ПРИБОРЫ И ТЕХНИКА ЭКСПЕРИМЕНТА, 2014, № 4, с. 67-72
^ ЭЛЕКТРОНИКА
И РАДИОТЕХНИКА
УДК 621.373
ИССЛЕДОВАНИЕ ДИНИСТОРНЫХ КОММУТАТОРОВ С НАНОСЕКУНДНЫМ ВРЕМЕНЕМ ПЕРЕКЛЮЧЕНИЯ
© 2014 г. С. В. Коротков, Ю. В. Аристов, В. Б. Воронков, Д. А. Коротков
Физико-технический институт им. А.Ф. Иоффе, РАН Россия, 194021, С.-Петербург, Политехническая ул., 26 Е-таП:кого(коу@таП.ю^е.ги Поступила в редакцию 17.10.2013 г.
Приведены результаты исследования процесса переключения динисторов с глубокими уровнями (д.г.у.) с диаметром структур 16 и 24 мм в режимах коммутации микро- и наносекундных импульсов тока с амплитудой в несколько килоампер. Показана достаточно высокая однородность процесса переключения динисторов. Представлены результаты испытаний д.г.у. при высокой частоте следования коммутируемых импульсов тока. Описан принцип построения мощных д.г.у.-коммутаторов с автономным запуском динисторов, основанный на использовании в силовой цепи одновиткового дросселя насыщения, а в цепях запуска д.г.у. — разделительного трансформатора с насыщающимся сердечником. Рассмотрен д.г.у.-коммутатор с рабочим напряжением 8 кВ, способный на частоте 2 кГц коммутировать импульсы тока с амплитудой 1.5 кА и длительностью 200 нс.
БО1: 10.7868/80032816214040065
В работах [1, 2] приведены результаты пилотных исследований недавно разработанных в ФТИ им. А.Ф. Иоффе кремниевых переключателей ти-ристорного типа — динисторов с глубокими уровнями (д.г.у.). Они свидетельствуют о высоких перспективах д.г.у. в режимах коммутации наносекунд-ных импульсов тока. Так, динисторы с диаметром структур 12 мм были способны коммутировать импульсы тока с амплитудой несколько килоампер и скоростью нарастания до 200 А/нс. Высоковольтные коммутаторы на их основе позволили коммутировать импульсные мощности ~10 МВТ за время менее 10 нс.
Принцип действия д.г.у. заключается в следующем. При блокировании силового напряжения в его структуре создается свободная от носителей тока область объемного заряда (о.о.з.) с максимальной напряженностью поля у коллектора. Она занимает значительную часть базовых областей. Между о.о.з. и эмиттерами формируются узкие нейтральные области, препятствующие статическому пробою. Процесс переключения осуществляется путем приложения импульса высокого напряжения с очень коротким (наносекундным) фронтом нарастания. В этих условиях напряженность поля в области коллектора резко возрастает, однако пробой не возникает, так как о.о.з. не успевает достичь эмиттеров. При достаточно большой напряженности поля происходит полевая эмиссия электронов с глубоких уровней, расположенных в запрещенной зоне кремния. Они инициируют процесс ударной ионизации, обеспечиваю-
щий переключение д.г.у. в проводящее состояние за время <1 нс.
Высокая скорость нарастания запускающего напряжения достигается в результате пропускания через д.г.у. достаточно большого (сотни ампер) тока управления, необходимого для быстрой зарядки его собственной емкости. При этом обеспечивается интенсивная инжекция носителей тока из эмиттерных областей и образование у эмиттеров тонких слоев электронов и дырок. Они быстро движутся к коллектору в условиях биполярного дрейфа и осуществляют модуляцию проводимости базовых областей после переключения д.г.у.
Рассмотренный принцип переключения д.г.у. создает определенные трудности при практической реализации и обусловливает потенциальную возможность локализации коммутируемого тока вследствие фундаментальной неустойчивости быстрых лавинных процессов. В этой связи актуальными являются представленные ниже результаты исследования процесса переключения д.г.у. и цепей формирования запускающих импульсов высокого напряжения.
Исследовались динисторы с рабочим напряжением 2.3—2.5 кВ. Их конструкция была оптимизирована с целью устранения эффекта резкого увеличения поверхостного тока утечки, обнаруженного в [2] после окончания длительных частотных испытаний. Между анодным эмиттером и краевой поверхностью было создано охранное кольцо с другим типом проводимости. При достаточной ширине кольца инжектируемые из эмиттера носители тока (дырки) не достигают краевой
67
5*
КК
Рис. 1. Электрическая схема стенда для исследования д.г.у.; T — IRGPS60B120KDP (2 параллельно); D — HER608, D1 — HER608 (3 последовательно ), д.д.р.в. — диаметр структур 16 мм (8 последовательно); Тр — w1 = 1, w2 = 3, сердечник из феррита N 87 фирмы Epcos, 4 кольца R22.1 х 13.7 х 12.5 мм; L = 800 мкГн; Cq = = 66 нФ, C = 60 нФ, C1 = 6.6 нФ, Сд = 6.6 нФ; R = 1 Ом, R = 1кОм, Яд = 500 Ом, Яш = 50 мОм.
поверхности. При этом на ней не образуется проводящий слой, определяющий увеличение тока утечки при приложении рабочего напряжения.
В ОАО "Электровыпрямитель" (Саранск) была изготовлена опытная партия оптимизированных д.г.у. с диаметром структур 16 и 24 мм. При частотных испытаниях токи утечки в них существенно не увеличивались.
На рис. 1 приведена электрическая схема стенда для исследования оптимизированных д.г.у.
