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1、华中科技大学 硕士学位论文 半导体脉冲功率器件RSD的热学性质研究 姓名：陈学川 申请学位级别：硕士 专业：微电子学与固体电子学 指导教师：余岳辉 20090525 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 I 摘摘 要要 反向开关晶体管 RSD（Reversely Switched Dynistor）是 20 世纪 80 年代由前苏 联的科学家基于可控等离子层的换流原理提出的一种专门应用于脉冲功率领域的新 型半导体开关。RSD 器件独特的换流特性使其残余电压在前沿突升很小，导通时的 换流损耗远小于准静态损耗，这使得该器件工作于连续振荡发生方
2、式的频率极限得 到了大幅度提高。 RSD 器件作为一种功率器件其工作环境十分恶劣，工作时它的结温会上升得非 常高，这样一来对该器件功率耗散的改进和热学特性的提高就变得尤为重要。热阻 是用来描述功率器件热学特性的一个重要参数，它可以衡量器件对热量传导的能力， 与器件的电特性和机械特性有关。本文以结温压降的关系原理为基础，设计了 RSD 器件的热阻测量实验， 得到了螺栓型小尺寸的RSD器件的热阻实验值约为0.63/W， 并将该值与热阻的理论计算值进行对比分析从而验证了结果的可靠性。 在脉冲功率应用中，RSD 器件会产生类似于金属的电流沿器件边缘分布的趋肤 效应现象。本文根据趋肤效应的基本理论，推导
3、了 RSD 器件的趋肤深度值并用有限 元软件 ANSYS 模拟了 RSD 器件在脉冲条件下的电流密度以及热量的分布情况，并 将模拟得到的趋肤深度值与计算结果进行比较从而验证了该器件中趋肤效应的存 在。 RSD 器件热阻和趋肤效应的研究为改善器件的热学特性，扩展器件的工作范围 奠定了良好基础。 关键词关键词： RSD 器件 热阻测量 趋肤效应 ANSYS 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 II Abstract RSD(Reversely Switched Dynistor), a new type semiconductor swit
4、ch proposed by Russia scientists in 1980s, which is based on the principle of current commutating of controllable plasma layer，is widely used in the power pulse field. The unique current commutating character of RSD enable residual voltage a small jump at the front edge. The current commutating loss
5、 in on- state is less than the loss in quasi- static state, and this enable the frequency acquired in a continuate resonace way in which RSD works rise extensively. As a power device, RSD works in bad condition and the temperature of its junction will get very high which makes the research of power
6、dissipation and thermal character of this device very important. Thermal resistance is a parameter of thermal character of power device which describes heat conduction ability of the device. Based on the theory of relationship between junction temperature and voltage, a thermal resistance measuring
7、experiment is designed and the experiment value of thermal resistance of RSD is obtained as 0.63/W which is compared to the calculation result in theory, and the reliability of the result is proved. In power pulse application, similar to metal, skin effect will also occur in RSD device. According to
8、 the basic theory of skin effect, skin depth is derived and the current distribution in pulse of RSD is simulated by finite element software ANSYS. Skin effect is proved to exist in RSD after comparing the simulation result and the calculation one. The study on thermal resistance and skin effect of
