ПРИБОРЫ И ТЕХНИКА ЭКСПЕРИМЕНТА, 2007, № 2, с. 91-95
_ ЭЛЕКТРОНИКА _
- И РАДИОТЕХНИКА -
Р.В.Д.-ПЕРЕКЛЮЧАТЕЛЬ МИКРОСЕКУНДНЫХ ИМПУЛЬСОВ ГИГАВАТТНОГО ДИАПАЗОНА МОЩНОСТИ
© 2007 г. Ю. В. Аристов, В. Б. Воронков, И. В. Грехов, А. Л. Жмодиков, А. К. Козлов,
С. В. Коротко,, И. А. Рольник
Физико-технический институт им. А.Ф. Иоффе РАН Россия, 194021, С.-Петербург, ул. Политехническая, 26 Поступила в редакцию 04.08.2006 г.
Описан мощный (150 кА, 16 кВ) малогабаритный переключатель на основе блока последовательно соединенных реверсивно включаемых динисторов (р.в.д.) и коаксиального дросселя насыщения, создающего условия для их эффективного переключения. Его принципиальной особенностью является радикальное уменьшение длительности управляющего воздействия, в результате чего обеспечиваются минимальные габариты и малая индуктивность дросселя насыщения при высокой (25 кА/мкс) скорости нарастания коммутируемого тока. Требуемое для сохранения величины запускающего заряда увеличение амплитуды и скорости нарастания тока управления достигается благодаря использованию в цепи управления р.в.д. высоковольтного быстродействующего коммутатора на основе новых полупроводниковых приборов - динисторов с глубокими уровнями.
PACS: 84.30.Jc, 84.70.+р, 85.30.-z, 85.30.De
Традиционными полупроводниковыми переключателями в мощных устройствах импульсной энергетики являются силовые кремниевые тиристоры. Они имеют малое стационарное падение напряжения по окончании переходного процесса переключения и сравнительно небольшую стоимость, благодаря простой технологии изготовления.
Малое стационарное падение напряжения позволяет длительно пропускать мощные импульсы тока. Однако в микросекундном диапазоне коммутационные возможности силовых тиристоров резко снижаются из-за того, что процесс их переключения начинается в узкой области у электрода управления и очень медленно (0.1-0.5 мм/мкс) распространяется по площади полупроводниковой структуры. Перегрев областей первоначального включения ограничивает предельную скорость нарастания коммутируемых импульсов тока на уровне нескольких сотен ампер в микросекунду.
В последние годы широкое распространение получили специальные импульсные тиристоры GCT (Gate Commutated Thyristor), в которых повышение однородности переключения достигается в результате использования сильно разветвленного электрода управления, позволяющего разбить структуру прибора на небольшие секции, размер которых соизмерим с размером областей первоначального включения. Однако при этом уменьшается токо-проводящая площадь тиристора и резко увеличивается амплитуда управляющего тока. Вследствие более сложной технологии изготовления стоимость GCT существенно выше, чем у силовых тиристоров.
Перспективной альтернативой импульсным тиристорам являются двухэлектродные полупроводниковые приборы - реверсивно включаемые ди-нисторы (р.в.д.) [1-3], переключаемые с помощью управляющего плазменного слоя.
Принцип коммутации с управляющим плазменным слоем заключается в следующем. Если в четы-рехслойном полупроводниковом приборе отказаться от электрода управления и каким-либо способом создать равномерно распределенный в плоскости коллекторного /»-«-перехода слой электронно-дырочной плазмы, то под действием внешнего напряжения дырки из этого слоя будут однородно по площади перемещаться в /-область, а электроны - в «-область. Эти носители понижают потенциальный барьер эмиттерных /-«-переходов и инициируют однородное по площади переключение прибора по обычному механизму.
Для формирования управляющего плазменного слоя в структуру р.в.д. введена плотная равномерно распределенная система инжекционных каналов обратной проводимости. Переключение р.в.д. осуществляется путем реверса блокируемого напряжения. При этом через каналы обратной проводимости протекает ток управления, обратный по отношению к коммутируемому току. В результате обеспечивается однородная по площади инжекция электронов и дырок в базовые области прибора, и у коллектора образуется слой электронно-дырочной плазмы, являющийся источником запускающих носителей.
Если плотность плазмы в управляющем слое достаточно велика, и на каждом участке структу-
ры р.в.д. величина запускающего заряда превышает некоторый критический уровень, необходимый для переключения, то включение р.в.д. происходит одновременно по всей площади и без задержки относительно момента окончания тока управления.
Вследствие однородного переключения коммутационные возможности р.в.д. более чем в два раза превосходят возможности лучших современных импульсных тиристоров с той же площадью полупроводникового элемента и возрастают практически пропорционально рабочей площади.
Отсутствие задержки включения создает возможность синхронного переключения большого количества р.в.д., что обеспечивает высокую надежность мощных р.в.д.-коммутаторов.
В настоящее время выпуск р.в.д. освоен в ОАО "Электровыпрямитель" (Саранск). Их стоимость, вследствие сравнительно простой технологии изготовления, не превышает стоимости силовых тиристоров с той же рабочей площадью.
