陳 楠，陳萬軍，尚建蓉，劉 超，李青嶺，孫瑞澤，李肇基，張 波

(1.電子科技大學(xué)電子科學(xué)與工程學(xué)院，成都 610054；2.陸軍裝備部駐重慶地區(qū)軍事代表局駐成都地區(qū)第二軍事代表室，成都 610054)

1 引言

準矩形脈沖源是脈沖功率系統(tǒng)中一種典型的脈沖形成裝置，可產(chǎn)生高脈沖前沿和寬脈寬（微秒或毫秒級）的方波脈沖，廣泛應(yīng)用于Marx 發(fā)生器、大功率固態(tài)調(diào)制源、激光激勵源等脈沖功率系統(tǒng)[1-4]。目前，準矩形脈沖源多采用的是傳統(tǒng)氣體/真空開關(guān)，具有開關(guān)體積大、質(zhì)量大、壽命短和維護不便等缺點[5-6]，不利于系統(tǒng)向小型化和緊湊型方向發(fā)展。半導(dǎo)體固態(tài)開關(guān)具有壽命長、可靠性高和維護方便等優(yōu)勢，已成為新一代全固態(tài)、緊湊型和小型化準矩形脈沖源研究的熱點之一[7-9]。

在眾多的半導(dǎo)體開關(guān)中，單極型的功率MOSFET驅(qū)動簡單，但其導(dǎo)通電阻較大，不適合用于大功率脈沖應(yīng)用[10-11]。雙極型的絕緣柵雙極型晶體管（Insulated Gate Bipolar Transistor，IGBT）可實現(xiàn)相對低的導(dǎo)通電阻，然而其電流飽和特性限制了器件的峰值電流（IP）和電流上升率（di/dt），使其在脈沖功率中應(yīng)用受限[10,12]。傳統(tǒng)的可控硅整流器（Silicon Controlled Rectifier，SCR）或門極可關(guān)斷晶閘管（Gate Turn Off Thyristor，GTO）可處理103A 以上的浪涌電流，但其緩慢的導(dǎo)通過程限制了器件di/dt 能力（小于5 kA/μs）[13-14]。脈沖功率晶閘管針對脈沖功率應(yīng)用特殊優(yōu)化了門極-陰極結(jié)構(gòu)，可實現(xiàn)數(shù)十kA/μs 的di/dt[15]，但其電流控制模式需較大驅(qū)動功率和相對復(fù)雜的驅(qū)動方案，增加了開關(guān)體積和應(yīng)用難度[16]。MOS 柵晶閘管（MOS Gate Thyristors,MGT）兼具MOS 驅(qū)動簡單和晶閘管大電流能力[17]，十分適合替代脈沖功率晶閘管。然而，常規(guī)MGT 主要用于功率電子領(lǐng)域，其設(shè)計多關(guān)注器件關(guān)斷特性[18]，在一定程度上限制了器件實現(xiàn)快速開啟和高脈沖性能。

本文提出了一種基于新型絕緣柵觸發(fā)晶閘管（Insulated Gate Trigger Thyristor,IGTT）的高功率準矩形脈沖源，該準矩形脈沖源采用針對脈沖功率系統(tǒng)應(yīng)用特殊需求設(shè)計的IGTT 作為開關(guān)器件，可以滿足系統(tǒng)的快速開啟和高脈沖特性的要求。

2 準矩形脈沖形成理論

準矩形脈沖形成網(wǎng)絡(luò)（Pulse Forming Network,PFN）系統(tǒng)見圖1（a），充電系統(tǒng)（Charging System）負責(zé)對脈沖形成網(wǎng)絡(luò)主體進行充電。PFN 主體能量通過脈沖功率開關(guān)（Pulse Power Switch, PPS）形成準矩形脈沖電流釋放到負載。脈沖功率開關(guān)性能直接決定準矩形脈沖輸出波形特性。下文將基于準矩形脈沖形成理論，分析準矩形脈沖形成對脈沖功率開關(guān)的性能需求。

圖1 準矩形脈沖形成網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)

基于LC 傳輸網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，設(shè)有n 節(jié)LC 網(wǎng)絡(luò)，每節(jié)網(wǎng)絡(luò)中電容和電感均相同，將脈沖功率開關(guān)模型簡化為理想開關(guān)（Si）與等效電阻Rs。初始狀態(tài)下，儲能電容兩端電壓均為U0，流過電感的初始電流均為0。當(dāng)將LC 網(wǎng)絡(luò)部分看做整體，有Ig(R0+Rs)=U0，零負載條件下，脈沖峰值電流IP可表示為：

