[發明專利]一種RSD芯片電流密度分布計算方法

在審

• 申請號: 201710281773.5
• 申請日: 2017-04-26
• 公開（公告）號: CN107122543A
• 公開（公告）日: 2017-09-01
• 發明（設計）人: 彭亞斌
• 申請（專利權）人: 湖北科技學院
• 主分類號: G06F17/50
• 分類號: G06F17/50
• 代理公司: 暫無信息
• 代理人: 暫無信息

技術領域

本發明屬于半導體開關技術領域，涉及一種RSD芯片電流密度分布計算方法。

背景技術

脈沖功率技術是把相對長時間內存儲的具有較高密度的能量，以單次脈沖或重復頻率的短脈沖方式釋放到負載上的電物理技術。廢氣處理等環保需求推進了重復頻率脈沖功率技術以及半導體脈沖開關的發展。其中，晶閘管主要應用于毫秒及以上脈沖寬度KA級電流應用領域，IGBT主要應用于微秒脈沖中等功率脈沖電源。這些半導體功率開關的主要缺點不能同時滿足電流上升率(di/dt)高、電流峰值大、輸出電壓高等要求。

20世紀80年代，前蘇聯院士I.V.Grekhov發明的反向開關晶體管(Reversely Switched Dynistor,RSD)采用可控等離子體層觸發方式，反向注入觸發電流，在整個芯片面積上實現了同步均勻導通，可以實現高di/dt大電流微秒開通。基于RSD的重復頻率脈沖功率電源在環境保護、食品保鮮、軍事、工業加工等領域有著廣泛的應用前景。RSD器件是一種由數萬個晶閘管與晶體管元胞相間并聯排列的器件，沒有普通晶閘管的控制極，采用可控等離子體層觸發方式，反向注入觸發電流，在整個芯片面積上實現了同步均勻導通，從器件原理上消除了普通晶閘管器件存在的開通局部化現象，可以實現高di/dt微秒開通，同時在短時間內通過很大的電流。特殊的結構及開通原理使得RSD具有如下特點：全面積同步均勻導通；高功率微秒換流；理論上可無限串并聯；串并聯使用時觸發電路結構簡單；芯片面積利用率高；使用壽命長。

在RSD芯片的加熱、降溫、摻雜等生產過程中，由于工藝條件分布不均勻，使RSD芯片內部的半導體參數分布不一致，導致實際物理實驗過程中，RSD芯片內部的電流密度分布可能存在不均衡的情況。現有的RSD器件仿真模型及方法將RSD簡化為一個晶閘管單元和一個晶體管單元的反并聯組合，并按照經典計算公式進行仿真。這種方法的計算前提是假設整個RSD芯片內部的電流密度分布均勻，且只能進行器件的原理性仿真，無法模擬整個RSD芯片的電流分布情況，現有的實驗測試條件也不能測量整個RSD芯片的電流分布情況，不利于RSD的研究和發展。

發明內容

本發明的目的是針對現有的技術存在的上述問題，提供一種RSD芯片電流密度分布計算方法，本發明所要解決的技術問題是如何對RSD芯片電流密度分布進行計算。

本發明的目的可通過下列技術方案來實現：一種RSD芯片電流密度分布計算方法，其特征在于，本計算方法為離散化方法，其方法步驟如下：

步驟一、從RSD取出寬度為H、長度為RSD芯片直徑D的部分芯片；

步驟二、將步驟一所述部分芯片離散化為N個小RSD單元排成單列；

步驟三、將步驟二所述小RSD單元內部按照理想器件處理，即內部的Wn參數分布完全一樣，預充及正向導通電流密度分布均勻；

步驟四、所述小RSD單元的電流計算公式：RSD脈沖放電電路的主回路參數如下：回路總電感為L，放電電容為C0，回路總電阻為R，U為電容C0的電壓，主回路電流，計算

式中，預充階段的電壓及電流密度計算：RSD電壓降

式中，Q_N＝qN_dW_n，采用梯形法計算積分Q_R(t)|_t＝(n+1)dt，代入式(2)，方程變換為以J_F(t)為自變量的二元一次方程，求解得到N個小RSD單元的總電流：

式中，D＝(bQ_N)^-1-(bQ_N)^-2Q_R(t)|_t＝ndt/3，E＝(bQ_N)^-2dt/3，V＝U_R|_t＝(n+1)dt，A_rsd為小RSD單元的面積，J|_t＝(n+1)dt為t＝(n+1)dt時刻的電路方程計算得到的RSD芯片總電流密度；正向導通階段的RSD單元電壓及電流密度計算：磁開關飽和后，RSD電壓降

式中，

正向導通后，RSD電壓降

式中，

t＝(n+1)dt時，整理得到

式中，采用梯形法計算積分Q_F(t)，(6)變換為以J_F(t)為自變量的二元一次方程，求解得到N個小RSD芯片的總電流密度：