RSD开关在脉冲电源中的应用研究
李焕炀, 余岳辉, 胡乾，彭昭廉, 杜如峰, 黄秋芝
（华中科技大学电子科学与技术系，湖北 武汉 430074）
摘 要：该文提出应用RSD(Reversely Switched Dynistor)设计脉冲功率电源的方法，并在应用RSD设计脉冲电源过程中对两种关键元件磁开关和脉冲变压器进行了重点设计，确定回路参数配合原则。在3种典型触发方式的RSD脉冲电源基础上，提出了RSD端电压翻转式触发电路， 以提高RSD的触发效率，采用了阻尼衰减模型的设计方法消除主回路放电过程中出现的振荡。对该电源放电脉冲压缩形成回路模型进行了设计分析， 并对其和共触发电路进行了设计仿真。对所提出的触发RSD方式的脉冲电源设计方法进行了试验验证分析和仿真验证分析， 证明了设计方法的正确性。
关键词：反向开关晶体管；脉冲；电源；磁压缩
1 引言
近年来，随着脉冲功率技术越来越广泛地应用在核物理技术、电子束、加速器、激光、放电理论、电除尘、石油勘探、船舶冲击波试验模拟、金属电磁脉冲成形加工、等离子体技术、微电子加工技术、电子对抗、电磁炮、电磁炸弹、生物与生物医学工程等领域，对于脉冲功率系统中脉冲开关的要求越来越高，而半导体脉冲开关在某些方面的性能有着较大优势。
反向开关晶体管RSD(Reversely Switched Dynistor)是一种半导体脉冲功率开关，上世纪80年代初前苏联科学家I.V.Grekhov对其工作机理进行了研究，到80年代中期试制成功，直至上世纪80年代末90年代初完成了机理、微电子与电力半导体工艺技术、基本调制电路等的研究，一直到现在都在进行应用的研究，其核心理论为波击穿理论。因此，其产生、研究及其运用都始于前苏联和现在的俄罗斯。而我国对RSD与RSD应用方面的研究才刚刚开始。
由于RSD具有耐压高、无需均压、大电流、高di/dt(国外已达60kA/μs)、长寿命以及较高重复率(国外报道已达2000pps[1,2])等优点，故而研究基于RSD的脉冲电源的设计方法，对于应用RSD的脉冲功率电源系统应用研究有重大的意义。
2 RSD的基本结构和触发开通条件
RSD有较高的脉冲电流通过能力，其开通性能大大优于晶闸管。RSD的基本结构如图 1 所示，是由几千至数万个非对称晶闸管和晶体管交替并联组成。在RSD中使用的开关方法与晶闸管不同，最典型的不同的是，反向注入控制技术是通过加在器件两端电压极性的瞬间变化来完成等离子层控制。当RSD上电压极性翻转时，晶体管n+p结被击穿，触发电流通过二极管pnn＋，形成等离子体击穿，由于触发的一致性，使得器件的开关是在器件的整个区域上均匀实现的。
RSD触发开通条件是通过控制RSD等离子体层出现的过量电荷耗尽所要求的时间texh, 与RSD中再生反馈开始的时间相比较来得到。该条件为
式中 tR为控制等离子层的触发时间；IR为触发电流，不论IR波形怎样，只要IR<0就有效；dIF/dt为开通的脉冲电流上升率；vG为与RSD中再生反馈开始的时间所对应的参数。因此，RSD的正常开通与触发电流的大小和触发电流持续的时间有关。
3 脉冲电源中关键元件的设计
3.1 RSD触发开通的3个条件
根据RSD的触发开通的3个条件：触发电流须反向；反向电流大小必须达到一定量级；反向电流持续的时间长短，电路中必须有一个延迟隔离的元件磁开关。而且要形成反向触发脉冲电流，需要解决脉冲变压器的设计问题，因为它的性能好坏都将影响到触发回路的触发效率。因此，经综合考虑需要对磁开关和脉冲变进行专门重点设计。
3.2 磁开关的设计
磁开关的磁心选择原则：高频特性好，且高频损耗小；初始磁导率高；磁通密度DB=Br+Bs大(Br为剩余磁通密度，Bs为饱和磁通密度)，但Br又不能太大，否则磁复位困难；电阻率高。即磁滞回线越窄越高越好[3]。
对于磁性元件，其非饱和电感
为电感匝数；S为磁心的截面积, m2；l为平均磁路长度, m； FS为填充因子，可取FS=0.8´(dm+di)/dm，其中，di为绝缘材料厚度；dm为磁心厚度。
饱和电感为
即tks与磁心材料、N、S和V0(磁开关输入端电压)等有着密切的关系。设Im为流过RSD的最大电流，那么磁开关的总压缩比为
设mk为初始磁导率；令饱和磁导率mks=mrm0(相对磁导率mr为102~105的数量级)，由于磁开关饱和时mks=m0，则上式即为
若使用环形磁心，设单个磁心的截面积为A时，则所需磁心个数即为
m=S/A (10)
3.3 脉冲变压器的设计
（1）脉冲变压器截面积和体积的确定