Принцип действия стенда аналогичен [2]. Формирование необходимых для переключения д.г.у. наносекундных импульсов высокого напряжения осуществляется цепью управления, состоящей из блока последовательно соединенных дрейфовых диодов с резким восстановлением (д.д.р.в.) [3, 4] и блока запуска БЗ.
В исходном состоянии к сборке параллельно соединенных транзисторов Т приложено напряжение зарядки конденсатора С, к исследуемому д.г.у. — напряжение зарядки силового конденсатора С0. Конденсатор С1 разряжен. Сердечник трансформатора Тр перемагничен до рабочего состояния небольшим постоянным током, протекающим через индуктивность Ь и первичную обмотку w1.
При включении Т через вторичную обмотку w2 трансформатора Тр и блок д.д.р.в. в прямом направлении протекает короткий (~250 нс) ток зарядки конденсатора С1, обеспечивающий накопление заряда в структурах диодов. После насыщения сердечника Тр конденсатор С1 быстро (~80 нс) разряжается через обмотку w2 и блок д.д.р.в. Протекающий через диодные структуры обратный ток осуществляет вынос накопленного заряда.
В момент максимума обратного тока конденсатор С1 практически полностью разряжается и
- ■ - ■ ! ! Ч б Г—.—:—:—:— i 4 ' î + 1
71 , / , T ,.„ Г t
I2 \ ■ ■ л ... .
'lili
J
¡jZ III. U2 Т?ГГГ
i i : i F..... Ui i . 1 . 1 ¡ 1 Г . 1 1 Г 1 1 1 1 1 1 1 Г 1 1 \ 1 1 n i ¡^ .1 .
Рис. 2. Сравнительные осциллограммы коммутируемого тока и падения напряжения на д.г.у. с диаметром структуры 24 мм (II и #1) и 16 мм (/2 и й^). Масштабы по вертикали: тока — 500 А/деление, напряжения — 600 В/деление, по горизонтали — 10 нс/деление.
величина вынесенного заряда достигает величины заряда, накопленного при протекании прямого тока. В результате базовые области диодов освобождаются от накопленной плазмы и проводимость блока д.д.р.в. резко уменьшается. При этом протекающий через обмотку w2 ток блока запуска БЗ очень быстро (за 1.5—2 нс) коммутируется в силовую цепь С0—д.г.у.— Яш и является током управления д.г.у. Предельно малая монтажная индуктивность силовой цепи позволяет обеспечить быструю зарядку собственной емкости динисто-ра. В результате напряжение на д.г.у. резко нарастает, и он переключается. Шунтирующий диодный блок D1 определяет униполярную форму тока блока БЗ после переключения д.г.у. В цепи R—D рассеивается энергия, остающаяся в конденсаторе С после насыщения сердечника Тр.
На рис. 2 показаны осциллограммы коммутируемых импульсов тока I1 (~3 кА) и напряжения U1 на д.г.у. с диаметром структуры 24 мм. Они получены при токе управления 300 А, обеспечивающем минимальные потери энергии в динисторе после его переключения. Кривые с индексом 2 иллюстрируют процесс переключения д.г.у. с диаметром структуры 16 мм.
Осциллограммы регистрировались с помощью цифрового осциллографа TDS 3052B с полосой пропускания 500 МГц и описанных в [2] широкополосного шунта Rm и низкоомного скомпенсированного делителя напряжения Rд с нижним плечом в виде 50-омного коаксиального кабеля КК (рис. 1). Делитель подключался к д.г.у. через сборку керамических конденсаторов Сд.
Ток блока БЗ измерялся поясом Роговского ПР, выполненным по рекомендациям [5].
д
ИССЛЕДОВАНИЕ ДИНИСТОРНЫХ КОММУТАТОРОВ
69
¡ Г| 1 ■ 1 1 ..i. 1 . 1 . 1 i—I—I—I—I— ..... 1 . i . i i 1 i . i . i ' ' ' +
I
г ч .......¡ ff i i" i 1 ■i i 1 i I i i M
k
U
' .... i ¡ .... I .... " i .... í .... i
Рис. 3. Осциллограммы коммутируемого тока I и падения напряжения и на д.г.у. с диаметром структуры 16 мм. Масштабы по вертикали: тока — 1 кА/деление, напряжения — 250 В/деление, по горизонтали — 2 мкс/деление.
В процессе экспериментов конденсатор CG заряжался до напряжения ~2 кВ. Ток блока БЗ регулировался путем изменения напряжения зарядки конденсатора C. При этом подстройка моментов насыщения сердечника Тр осуществлялась в результате изменения тока перемагничивания. Структура исследуемого д.г.у. была помещена в герметизирующий корпус таблеточного типа с высотой ~6 мм.
При сравнении осциллограмм на рис. 2 видно, что падение напряжения на д.г.у. практически обратно пропорционально их рабочей площади, что косвенно подтверждает достаточно равномерное распределение коммутируемого тока.
Так как полученные результаты однозначно не доказывают однородность распределения тока при переключении д.г.у. (он может протекать по небольшим равномерно распределенным участкам первоначального включения), то были проведены дополнительные исследования в режиме коммутации импульсов тока с большой (микросекундной) длительностью.
На рис. 3 приведена осциллограмма падения напряжения U на д.г.у. с диаметром структуры l6 мм при коммутации тока I (~4 кА), имеющего практически постоянную величину в течение нескольких микросекунд после достижения максимума. Для его формирования в схеме на рис. l вместо конденсатора CG использовалась многозвенная искусственная формирующая линия. Падение напряжения на д.г.у. измерялось с помощью высоковольтного делителя фирмы Tektronix.
Длительность спада напряжения на д.г.у. до
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.