научная статья по теме ВЫСОКОВОЛЬТНЫЕ ДИОДНО-ДИНИСТОРНЫЕ КОММУТАТОРЫ МОЩНЫХ ЗНАКОПЕРЕМЕННЫХ ИМПУЛЬСОВ ТОКА Физика

Текст научной статьи на тему «ВЫСОКОВОЛЬТНЫЕ ДИОДНО-ДИНИСТОРНЫЕ КОММУТАТОРЫ МОЩНЫХ ЗНАКОПЕРЕМЕННЫХ ИМПУЛЬСОВ ТОКА»

ПРИБОРЫ И ТЕХНИКА ЭКСПЕРИМЕНТА, 2014, № 4, с. 61-66

^ ЭЛЕКТРОНИКА

И РАДИОТЕХНИКА

УДК 621.373

ВЫСОКОВОЛЬТНЫЕ ДИОДНО-ДИНИСТОРНЫЕ КОММУТАТОРЫ МОЩНЫХ ЗНАКОПЕРЕМЕННЫХ ИМПУЛЬСОВ ТОКА

© 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, Политехническая ул., 26 E-mail: korotkov@mail.iojfe.ru Поступила в редакцию 30.09.2013 г.

Рассмотрены электрические схемы мощных коммутаторов на основе блоков последовательно соединенных диодов и реверсивно включаемых динисторов (р.в.д.), позволяющие эффективно использовать р.в.д. в режимах коммутации мощных слабозатухающих импульсов тока, ранее недоступных из-за больших потерь энергии в динисторах при протекании обратного тока. Приведены результаты сравнительного исследования высоковольтных (24 кВ) диодно-динисторных коммутаторов в условиях коммутации импульсов тока с амплитудой 50 кА и декрементом затухания 1.3. Показана возможность увеличения коммутируемой мощности.

DOI: 10.7868/S0032816214040053

В современных импульсных технологиях (электроразрядных, электромагнитных, электрогидро-импульсных и т.д.) необходимо за времена от единиц до сотен микросекунд коммутировать мега- и гигаваттные электрические мощности. В этой связи большой интерес представляют разработанные в России мощные переключатели на основе реверсивно включаемых динисторов (р.в.д.) [1—10], способные при уровне напряжения в десятки киловольт коммутировать импульсы тока с амплитудой в сотни килоампер.

Включение р.в.д. производится в результате пропускания в обратном направлении короткого тока управления. Он протекает через узкие (00.25 мм) квазидиодные каналы обратной проводимости, расположенные на небольшом (0.6 мм) расстоянии друг от друга. В результате в структуру дини-стора равномерно по площади вносится запускающий электрический заряд, обеспечивающий образование у коллекторного перехода слоя электронно-дырочной плазмы с высокой концентрацией.

При восстановлении на р.в.д. напряжения исходной полярности внешнее поле вытягивает носители из плазменного слоя, вызывая инжекцию электронов и дырок из эмиттерных переходов. Это приводит к быстрому (десятки наносекунд) переключению в состояние с высокой проводимостью, которое при достаточной величине накопленного заряда происходит однородно по площади и без задержки относительно момента окончания тока управления.

Отсутствие задержки включения позволяет синхронно переключать большое количество по-

следовательно соединенных р.в.д., используя общий для всех приборов импульс тока управления. Однородное по площади переключение обеспечивает очень малые коммутационные потери энергии и высокие коммутационные возможности р.в.д., возрастающие практически пропорционально рабочей площади.

К недостаткам р.в.д. можно отнести большое падение напряжения при протекании тока в обратном направлении. В качестве иллюстрации на рис. 1 приведены сравнительные осциллограммы,

Рис. 1. Сравнительные осциллограммы. Масштабы по вертикали: тока — 1 кА/деление, напряжения — 5 В/деление; по горизонтали — 4 нс/деление.

(a) JLf

ч

Блок В

7\

Блок р.в.д.

БЗ

h \Z

(б)

+тСо

Lofe

M

^Zd1

Блок В

Блок р.в.д.

БЗ

Io Z

(в) ХС

Блок В

Блок р.в.д.

БЗ

Io Z

Рис. 2. Электрические схемы (а—в) диодно-динистор-ных коммутаторов знакопеременных импульсов тока.

полученные при исследовании р.в.д. с рабочим напряжением 2 кВ и диаметром структуры 24 мм. Здесь и — падение напряжения при коммутации тока 1Х = 5 кА в прямом направлении, и2 — падение напряжения при коммутации такого же обратного тока 12. Для сравнения на рисунке приведена осциллограмма падения напряжения на кремниевом диоде (и3), имеющем такой же диаметр структуры и близкое рабочее напряжение.

Большие потери энергии при протекании обратного тока до настоящего времени препятствовали использованию р.в.д. в генераторах мощных знакопеременных электрических импульсов. На рис. 2 приведены простые схемотехнические решения, устраняющие рассмотренный недостаток.

В представленных схемах переключение высоковольтного блока р.в.д. осуществляется с помощью блока запуска БЗ и дросселя насыщения Ь0. В процессе переключения индуктивность дросселя велика, и он ограничивает скорость нарастания силового тока (/0). В результате силовая цепь фактически не влияет на процесс формирования тока управления блока р.в.д. В момент насыщения сердечника индуктивность Ь0 резко уменьшается и ток 10 быстро нарастает. При этом изменяется полярность напряжения на блоке р.в.д., он переключается и коммутирует в нагрузку Z ток разряда конденсатора С0. После коммутации сердечник Ь0 переводится в исходное состояние небольшим током обратного перемагничивания 1п.