Уникальные коммутационные возможности р.в.д. и высокая надежность при последовательном соединении позволяют использовать р.в.д.-пере-ключатели для коммутации гигаваттных импульсов микро- и субмиллисекундной длительности.
Основные проблемы при разработке таких переключателей связаны с необходимостью создания достаточно мощных цепей управления, на которые в процессе переключения р.в.д. существенное воздействие оказывает силовая цепь.
Радикальное уменьшение степени воздействия силовой цепи обеспечивается путем подключения последовательно с р.в.д.-переключателем разделительного магнитного коммутатора - дросселя насыщения. В процессе управляющего воздействия дроссель имеет большую индуктивность. При этом он блокирует напряжение силовой цепи и создает задержку резкого нарастания силового тока, в течение которой через р.в.д.-переключа-тель пропускается ток управления 1у. После насыщения сердечника индуктивность дросселя резко уменьшается, силовой ток быстро нарастает, к р.в.д.-переключателю прикладывается напряжение исходной полярности, и он без задержки включается.
Для уменьшения влияния дросселя на процесс формирования мощных быстронарастающих импульсов силового тока необходимо обеспечить малую индуктивность его обмотки после насыщения сердечника (<<1 мкГн при скорости нарастания силового тока в несколько десятков килоампер в микросекунду), что определяет малое число витков обмотки м. При малом м> и большой (единицы микросекунд) длительности управляющего воздействия ¿у площадь сечения сердечника велика, и габариты дросселя, как правило, превосходят габариты р.в.д.-переключателя. В этой связи акту-
альной является задача создания цепей управления (ц.у.) с малой длительностью выходного тока, позволяющих использовать малогабаритные дроссели насыщения.
При малой длительности управляющего воздействия амплитуда тока управления должна быть велика (>1.5 кА при Ц ~ 500 нс и р.в.д. 076 мм). Большие амплитуда и скорость нарастания тока 1у требуют использования в ц.у. достаточно мощных запускающих переключателей.
В работах [4, 5] рассматривались цепи управления р.в.д. с переключателями в виде тиристоров и ЮВТ-транзисторов. Основные недостатки этих приборов - ограничения по коммутируемому току и сложность обеспечения надежной работы при последовательном соединении.
В [6] цепь управления мощного блока р.в.д. построена на основе блока р.в.д. с малой рабочей площадью. Недостатком такого решения являются сравнительно большие габариты ц.у. из-за присутствия разделительного дросселя в цепи запускающего блока р.в.д.
Существенно меньшие габариты ц.у. могут быть получены при использовании в ней динисто-ров, переключаемых в результате создания запускающей ударно-ионизационной волны - FID-дини-сторов [7, 8], или недавно разработанных в ФТИ им. А.Ф. Иоффе динисторов с глубокими уровнями (д.г.у.).
Принципиальной особенностью д.г.у. является [9] наличие примеси, которая создает центры захвата электронов у середины запрещенной зоны и обеспечивает более эффективное формирование ударно-ионизационной волны.
Переключение д.г.у. инициируется путем приложения короткого (1.5-2 нс) импульса прямого напряжения, нарастающего со скоростью >1 кВ/нс.
При напряженности поля, существенно большей напряженности поля пробоя в статике, происходит туннельная ионизация примесных центров. Освобожденные электроны оказываются в области сверхвысокого поля и вызывают интенсивную ударную ионизацию и очень быстрое (сотни пикосекунд) переключение д.г.у. в проводящее состояние.
Вследствие малых коммутационных потерь энергии, обусловленных высокой скоростью переключения и небольшим падением напряжения во включенном состоянии, допустимая скорость нарастания тока в д.г.у. составляет несколько сотен килоампер в микросекунду.
На рис. 1 приведена электрическая схема высоковольтного (16 кВ) генератора мощных импульсных токов с р.в.д.-переключателем, имеющим цепь управления, выполненную на основе высоковольтного блока д.г.у.
Рис. 1. Схема генератора мощных импульсов с высоковольтным р.в.д.-переключателем. Т - Т122-25-12; Д - ДЛ112-16-12;
Др - сердечник 9КСР К100 х 50 х 180, --
: > = 1;
Тр - сердечник М3000НМ К20 х 12 х 18, w1 = 5, w2 = 10.
В исходном состоянии к блокам р.в.д. и д.г.у. приложено напряжение заряда емкостного накопителя энергии С0. Ток управления блока р.в.д. формируется в результате включения блока д.г.у. и перезаряда конденсатора Су через цепь управления ц.у. В процессе перезаряда дроссель насыщения Др препятствует резкому нарастанию силового тока.
В момент изменения полярности напряжения на Су к р.в.д. прикладывается обратное напряжение, и в них коммутируется ток 1у, медленно затухающий с постоянной времени ~Ьу/Яу (Яу служит для разделения цепей блоков р.в.д. и д.г.у. в процессе коммутации мощного импульса силового тока). Длительность тока 1у определяется временем перемагничивания сердечника Др до состояния насыщения. В момент насыщения сердечника индуктивность Др становится очень малой, и силовой ток резко нарастает. При эт
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.