小栅阴极回路的寄生电感，降低因为阴极电感感生的瞬时高压对栅阴极电压的影响，保护栅极免受过压而受到的击穿损害；此外，CS-MCT的阳极阴极与续流二极管反向并联，再串联单向导通的二极管，之后接在PFN的输出端，有效防止负电流流经CS-MCT而造成的热损耗；器件的栅极控制单元与栅极的双向钳位二极管并联之后接在CS-MCT的栅极和栅阴极之间，有效钳位栅极的电压，作为备用的二次保护，进一步保护栅极免受过压而受到的击穿损害。该电路的基本工作原理为：
首先，直流电源DC通过大功率充电电阻Rc给电容CN充电，然后CN经过其上下两段导线的寄生电感LN1和LN2给电容CN-1充电，CN-1再经过其上下两段导线的寄生电感L(N-1)1和L(N-1)2给电容CN-2充电，以此类推，最后C2经过其上下两段导线的寄生电感L21和L22给电容C1充电，直到所有电容的电压充到与直流电源电压相等时，充电阶段结束。此阶段，脉冲功率开关CS-MCT的栅极零偏压，器件一直处于正向阻断状态，漏电流很小，使能量储存在各级电容中。
下一步，给CS-MCT的栅极施加一个触发电压，器件开启，并很快闩锁，进入晶闸管模式，增强了电导调制效应，大大降低了导通电阻，此时，PFN开始放电。开始电容C1通过其上下两段导线的寄生电感L11和L12放电，经过了第一级网络，放电延迟是电流波形如图2中曲线I2所示；之后，电容C2通过其上下四段线的寄生电感L21、L22、L11和L12放电，经过第二级网络，放电延迟是电流波形如图2中曲线I3所示；电容C3通过其上下六段导线的寄生电感L31、L32、L21、L22、L11和L12放电，经过第三级网络，依次类推。这样就得到了PFN每级电容通过导线电感的放电曲线，如图2所示。每个电容器存储的能量是一样的，每级电容值也是相同的，但是因为每个放电回路中通过的总电感值不同，造成了每级网络的放电时间不一样，随着级数越来越大，每级电容器向负载放电的幅度越来越小，每级电容器的放电时间也越来越长。通过每级电容器放电波形的叠加得到最终的脉冲波形，如图3中曲线I1为最终的脉冲电流波形。
电路系统中的电感电容值可以根据如下公式计算：
1.能量守恒公式：
2.延迟公式：L＝NLN,C＝NCN
按照傅里叶的思想，PFN是利用N个类正弦波来合成一个方形波，N值越大，合成出来的波形与方形脉冲的近似程度越高。此外，脉冲波形的前沿主要受第一级网络的影响，所以适当增大第一级网络的电感值可以有效抑制波形的电流过冲现象。
PFN放电时，系统产生的功耗主要是由开关器件本身发热造成的。因此需要对器件进行优化设计以减小其功耗，提升系统的效率。
图4为本发明中采用的CS-MCT的结构示意图和等效电路。由于P阱区通过接触孔接地，使CS-MCT可以在栅极零偏时承受耐压，进而有利于简化栅极控制电路。同时由于CS-MCT内部存在晶闸管结构且该结构很容易被触发，即空穴电流流经P阱区在电阻RP上产生电压降，此电压降达到0.7V时晶闸管结构被触发，因此CS-MCT在导通时具有低阻特性。此外CS-MCT的电学特性显著受到器件元胞宽度的影响，当元胞宽度太小时，器件导通电阻较大，而当元胞宽度较大时，器件开启后会存在较为显著的电流集中效应，进而影响其di/dt能力。
图5为CS-MCT的三端接法和四端接法在脉冲形成网络中作为脉冲开关时的栅阴极波形对比图。明显看出四端接法大大降低了栅阴极电压，可以有效防止栅极因为电压过大造成击穿而使器件永久失效。
图6为元胞宽度为50μm的CS-MCT与具有类似芯片面积的商用600V 20A IGBT(HGTG20N60B3D)正向导通特性曲线的测试结果。其中CS-MCT内部晶闸管结构可以在0.7A下触发，在20A导通电流下，CS-MCT的导通压降减小了0.55V，静态功耗降低了30％。
图7为CS-MCT和IGBT的四端接法在脉冲形成网络中作为脉冲开关时的放电波形的对比图。两者取相同面积进行仿真，可以看到CS-MCT可以实现3400A的放电电流，放电波形接近矩形，平顶纹波小；而IGBT受到饱和电流的限制，最高只有160A的放电电流，要释放掉存储在电容器中的能量，需要很长时间，脉冲宽度很大，平顶纹波也较大。要想实现同样大电流的脉冲波形，IGBT需要并联21个，这意味着面积增大了21倍，不利于小型化，而且也对IGBT栅极控制信号的一致性要求很高。另一方面，IGBT的导通特性主要受栅压控制，而器件阴极感生的瞬时大电压使栅阴极之间的电压降低，抑制器件导通，所以IGBT只能采用四端接法。而CS-MCT采用三端接法和四端接法均可，采用三端接法时可以在栅极接一个双向钳位二极管来限制栅极电压。
图8为图7在0.10μs到0.20μs时间内的放大图，可以看到CS-MCT的di/dt明显高于IGBT，这是因为IGBT的电导调制程度受到漂移区和P型基区反偏PN结的限制，导致器件的导通功耗较大。
图9为CS-MCT和IGBT的四端接法在脉冲形成网络中作为脉冲开关时的热功率的对比图。可以看出，CS-MCT虽然电流峰值大，但是热功耗依然很低。根据热功率的计算公式，其中，Rth为器件封装的热阻，Tj为器件的结温，Ta为环境温度300K。若封装的热阻Rth为0.1K/W，则CS-MCT在几千安培电流下的最高温升为20K，而IGBT在几百安培电流下的温升为50K甚至更大。这是因为CS-MCT进入晶闸管模式后，缓解了阴极contact孔处的电流集中现象，有效降低了晶格温度。

Claims (2)

1.一种基于阴极短路栅控晶闸管的脉冲形成网络，其特征在于，包括依次连接的由直流电源和充电电阻构成的充电回路，N级脉冲形成网络，由单向导通二极管D1、阴极短路栅控晶闸管及其栅极控制单元、双向钳位二极管D3、续流二极管D2、负载构成的放电回路，其中，
所述阴极短路栅控晶闸管用作固态开关，阴极短路栅控晶闸管在电路中采用四端接法：阴极短路栅控晶闸管的栅阴极接栅极控制单元地端，阴极短路栅控晶闸管的阴极接续流二极管D2的正极，阴极短路栅控晶闸管的阳极接续流二极管D2的负极，单向导通整流二极管D1的正极接脉冲形成网络的输出端，单向导通整流二极管D1的负极接阴极短路栅控晶闸管阳极与续流二极管D2负极的连接点，阴极短路栅控晶闸管的阴极还连接负载的输入端；所述栅极控制单元与双向钳位二极管D3并联，栅极控制单元的正极接阴极短路栅控晶闸管的栅极。
2.根据权利要求1所述的一种基于阴极短路栅控晶闸管的脉冲形成网络，其特征在于，所述阴极短路栅控晶闸管的栅阴极和阴极短接于芯片内部阴极打线位置。
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