式（1）給出了準矩形脈沖波峰值電流IP與開關(guān)電阻的關(guān)系。接下來對準矩形脈沖電流上升率di/dt 進行理論分析。在準矩形波脈沖前沿階段（如10%IP～50%IP），準矩形脈沖輸出波形及首節(jié)LC 網(wǎng)絡(luò)輸出波形如圖2 所示，其中，C0=6.6 μF，L0=940 nH，首節(jié)電容C1=0.66 μF，首節(jié)電感L1=94 nH，U0=1200 V。

圖2 準矩形脈沖輸出波形及首節(jié)LC 網(wǎng)絡(luò)輸出波形

因此，在分析準矩形脈沖電流上升率di/dt 時僅考慮首節(jié)LC 網(wǎng)絡(luò)放電電流。將首節(jié)LC 網(wǎng)絡(luò)與開關(guān)電阻等效為RLC 放電回路[21]，其回路內(nèi)部各節(jié)點電流電壓根據(jù)基爾霍夫電流-電壓定律可以表示為：

根據(jù)初始狀態(tài)對式（2）進行求解，獲得首節(jié)LC 脈沖電流表達式i1：

因此準矩形脈沖峰值電流IP與電流上升率di/dt 可表示為：

根據(jù)式（5），脈沖功率開關(guān)電阻Rs可直接影響脈沖峰值電流和di/dt。圖3 展示了脈沖峰值電流與di/dt 和開關(guān)電阻的關(guān)系，計算中，C0為6.6 μF，L0為940 nH，首節(jié)電容C1為0.66 μF，首節(jié)電感L1為94 nH。由圖3 可知，隨著開關(guān)電阻Rs的減小，di/dt 和IP逐漸增大。當(dāng)Rs小于LC 網(wǎng)絡(luò)特征電阻R0時，di/dt 和IP受Rs的影響開始減弱；當(dāng)Rs小于0.1R0時，di/dt 和IP幾乎不隨Rs變化而變化。這就要求開關(guān)需具備盡可能低的導(dǎo)通電阻，且開關(guān)導(dǎo)通電阻Rs應(yīng)盡量小于0.1R0。

圖3 不同開關(guān)電阻Rs下脈沖峰值電流和di/dt 理論計算結(jié)果

除了開關(guān)導(dǎo)通電阻的影響之外，開關(guān)電阻變化率dR/dt 對脈沖電流上升率di/dt 也具有不可忽略的影響。圖4 給出了不同電阻變化率下PFN 電路與對應(yīng)RLC 模型的仿真波形對比，R1表示數(shù)值恒定為10 mΩ的等效輸出電阻，R2～R4分別表示不同電阻變化率dR/dt（變化范圍為5 MΩ～10 mΩ）的等效輸出電阻，其電阻變化率數(shù)值依次減小，即dR2/dt＞dR3/dt＞dR4/dt。從圖4 中可以看出在脈沖上升沿（10%～50%部分），PFN電路產(chǎn)生脈沖波形與式（5）所得RLC 近似脈沖波形具有高度一致性；阻抗變化率dR/dt 對脈沖電流上升率di/dt 具有明顯影響，dR/dt 值越大，則脈沖前沿的di/dt值越大。這也表明要得到上升沿陡峭度高、即脈沖前沿的di/dt 值大的脈沖輸出，需要器件的dR/dt 值盡可能大，也即是要求器件除了具有極低的導(dǎo)通電阻外，開啟速度也需要盡可能快，才能同時滿足峰值電流和電流上升率的要求。

圖4 PFN 電路仿真與RLC 模型仿真波形的比較結(jié)果

除了脈沖電流峰值和di/dt 以外，衡量準矩形脈沖輸出優(yōu)劣的另一個重要參數(shù)是平頂紋波系數(shù)ζ[22]，ζ 是指平頂脈沖電流大于（或小于）平頂幅值IAmp的值與平頂幅值IAmp的比值，其中Imin代表脈沖平頂處最小波谷值，Imax代表脈沖平頂處最大波峰值。ζ 的定義表達式為：