В схеме рис. 2а силовой ток прямой полярности протекает через Ь0 и блок р.в.д. Блок В шунтирует блок р.в.д. при коммутации силового тока обратной полярности. Дроссель насыщения Ь имеет большую исходную индуктивность и в течение короткого времени протекания через р.в.д. обратного тока управления препятствует ответвлению в блок В выходного тока блока запуска 1БЗ. В процессе формирования силового тока обрат-

Рис. 3. Осциллограммы тока через блок р.в.д. (I) и через блок В (1в) в схеме рис. 2а. Масштабы: по вертикали — 10 кА/деление, по горизонтали — 40 мкс/деление.

ной полярности сердечник дросселя Ь быстро насыщается под воздействием обратного напряжения на блоке р.в.д. В результате индуктивность дросселя становится пренебрежимо малой, и он не препятствует коммутации в блок В силового тока.

На рис. 3 приведены осциллограммы тока через блок р.в.д. Iи тока через блок В (1В), полученные при исследовании опытного генератора, собранного по схеме рис. 2а. На рис. 4 показана осциллограмма силового тока (10а), протекающего через нагрузку Z.

В генераторе использовалась батарея конденсаторов С0 = 30 мкФ (две параллельные ветви, в каждой по 2 последовательно соединенных конденсатора ИК-25-30), заряженная до напряжения 24 кВ. Нагрузка Z была выполнена из толстого стального провода. Она имела сопротивление ~30 мОм и индуктивность ~4 мкГн. В блоках р.в.д. и В использовались полупроводниковые приборы с диаметром структур 50 мм, изготовленные в ОАО "Электровыпрямитель" (Саранск). Блок р.в.д. состоял из 12 динисторов РВД153-90-20, блок В — из 12 диодов Д153-70-20. К динисторам и диодам были подключены два последовательно соединенных варистора 14Ш12К, которые ограничивали напряжение на уровне ниже предельно допустимого.

Достаточно большая амплитуда обратного тока через блок р.в.д. в схеме рис. 2а определяется влиянием собственных индуктивностей блоков р.в.д. и В. Полученная в экспериментах большая скорость нарастания силового тока определяет сравнительно большое и практически одинаковое индуктивное сопротивление блоков. При

о

п

1!

L

о

п

L

D

БЗ

D

БЗ

D

БЗ

Рис. 4. Осциллограммы силового тока в схемах рис. 2а—2в (7оа-/ов). Масштабы: по вертикали — 22 кА/деление, по горизонтали — 40 мкс/деление.

Рис. 5. Осциллограммы тока через блок р.в.д. (I) и через блок Б (1В) в схеме рис. 2б. Масштабы: по вертикали — 10 кА/деление, по горизонтали — 40 мкс/деление.

этом высокая проводимость диодов не обеспечивает ожидаемого перераспределения тока из блока р.в.д. в блок Б.

В схеме рис. 2б токовая нагрузка блока р.в.д. в обратном направлении радикально уменьшается благодаря использованию отсекающей цепи Я—Б1. После восстановления запирающей способности диода Б1 обратный ток через блок р.в.д. ограничивается резистором Я на уровне, достаточном для устранения возможности его выключения к моменту коммутации повторного импульса прямого тока. В результате в цепь нагрузки коммутируется знакопеременный ток, практически такой же, как и в схеме на рис. 2а (см. осциллограмму 10б на рис. 4).

На рис. 5 приведены соответствующие схеме рис. 2б осциллограммы тока через блок р.в.д. (I) и через блок Б (1Б), полученные в тех же условиях коммутации, что и осциллограммы на рис. 3. В качестве резистора Я использовался НУЯ 851221 с сопротивлением 0.56 Ом, в качестве диода Б1 — Д153-70-20. Дроссель Ь имел один виток в обмотке и кольцевой сердечник из сплава 9КСР (тип Т) с сечением 8 см2.

Схема рис. 2в в режимах коммутации коротких знакопеременных импульсов силового тока обеспечивает униполярную форму тока через блок р.в.д. При включении динисторов через блок р.в.д. и дроссель Ь0 протекает силовой ток прямой полярности. После достижения максимального значения он переключается в цепь блока Б и медленно спадает с постоянной времени, определяемой индуктивностью дросселя Ь0 в насыщенном состоянии и электрическим сопротивлением ди-нисторов и диодов.

Силовой ток обратной полярности протекает через блок Б. Так как падение напряжения на диодах невелико, то при этом резкого уменьшения скорости спада тока через блок р.в.д. не происходит, и в момент повторного изменения полярности силового тока через динисторы продолжает протекать ток в прямом направлении. При приложении к блоку Б обратного напряжения он выключается, и силовой ток прямой полярности коммутируется в блок р.в.д.

Соответствующие схеме рис. 2в осциллограммы тока через диодный (1Б) и динисторный (I) блоки приведены на рис. 6. Осциллограмма силового тока представлена на рис. 4 (10в).

В отличие от схем рис. 2а, 2б в схеме рис. 2в силовой ток не имеет задержек резкого нарастания при переходе через нуль, что обусловлено униполярной формой тока через дроссель Ь0. При этом отсутствуют процессы резкого увеличения его индуктивности при перемагничивании сердечника в моменты изменения полярности тока.

В экспериментах использовался дроссель Ь0 с сердечником из сплава 9КСР (тип П). Он имел 5 витков в рабочей обмотке и 1 виток в обмотке перемагничивания. Благодаря небольшой площади сечения сердечника (~25 см2) и малому числу витков индуктивность дросселя в насыщенном состоянии была существенно меньше индуктивности нагрузки. При этом он слабо влиял на процесс формирования силового тока.

В процессе переключения блока р.в.д. дроссель обеспечивал время задержки резкого нарастания силового тока ~1.5 мкс. Ограни

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.

Показать целиком

Пoхожие научные работыпо теме «Физика»