ПРИБОРЫ И ТЕХНИКА ЭКСПЕРИМЕНТА, 2014, № 3, с. 58-62
^ ЭЛЕКТРОНИКА
И РАДИОТЕХНИКА
УДК 621.373
МОЩНЫЕ КОММУТАТОРЫ НА ОСНОВЕ РЕВЕРСИВНО ВКЛЮЧАЕМЫХ ДИНИСТОРОВ ДЛЯ ВЫСОКОВОЛЬТНЫХ ИМПУЛЬСНЫХ ТЕХНОЛОГИЙ
© 2014 г. С. В. Коротков, Ю. В. Аристов, А. Л. Жмодиков, А. К. Козлов, Д. А. Коротков
Физико-технический институт им. А.Ф. Иоффе РАН Россия, 194021, С.-Петербург, ул. Политехническая, 26 E-mail: korotkov@mail.ioffe.ru Поступила в редакцию 14.08.2013 г.
Приведены результаты сравнительных исследований промышленно выпускаемых реверсивно включаемых динисторов (р.в.д.) с рабочим напряжением 2 кВ и диаметром структур 76 мм в режиме коммутации импульсов тока с амплитудой 200 кА и длительностью 300 мкс. Рассмотрена электрическая схема силовой цепи генератора мощных высоковольтных импульсов с коммутатором на основе блока последовательно соединенных р.в.д. Описаны р.в.д.-коммутаторы с рабочим током 250 кА и рабочим напряжением 12 и 24 кВ. Приведены результаты использования р.в.д.-коммутаторов в высоковольтных импульсных технологиях.
DOI: 10.7868/S0032816214020281
Коммутационные возможности современных полупроводниковых приборов позволяют разрабатывать на их основе высокоэффективные коммутаторы мощных электрических импульсов.
Способность полевых и биполярно полевых транзисторов быстро (за десятки наносекунд) включаться и выключаться при уровне тока в сотни ампер обеспечивает им определенные преимущества при высокочастотной коммутации мега-ваттной импульсной мощности. При мощности импульсов в десятки и сотни мегаватт более высокими коммутационными возможностями обладают четырехслойные полупроводниковые приборы — тиристоры и реверсивно включаемые дини-сторы (р.в.д.) [1]. Наличие дополнительного эмиттера носителей тока обеспечивает им более высокую проводимость после окончания процесса переключения. В настоящее время наименьшие потери энергии при коммутации мощных импульсов тока с микросекундным фронтом нарастания имеют р.в.д.
Р.в.д. были разработаны в ФТИ им. А.Ф. Иоффе. В отличие от тиристоров у них нет электрода управления. Включение производится путем реверса блокируемого напряжения и пропускания в обратном направлении короткого (~1 мкс) и достаточно мощного (не менее 20 А/см2) тока управления, протекающего через плотную систему узких каналов обратной проводимости. В результате в структуре р.в.д. практически однородно накапливается заряд запускающих носителей. При достаточной величине накопленного заряда включение динисторов происходит одновремен-
но по всей рабочей площади и без задержки относительно момента окончания тока управления.
Однородное распределение коммутируемого тока обеспечивает высокие коммутационные возможности р.в.д., возрастающие практически пропорционально рабочей площади. Отсутствие задержки включения позволяет синхронно переключать большое количество последовательно соединенных динисторов общим для всех приборов импульсом тока управления.
Принцип переключения р.в.д. определяет сильное влияние силовой цепи на процесс формирования тока управления, который является разностью между током блока запуска и силовым током. При большой скорости нарастания силового тока значительное снижение энергоемкости блока запуска достигается введением в силовую цепь дросселя с насыщающимся сердечником.
На рис. 1 приведена базовая электрическая схема высоковольтной силовой цепи с дросселем насыщения Ь0 [2]. Исходно к блоку последовательно соединенных р.в.д. приложено напряжение заряда силового конденсатора С0 (и0). Вари-сторы V ограничивают напряжение на динисто-рах на уровне ниже предельно допустимого. Сердечник дросселя Ь0 перемагничен до рабочего состояния током низковольтного блока перемаг-ничивания БП, протекающим через обмотку wп.
После включения блока запуска БЗ очень большая начальная индуктивность дросселя Ь0 препятствует резкому нарастанию силового тока 10. При этом ток управления р.в.д. фактически равен току блока запуска 1БЗ. В момент насыщения
Г БЗ-О ^ Г БЗ-2 1
«4—1
ь ;
п
К
«4—1
Рис. 1. Электрическая схема силовой цепи на основе р.в.д.
Я
сердечника индуктивность дросселя резко умень- тс
шается, и он фактически не влияет на процесс со
коммутации силового тока в нагрузку ^ со
Сравнительно большие потери энергии в ка- ян налах обратной проводимости р.в.д. затрудняют то их использование при коммутации знакопере- ум менных импульсов тока. Униполярная форма си- щ лового тока достигается согласованием волново- п1 го и резистивного сопротивлений силовой цепи ло или с помощью диодного блока В1, который пре- ди пятствует перезарядке конденсатора С0. При малом затухании силового тока используется диод- об ный блок В2, который подключается параллельно ш ^ В результате уменьшается токовая нагрузка то р.в.д., так как после максимума силовой ток через К них не протекает. ти
Базовые схемы блоков запуска (БЗ-1, БЗ-2) со- ту
во
держат высоковольтные коммутаторы К и предварительно заряженные запускающие конденсаторы с. ра
В БЗ-1 конденсатор С заряжен до напряжения о иС < и0. После включения К через р.в.д. протекает
ток управления, являющийся током перезарядки де
конденсатора С. В момент изменения полярности ко
напряжения на конденсаторе С ток управления оп
переключается в цепь диода В и уменьшается с ш постоянной времени Ь/Я.
