ПРИБОРЫ И ТЕХНИКА ЭКСПЕРИМЕНТА, 2007, № 2, с. 87-90
_ ЭЛЕКТРОНИКА _
- И РАДИОТЕХНИКА -
МОЩНЫЙ ПОЛУПРОВОДНИКОВЫЙ ПЕРЕКЛЮЧАТЕЛЬ ВЫСОКОВОЛЬТНЫХ ИМПУЛЬСОВ С НАНОСЕКУНДНЫМ
ФРОНТОМ НАРАСТАНИЯ
© 2007 г. Ю. В. Аристов, В. Б. Воронков, И. В. Грехов, А. К. Козлов, С. В. Коротко,, А. Г. Люблинский
Физико-технический институт им. А.Ф. Иоффе РАН Россия, 194021, С.-Петербург, ул. Политехническая, 26 Поступила в редакцию 21.07.2006 г.
Приведены результаты исследования новых быстродействующих полупроводниковых приборов -динисторов с глубокими уровнями, предназначенных для использования в мощных устройствах на-но- и микросекундной импульсной техники. Показана возможность коммутации одиночным прибором с диаметром структуры 12 мм многокилоамперных импульсов тока, нарастающих со скоростью 200 кА/мкс. Описан мощный переключатель на основе сборки последовательно соединенных динисторов с рабочим напряжением 12 кВ, способный коммутировать импульсы тока амплитудой 1200 А и фронтом нарастания 4 нс.
PACS: 84.30.Jc, 84.70.+р, 85.30.-z, 85.30.De
Мощные высоковольтные импульсы с наносе-кундным фронтом нарастания необходимы для обеспечения эффективной работы устройств лазерной, ускорительной и локационной техники, для развития современных импульсных технологий (очистки промышленных газовых выбросов, нейтрализации отходов вредных производств, стерилизации пищевых продуктов) и различных областей экспериментальной физики. Для их формирования используются два основных подхода, отличающиеся способами накопления и коммутации энергии: при накоплении энергии в емкостных накопителях коммутация тока в нагрузку осуществляется с помощью замыкающего ключа, при использовании индуктивных накопителей - с помощью прерывателя тока.
На стадии лабораторных экспериментов задача быстрой коммутации больших мощностей обычно решается с помощью традиционных переключателей (разрядники, тиратроны, нелинейные линии на феррите, плазменные и электровзрывные размыкатели). Однако в области промышленных технологий такая элементная база не эффективна из-за малого срока службы, нестабильности срабатывания и низких частотных характеристик.
Указанных недостатков лишены полупроводниковые переключатели.
Наиболее мощными полупроводниковыми прерывателями тока являются разработанные в России дрейфовые диоды с резким восстановлением (д.д.р.в.) [1] и БОБ-диоды [2]. Физические основы работы этих приборов принципиально различны,
однако схемотехника построения диодных прерывателей (д.п.) на их основе практически одинакова. Сначала через д.п. пропускают короткий импульс прямого тока (ток включения /пр), позволяющий накопить заряд электронов и дырок вблизи эмиттерных областей диодов. После окончания импульса тока 1пр в д.п. коммутируется быстрона-растающий импульс обратного тока (ток выключения /обр), обеспечивающий освобождение базовых областей диодов от накопленного заряда. В результате происходит резкое увеличение электрического сопротивления диодов, быстрый обрыв тока в цепи индуктивного накопителя энергии и коммутация его в параллельную цепь нагрузки. При этом на нагрузке формируется высоковольтный импульс напряжения.
При субмикросекундной длительности импульсов тока 1пр, /обр и оптимальной плотности тока /обр скорость обрыва тока в д.п. может достигать несколько сотен ампер в наносекунду.
Основная проблема при использовании диодных прерывателей заключается в том, что при малой длительности токов 1пр, /обр сложно получить их большую амплитуду, что ограничивает величину заряда, коммутируемого в цепь нагрузки.
Существенно больший коммутируемый заряд обеспечивают замыкающие полупроводниковые ключи: MOSFET- и IGBT-транзисторы и импульсные тиристоры. Так, например, разработанные в фирме Silicon Power Co (США) мощные импульсные тиристоры AA65N14A10 имеют рабочее напряжение 1.4 кВ и способны коммутировать им-
Рис. 1. Типичные осциллограммы коммутируемого тока I (300 А/деление) и напряжения U (500 В/деление) на д.г.у. с диаметром структуры 12 мм.
пульсы тока амплитудой в несколько сотен ампер при максимальной скорости нарастания ~100 А/нс.
Перспективной альтернативой этим приборам являются отечественные кремниевые FID(Fast Ionization Dynistor)-динисторы [3, 4], переключение которых происходит в результате формирования и распространения ударно-ионизационной волны в кремнии. Она инициируется путем приложения короткого импульса напряжения, нарастающего со скоростью >1 кВ/нс. Напряженность поля в области коллектора динистора в этих условиях может быть значительно больше критической для лавинного пробоя, поскольку здесь нет свободных носителей, которые могут вызвать ударную ионизацию решетки кремния.