平頂紋波系數(shù)是衡量準矩形脈沖平頂特性最重要的參數(shù)，平頂紋波系數(shù)越小，其脈沖輸出平頂性越高，脈沖源性能越好。目前常用的改善準矩形脈沖平頂紋波系數(shù)的方法有：匹配LC 網(wǎng)絡(luò)參數(shù)的逼近優(yōu)化算法和等值LC 網(wǎng)絡(luò)的級數(shù)增加法?？紤]到實際可操作性，本文主要采用等值LC 網(wǎng)絡(luò)的級數(shù)增加法，通過增加LC 網(wǎng)絡(luò)的級數(shù)來減小每級儲能電容產(chǎn)生脈沖電流峰值的時間間隔，同時結(jié)合仿真結(jié)果對各級電感值進行修正，以達到降低平頂紋波系數(shù)的目的。針對LC 網(wǎng)絡(luò)級數(shù)和各級電感值的仿真優(yōu)化結(jié)果如圖5 所示，仿真中，均保持C0為6.6 μF，L0為940 nH。

圖5 LC 網(wǎng)絡(luò)級數(shù)和電感值優(yōu)化仿真結(jié)果

從圖5 中可以看出，增大PFN 網(wǎng)絡(luò)級數(shù)可以明顯增大電流上升率di/dt，同時對平頂紋波系數(shù)有一定的改善。值得注意的是，脈沖平頂部分的最大波峰與最小波谷均出現(xiàn)在脈沖波形的過沖部分。通過對首節(jié)電感值進行修正，適當(dāng)增大首節(jié)電感，并降低次級電感值（保持總電感不變），得到修正后的結(jié)果。通過電感值的修正，準矩形波的平頂紋波系數(shù)大幅減小，僅為1.13%，輸出平頂特性得到大幅提升。

3 IGTT 結(jié)構(gòu)與特性

如第2 節(jié)理論分析，實現(xiàn)高脈沖矩形波的關(guān)鍵在于脈沖功率開關(guān)具備快速開啟能力與極低的導(dǎo)通電阻。本團隊前期開發(fā)的一種特殊設(shè)計的IGTT[23]如圖6（a）所示，該結(jié)構(gòu)在傳統(tǒng)NPT 型絕緣柵晶閘管的基礎(chǔ)上增加了N 型電場截止層（N-FS），同時采用高效注入陽極（High Efficiency Injection Anode，HEA）結(jié)構(gòu)，實現(xiàn)高耐壓的同時減小器件漂移區(qū)長度，提高陽極注入效率，從而進一步降低了器件導(dǎo)通電阻，提高了器件開啟速度，因此非常適用于高功率準矩形脈沖源。IGTT與IGBT 導(dǎo)通特性對比如圖6（b）所示，在前期小電流導(dǎo)通階段，IGTT 特性與IGBT 導(dǎo)通特性類似，溝道電子電流（Imos）作為PNP 晶體管的基極電流驅(qū)動空穴電流（IH）從P+陽極注入N-drift，再經(jīng)P-阱（P-well）收集進入陰極；隨著陽極電壓（VA）的增加，陽極電流（IA）增加，IGTT 上方的NPN 晶體管開啟。此時，陽極注入的空穴電流（IH）作為NPN 晶體管基極電流驅(qū)動電子電流（IE）直接越過N-well/P-well 形成的PN 結(jié)勢壘作為PNP 晶體管基極電流。電子電流IH與空穴電流IE形成可再生正反饋機制，為器件提供幾乎無限的電子與空穴用于電導(dǎo)調(diào)制，器件獲得極低的導(dǎo)通電阻，實現(xiàn)極高的di/dt 特性。而IGBT 受限于有限的MOS 溝道提供電子能力進入電流飽和階段，限制器件電導(dǎo)調(diào)制程度，影響器件的脈沖性能。

圖6 絕緣柵觸發(fā)晶閘管結(jié)構(gòu)與導(dǎo)通機理

圖7 展示了在相同電路條件下，IGTT 與IGBT 準矩形脈沖仿真結(jié)果，C0為6.6 μF，L0為940 nH，U0為200 V。從圖7 中可以看出，在工作電壓200 V 的條件下，IGTT 的IP和di/dt 均是IGBT 器件的2 倍以上，這也說明IGTT 器件在準矩形脈沖上的應(yīng)用具有IGBT無法媲美的優(yōu)勢。