9、RSD device is a good preparation for improving the thermal character of the device and expanding its working scale. Key Words: RSD device thermal resistance measuring skin effect ANSYS 独创性声明独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的 研究成果。尽我所知，除文中已经标明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人 或集体已经发表或撰写过的研究成果。对本文的研究做出贡献的个人和集体
10、，均已 在文中以明确方式标明。本人完全意识到，本声明的法律结果由本人承担。 学位论文作者签名： 日期： 年 月 日 学位论文版权使用授权书学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权 保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借 阅。本人授权华中科技大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进 行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。 保密 ，在_年解密后适用本授权书。 不保密。 （请在以上方框内打“”） 学位论文作者签名： 指导教师签名： 日期： 年 月 日 日期： 年 月 日 本论文属
11、于 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 1 1 绪绪 论论 1.1 脉冲功率技术以及开关技术概述脉冲功率技术以及开关技术概述 脉冲技术是一门应用十分广泛的技术，一般可以按照其输出的功率和电压将其 划分为如下两大类：电压较低的小脉冲功率技术（也叫脉冲技术）和电压较高的大 脉冲功率技术（也叫脉冲功率技术） 。 脉冲技术具有较长的历史，并伴随着通讯、无线电等技术的发展已成为一门比 较成熟和完整的先进技术；而脉冲功率技术则相对前者来说是一门新的技术，该技 术主要是研究高压大电流强脉冲功率的产生、传输以及应用等相关技术。这种技术 的基本原理是将巨
12、大的能量事先储存到储能元件之中，然后通过开关很快的将该能 量在极短时间之内释放到负载上，从而可以得到很高的瞬时输出功率1。 脉冲功率技术起源于它在核聚变相关研究中的应用，经过数十年的发展，该技 术逐渐在核物理、加速器、电子束、石油勘探、激光、电除尘、等离子体技术、船 舶冲击波试验模拟、微电子加工技术、电磁炸弹、电磁炮、雷达、放电理论、电子 对抗、微波与射频技术、金属电磁脉冲成形加工、无线移动通信数字脉冲调制与发 射系统、生物与医学工程等众多领域得到了越来越广泛的应用2- 4。 脉冲功率系统大致由以下五个部分组成，即：高压电源、能量储存部分、脉冲 形成回路、开关部分以及负载，图 1- 1 所示的
13、是其基本组成4。 下面就上述系统中各个部分的作用做下简单介绍：高压电源作为系统的功率源， 它的任务是给系统提供能量；能量存储单元的作用则是将从高压电源处得到的能量 存储一小段时间，而这个存储时间的长短由系统对输出的要求来决定，而对储存单 元的充电时间则决定于高压电源和存储部分自身的性能，通常的能量存储单元有电 感型和电容型两种；脉冲产生回路的作用是将前一个部分得到的能量以陡峭的电流 高压 电源 能量储 存部分 脉冲形 成回路 开关 负载 图图 1- 1 脉冲功率系统示意框图脉冲功率系统示意框图 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 2 脉
14、冲的形势释放，并经开关最终传递给负载；开关单元是脉冲功率系统中十分重要 的一个部分，这是因为它的特性和参数对所产生的脉冲的上升时间及幅值都具有十 分重要和直接的影响，另外由于开关经常是工作于高压大电流之下，它工作的条件 恶劣，而且开关电极处物理放电的过程以及开关中存在的击穿现象都很复杂，脉冲 功率系统中的开关在理想状态下应该具有能够承受高压大电流、电阻小、无寄生电 感并能工作于重复脉冲状态下等特点；系统的最后一个部分是负载，按照系统对输 出的要求，负载可以是电容性、电感性、电阻性，也可以是它们的组合4。 当前对脉冲功率技术的研究主要包括产生和存储能量、形成脉冲以及研制高性 能开关元件等。其中对
15、开关元件的研究是脉冲功率技术的关键，这主要是因为一来 开关元件是脉冲功率系统的关键组成部分，二来它涵盖了微电子技术、控制技术以 及电力技术等三个领域，是一门交叉学科的技术5。 脉冲功率系统中所使用的开关一般包括闸流管、真空管、火花隙、爆炸式开关 和引燃管，它们在脉冲功率系统中的应用十分广泛。尽管如此，对于这些开关来说 大都存在很多缺陷：第一个缺点是它们的工作寿命通常都比较短，例如爆炸式开关 一般只能使用数次，这就使得它在实际应用中，成本很高、效率很低，而且维护很 复杂；第二个缺点是传统开关的体积都相对庞大，这就很难适应当今工业中对器件 设备的小型化要求；第三个缺点就是传统开关大多不够稳定，在工
16、作时难以进行同 步控制；第四点就是由于这些开关功耗很大，在提倡节约资源的今天是十分不经济 的。 当然，随着科学技术的不断发展，尤其是半导体行业技术的进步，半导体开关 在电力电子领域得到了日益广泛的应用。由于半导体开关具有使用寿命长、器件体 积小、工作性能稳定等优点，世界各国都对这类开关器件的研究表现出了极大的热 情，并相继报道了各种新原理、新结构的半导体器件。无论是晶闸管，还是说 GTO、 GCT、功率 MOSFET，或者是更新的 IGBT，各类半导体器件如雨后春笋一般涌现出 来并组成了一个门类众多的半导体开关器件大家族。 尽管半导体开关器件的种类繁多，然而由于这类器件要么工作频率高但工作电 压低，要么工作电压高但频率低。而且这些器件大多为三