В БЗ-2 конденсатор С заряжен до напряжения д
силовой цепи и0. После включения ключа К через ля
индуктивность Ь протекает ток перезарядки кон- н
денсатора С. В момент изменения полярности на- ро
пряжения на конденсаторе С к блоку р.в.д при- П
кладывается обратное напряжение. При этом ток зо
индуктивности Ь коммутируется в цепь динисто- к
ров и является для них током управления. во
В рассмотренных блоках запуска длительность
тока в цепях индуктивностей Ь превосходит дли- ж<
тельность задержки резкого нарастания силового 63
тока, формируемой дросселем насыщения Ь0, а сопротивление Я много больше электрического сопротивления блока р.в.д. во включенном состоянии. При этом устраняется возможность паузы тока в цепи р.в.д., которая может привести к уменьшению плотности накопленных запускающих носителей вследствие их рекомбинации, и практически исключается перераспределение силового тока в блок запуска после переключения динисторов.
Основными недостатками БЗ-1 являются необходимость использования дополнительного источника, обеспечивающего зарядку конденсатора С, и большое исходное напряжение на ключе К: иК = и0 + иС. Недостатком БЗ-2 является фактически пропорциональная зависимость амплитуды тока управления р.в.д. от напряжения силовой цепи.
Необходимая для формирования быстрона-растающих импульсов силового тока малая индуктивность дросселя в насыщенном состоянии обеспечивается в результате использования одно-витковой конструкции. Небольшие габариты сердечника достигаются путем создания очень короткого (не более 1—2 мкс) тока управления р.в.д., определяющего малое время задержки резкого нарастания силового тока.
При большой площади структур р.в.д. малая длительность управляющего воздействия определяет достаточно большую амплитуду тока управления (не менее 1 кА при диаметре р.в.д. 76 мм и скорости нарастания силового тока более 5 кА/мкс). При этом в блоках запуска должны быть использованы достаточно мощные ключи К. Такими ключами могут быть разрядники или высоковольтные сборки полупроводниковых приборов.
Промышленный выпуск р.в.д. с рабочим напряжением 2 и 3 кВ и диаметром структур 16, 24, 40, 56, 63, 76 мм был освоен в научно-исследовательском
Рис. 2. Осциллограммы коммутируемого тока I и падения напряжения на базовом (Ц^) и оптимизированном (Цу р.в.д. Масштабы по вертикали: тока — 50 кА/деление, напряжения — 5 В/деление, по горизонтали — 50 мкс/деление.
центре полупроводниковых приборов ОАО "Электровыпрямитель" (Саранск) более 10 лет назад. Базовые образцы динисторов показали уникальные для полупроводниковых приборов возможности и были способны коммутировать микросекундные импульсы тока с амплитудой до 200 кА и скоростью нарастания более 10 кА/мкс [2, 3].
Сравнительно недавно конструкция промыш-ленно выпускаемых р.в.д. была оптимизирована, что позволило существенно уменьшить коммутационные потери энергии и выйти на новый уровень коммутируемой мощности. На рис. 2 приведены осциллограммы падения напряжения на базовом (Ц1) и оптимизированном (Ц2) р.в.д. с диаметром структур 76 мм и рабочим напряжением 2 кВ, полученные при коммутации импульсов тока (I) с амплитудой 200 кА.
Авторы много лет занимаются разработкой мощных р.в.д.-коммутаторов. За это время были освоены уровни токов от десятков до сотен кило-ампер и напряжений от единиц до десятков киловольт [4—6].
На рис. 3 показан внешний вид недавно разработанных р.в.д.-коммутаторов с рабочим напряжением 12 и 24 кВ, способных коммутировать импульсы тока с амплитудой 250 кА и длительностью до 300 мкс. Они состоят из блоков последовательно соединенных оптимизированных р.в.д. с диаметром структур 76 мм и рабочим напряжением 2 кВ (соответственно 6 и 12 динисторов) и дросселей насыщения (слева от блоков р.в.д.). Дроссели имеют один виток в рабочей обмотке, выполненный в виде дюралевого цилиндра, и один виток в обмотке перемагничивания. Материал сердечников — аморфный сплав 9КСР, площадь сечения соответственно 50 и 100 см2.
Рис. 3. Р.в.д.-коммутаторы с рабочим током 250 кА и рабочим напряжением 12 кВ (на переднем плане) и 24 кВ.
Динисторы зажаты с помощью винтовых устройств с усилием ~100 кг/см2. К каждому р.в.д. подключен ограничитель напряжения в виде сборки из двух последовательно соединенных ва-ристоров JVR-14N102K. Варисторные сборки помещены в герметичные корпуса и расположены за блоками р.в.д.
Блоки запуска р.в.д. выполнены по схеме БЗ-2. Запускающие конденсаторы С (соответственно 0.066 и 0.022 мкФ) прикреплены к монтажным пластинам, расположенным перед р.в.д. Цепи Ь— Я—К (Ь ~ 0.8 мкГн, Я ~ 1 Ом) находятся в пластмассовых корпусах под коммутаторами. В этих же корпусах расположены блоки перемагничивания БП, выполненные по схеме однополупериодного диодного выпрямителя с выходной индуктивностью ~1 мГн. Ам
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.