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RSD的换流物理模型研究

作　者: 邓林峰
导　师: 余岳辉
学　校: 华中科技大学
专　业: 微电子学与固体电子学
关键词: 物理模型脉冲功率系统 RSD 非平衡载流子大注入 Runge—Kutta方法
分类号: TM564
类　型: 硕士论文
年　份: 2007年
下　载: 32次
引　用: 3次
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内容摘要

本文介绍了脉冲功率技术的基本概念,归纳了脉冲功率技术领域开关器件的种类与其特性,指出了大功率超高速半导体开关RSD(Reversely Switched Dynistor)的基本优势。相对于传统的半导体开关而言,RSD在脉冲功率领域具有显著的优点:全面积同步导通、di/dt高、开启速度快、开通延时几乎为零、功耗低、理论上可无限串联、串并联使用时触发相对简单、维护方便、成本低、使用寿命长,而且已经成功地实现了国产化。在脉冲功率技术等领域具有极好的发展前途。考虑到生产成本,安全等众多因素,半导体器件,尤其是高压大功率半导体开关器件,在设计以及应用前往往都必须进行计算和仿真,而完成此项工作的基础是建立合理的半导体器件模型。评价一个好的器件模型主要有以下几个指标:合理性,模拟性,定性相似性,预测性,结构稳定性等。本文从基本的半导体理论出发,分析了RSD器件的工作原理。对Grekhov模型进行了详细的推导与分析,从最基本的半导体器件物理理论出发,导出器件内部载流子的运动及分布规律,定量地分析RSD的预充过程、导通过程,以及电流换向时刻附近的物理行为,并由此得出其正常开通的两个条件:(1)在预充阶段,RSD电压极性反向,此时,磁开关承受大部分的主回路电压;(2)反向预充时,必须提供足够多的预充电荷量,使等离子体分布在整个J2结附近,避免出现局部导通现象。这为RSD的应用提供了电路设计方面的依据。通过对Grekhov模型的推导,分析了模型的优点与缺陷,为建立自己更加完善的器件数值模型提供了依据。根据半导体器件建模的基本指导思想和基本方法,从半导体物理的基本方程出发,通过综合考虑大注入和强电场效应,得到了描述RSD工作的具有普遍适用性的基本方程。提出RSD以pnn+二极管方式工作于反向预充阶段,以pin二极管方式工作于正向导通阶段的物理模型。构建了与电流注入水平相关的边界条件。采用有限差分法把器件工作的偏微分方程转化为差分方程,并将相应的边界条件转化为精度较高的离散化形式。结合RSD工作的典型电路建立电路方程组,采用Runge-Kutta方法求解,由非平衡载流子分布得到了RSD的电压,电流波形。通过RSD的放电实验与模型计算进行比较,分析误差产生的原因,论证物理模型本身及数值方法的合理性。通过应用电路说明模型及算法的实用价值。物理模型和数值方法对于RSD器件设计及仿真电路的开发具有指导意义。

全文目录

摘要  4-6
ABSTRACT  6-10
1 绪论  10-23
  1.1 脉冲功率技术概述  10-11
  1.2 脉冲功率系统中开关元件的发展  11-16
  1.3 半导体器件建模概述  16-20
    1.3.1 器件建模的基本指导思想  17
    1.3.2 器件建模的基本要求  17-18
    1.3.3 器件建模的基本方法  18-20
  1.4 本论文研究内容  20-23
2 RSD 的工作原理及其对 Grekhov 模型的分析  23-41
  2.1 引言  23
  2.2 借助可控等离子层换流的原理  23-24
  2.3 RSD 的工作过程及解析模型的建立  24-40
    2.3.1 RSD 的结构及基本工作原理  24-26
    2.3.2 基本方程的导出  26-28
    2.3.3 预充过程的分析  28-32
    2.3.4 导通过程的分析  32-35
    2.3.5 对电流换向时刻附近临界预充电荷量的分析  35-40
  2.4 对 Grekhov 模型的评价  40
    2.4.1 Grekhov 模型的优点  40
    2.4.2 Grekhov 模型存在的问题  40
  2.5 本章小结  40-41
3 RSD 数值模型的建立  41-52
  3.1 引言  41-42
  3.2 基本方程的建立  42-45
  3.3 对器件内非线性效应的分析  45-48
    3.3.1 碰撞电离效应  45
    3.3.2 迁移率随电场的变化效应  45-48
  3.4 边界条件的处理  48-50
  3.5 模型的进一步分析讨论  50
  3.6 本章小结  50-52
4 模型的数值方法处理及RSD 电路实验  52-71
  4.1 引言  52
  4.2 基本方程的离散化及误差分析  52-55
  4.3 对器件压降的分析  55-58
  4.4 对 Matlab 程序的分析  58-62
  4.5 实验与讨论  62-70
    4.5.1 大电感情况  62-64
    4.5.2 磁开关情况  64-70
  4.6 本章小结  70-71
结论  71-72
致谢  72-73
参考文献  73-76
附录Ⅰ攻读硕士学位期间发表的论文目录  76-77
附录II  77-100

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