圖7 IGTT 與IGBT 準矩形脈沖仿真結(jié)果

4 實驗結(jié)果與討論

形脈沖形成系統(tǒng)實物圖。IGTT 器件作為LC 傳輸網(wǎng)絡(luò)部分的開關(guān)，驅(qū)動部分為IGTT 器件提供驅(qū)動信號。LC 傳輸網(wǎng)絡(luò)由10 節(jié)儲能電容構(gòu)成，單節(jié)儲能電容容值大小為0.66 μF，電容間電感為扁平金屬銅條/鋁條，單節(jié)金屬鋁條/銅條電感約為90 nH。初始時刻，無柵極觸發(fā)信號，IGTT 處于阻斷狀態(tài)，充電系統(tǒng)將儲能電容的電壓值提升至U0。當(dāng)柵極觸發(fā)信號到來，IGTT開啟，LC 傳輸網(wǎng)絡(luò)儲存能量經(jīng)IGTT 開關(guān)產(chǎn)生準矩形脈沖電流，直至儲能系統(tǒng)能量耗盡。本文還以IGBT 作為脈沖功率開關(guān)，作為IGTT 試驗對比組?；贗GTT與IGBT 產(chǎn)生的準矩形脈沖波形如圖9 所示?？梢钥闯?，IGBT 產(chǎn)生的IP約為0.2 kA，di/dt 約為0.1 kA/μs，且脈沖電流上升部分存在波動以及平頂出現(xiàn)明顯紋波。這是由于IGBT 的MOS 溝道提供電子的能力有限從而產(chǎn)生電流飽和，限制了器件導(dǎo)通電阻降低。得益于可再生正反饋晶閘管工作模式，IGTT 可實現(xiàn)極低的導(dǎo)通電阻，其脈沖峰值電流達到0.3 kA，di/dt 為0.5 kA/μs，且具有較好的平頂特性。相較于常規(guī)IGBT，本文所提出的IGTT 峰值電流提升50%、di/dt提升400%，從實驗上證明了本文選用的IGTT 器件十分適合用于準矩形脈沖形成。

圖8 基于IGTT 準矩形脈沖形成系統(tǒng)

圖9 基于IGTT 與IGBT 產(chǎn)生的準矩形脈沖波形（U0=200 V）

在更高的工作電壓下，本文所提出的準矩形脈沖功率源可實現(xiàn)更高脈沖峰值電流與di/dt，不同U0下基于IGTT 產(chǎn)生的準矩形脈沖波形如圖10 所示。當(dāng)工作電壓U0=400 V 時，基于IGTT 產(chǎn)生的脈沖峰值電流為1.2 kA，di/dt 為2.9 kA/μs，ζ 僅為5.3%；隨著工作電壓的增加，LC 網(wǎng)絡(luò)儲能增加，所產(chǎn)生的準矩形脈沖電流峰值和di/dt 也隨之增大，不同工作電壓下的脈沖輸出特性參數(shù)如表1 所示。當(dāng)U0=1200 V 時，本款脈沖源實現(xiàn)了3.7 kA 的峰值電流和11.2 kA/μs 的di/dt，同時，其平頂紋波系數(shù)僅為2.3%，脈沖平頂特性較好。

圖10 不同U0 下基于IGTT 產(chǎn)生的準矩形脈沖波形

表1 基于IGTT 的準矩形脈沖電流參數(shù)

5 結(jié)論

本文提出了一種基于新型IGTT 器件的高功率準矩形脈沖源。通過對PFN 網(wǎng)絡(luò)的理論和仿真分析，指出了開關(guān)器件對于準矩形脈沖源性能的重要影響，同時闡明了選擇開關(guān)器件的要求，并采用一種針對脈沖功率應(yīng)用而特殊設(shè)計的IGTT 器件實現(xiàn)了高功率準矩形脈沖源的設(shè)計和優(yōu)化。實驗結(jié)果表明，在相同電路條件下，本款基于IGTT 的脈沖源相較于基于IGBT的設(shè)計，其峰值電流提升了50%、di/dt 提升了400%。在1200 V 的工作電壓下，PFN 電路產(chǎn)生了脈沖前沿約為350 ns、平頂寬度為3.05 μs、電流峰值為3.7 kA、前沿di/dt 為11.2 kA/μs、平頂系數(shù)僅為2.3%的準矩形脈沖電流，具有較好的準矩形脈沖輸出性能。