В то же время в нейтральной части базовой области прибора протекающий ток создает поле, достаточное для слабой ионизации свободными электронами. Дырки, созданные этим процессом, дрейфуют со скоростью насыщения к приколлек-торной области с сильным полем и вызывают в ней интенсивную ударную ионизацию. Ударно-ионизационный фронт движется со скоростью, в 3-5 раз большей насыщенной, оставляя за собой электронно-дырочную плазму, что обусловливает быстрое переключение динистора в проводящее состояние. Характерное время этого процесса - сотни пикосекунд.
После переключения высокая проводимость динистора поддерживается за счет обычного для четырехслойных полупроводниковых приборов диффузионно-полевого переноса носителей, заполняющих базовые области прибора в процессе коммутации силового тока.
Сравнительно недавно в ФТИ им. А.Ф. Иоффе РАН был теоретически [5] и экспериментально исследован новый принцип формирования ударно-ионизационного фронта. Оказалось, что если ввести в кремний примесь, создающую центры захвата электронов внутри запрещенной зоны кремния, то при напряженности поля, в 2-3 раза большей напряженности критического поля пробоя в статике, происходит их туннельная ионизация. Освобожденные электроны сразу оказываются в области сильного поля и вызывают интенсивную ионизацию и формирование ударно-ионизационного фронта.
При таком механизме создания фронта отпадает необходимость иметь нейтральную область в «-базе динистора. Поэтому в разработанных приборах -динисторах с глубокими уровнями (д.г.у.) - толщина базы значительно уменьшается, а распределение поля в ней при блокировании статического напряжения становится более однородным. Большая величина начальной напряженности поля по всей базе приводит к ускорению движения фронта и увеличению концентрации плазмы за ним, т.е. к снижению остаточного напряжения.
На рис. 1 приведены типичные осциллограммы коммутируемого тока I и напряжения и на д.г.у. с диаметром структуры 12 мм и максимально допустимым блокируемым напряжением 2.7 кВ.
В исходном состоянии он блокирует напряжение силовой цепи и0 ~ 1.5 кВ. При запуске к дини-стору прикладывается быстронарастающий импульс прямого напряжения. Переключение д.г.у. происходит при уровне напряжения ~4 кВ за время <1 нс. В процессе коммутации тока I, нарастающего со скоростью ~30 А/нс, падение напряжения на динисторе не превышает нескольких десятков вольт.
Быстрое переключение и малые потери энергии в проводящем состоянии обеспечивают высокие коммутационные возможности д.г.у. при переключении мощных импульсов тока наносекундной длительности. Так, например, в моноимпульсном режиме д.г.у. способны коммутировать импульсы тока амплитудой ~10 кА (см. рис. 2), длительностью ~400 нс и скоростью нарастания ~200 А/нс.
В этом режиме в течение нескольких десятков наносекунд после переключения электрическое сопротивление д.г.у. составляет ~0.2 Ом и определяется концентрацией электронно-дырочной плазмы, образовавшейся в его базовых областях при пробеге запускающей ударно-ионизационной волны. Спустя ~30 нс после переключения напряжение на динисторе начинает быстро уменьшаться, несмотря на увеличение коммутируемого тока, что обусловлено модуляцией базовых областей носителями тока, инжектируемыми из эмиттерных слоев. В момент максимума коммутируемого тока пере-
МОЩНЫЙ ПОЛУПРОВОДНИКОВЫЙ ПЕРЕКЛЮЧАТЕЛЬ
89
\I
и : 40 нс
Рис. 2. Осциллограммы переключаемого тока I (2 кА/деление) и напряжения и (500 В/деление) на д.г.у. с диаметром структуры 12 мм, полученные при исследовании его коммутационных возможностей.
ходное сопротивление д.г.у. составляет <0.03 Ом и в дальнейшем продолжает снижаться.
Быстрое установление малого электрического сопротивления позволяет использовать д.г.у. и для переключения мощных импульсов тока микросекундного диапазона длительности. Так, при длительности импульсов ~5 мкс динисторы с диаметром структур 12 мм способны коммутировать ток амплитудой 25 кА.
Эффективное переключение д.г.у. в мощных силовых цепях легко обеспечивается с помощью формирователей коротких импульсов на основе ранее рассмотренных диодных прерывателей тока.
Типичная схема высоковольтного импульсного генератора с переключателем в виде блока последовательно соединенных д.г.у. приведена на рис. 3. В ней включение динисторов осуществляется с помощью формирователя запускающих импульсов Ф на основе д.п., выполненного в виде сборки последовательно соединенных д.д.р.в.
Импульсы тока включения и выключения д.п. создаются с помощью транзисторного ключа Т и трансформатора насыщения Тр. При включении Т осуществляется разряд низковольтного конденсатора С и заряд конденсатора Ск. В результате через д.п. протекает включающий ток 1пр ~ 60 А длительностью ~250 нс. В момент окончания процесса заряда происходит насыщение сердечника Тр, и конденсатор Ск быстро разряжается через его вторичную обмотку. При этом через д.п. протекает выключающий ток 1обр.
В момент максимума тока 1обр (~180 А) происходит быстрое выключение диодов. В результате на вторичной обмотке Тр возникает высоковольтный запускающий импульс напряжения, который при-
Рис. 3. Электрическая схема высоковольтного импульсного генератора с переключателем в виде блока последовательно соединенных д.г.у. Т - IRG4PF50WD (два параллельно соединенных ЮВТ-транзистора); Д - HER308; V - сборка из двух последовательно соединенных варисторов VR07D
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.