ПРИБОРЫ И ТЕХНИКА ЭКСПЕРИМЕНТА, 2011, № 1, с. 68-71
ЭЛЕКТРОНИКА ^^^^^^^^^^^^^^ И РАДИОТЕХНИКА
УДК 621.373
ПЕРСПЕКТИВЫ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ РЕВЕРСИВНО ВКЛЮЧАЕМЫХ ДИНИСТОРОВ В РЕЖИМАХ КОММУТАЦИИ СУБМИКРОСЕКУНДНЫХ ИМПУЛЬСОВ ТОКА
© 2011 г. С. В. Коротков, А. Л. Жмодиков
Физико-технический институт им. А.Ф. Иоффе РАН Россия, 194021, С.-Петербург, Политехническая ул., 26 Поступила в редакцию 02.08.2010 г.
Приведены результаты исследований реверсивно включаемых динисторов (р.в.д.) с рабочим напряжением 2 кВ и диаметром структур 12 мм при коммутации мощных импульсов тока субмикросе-кундной длительности. Показано, что в этом временном диапазоне коммутационные потери энергии в р.в.д. значительно ниже, чем у тиристоров и ЮБТ-транзисторов, имеющих практически ту же площадь полупроводниковых структур и предельно допустимое блокируемое напряжение. Определено время коммутации (менее 0.4 мкс), при котором использование р.в.д. становится малоэффективным.
Реверсивно включаемые динисторы (р.в.д.) [1, 2] были разработаны в ФТИ им. А.Ф. Иоффе специально для коммутации импульсов тока с высокой скоростью нарастания. Р.в.д. являются полупроводниковыми приборами тиристорного типа. Принципиальной особенностью их конструкции (рис. 1) является отсутствие электрода управления и выполнение анодного эмиттера в виде чередующихся участков р+- и п+-типа с характерным размером меньше ширины п-базы.
Включение р.в.д. осуществляется путем кратковременного реверса блокируемого напряжения. При приложении небольшого обратного напряжения пробивается низковольтный п+—р-переход транзисторных секций 1 и через образовавшиеся диодные я+—я-р-каналы протекает ток управления. В результате у коллекторного перехода формируется тонкий слой запускающих носителей 3.
После окончания импульса тока управления и восстановления исходной полярности напряжения дырки из слоя 3 перемещаются полем в р-ба-зу, вызывая встречную инжекцию электронов из я+-эмиттеров тиристорных секций 2 и одновременное включение этих секций. Высокая плотность тиристорных секций обеспечивает практически равномерное распределение коммутируемого тока по площади р.в.д. и малые коммутационные потери энергии.
В процессе коммутации на р.в.д. возникает короткий пик напряжения. Его амплитуда зависит от скорости нарастания коммутируемого тока и величины запускающего заряда, накопленного при пропускании тока управления.
Время спада пикового напряжения до установившегося значения определяется временем диффузионного переноса электронов и дырок, запол-
няющих базовые области р.в.д. в процессе модуляции проводимости, и составляет несколько сотен наносекунд.
Сравнительно большое время установления стационарной проводимости определяет наибольшие перспективы использования р.в.д. в микросекундном диапазоне, где они способны переключать рекордные для полупроводниковых приборов импульсные мощности и коммутировать токи с амплитудой в сотни килоампер и скоро-
Рис. 1. Конструкция р.в.д. 1 — транзисторные секции, 2 — тиристорные секции, 3 — слой запускающих носителей.
ПЕРСПЕКТИВЫ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ РЕВЕРСИВНО ВКЛЮЧАЕМЫХ ДИНИСТОРОВ
69
Рис. 2. Структурная схема испытательного стенда. ЦУ — цепь управления, ЦП — цепь перемагничива-ния.
стью нарастания в десятки килоампер в микросекунду [3-5].
Целью данной статьи является оценка перспектив использования р.в.д. в нетрадиционном для них режиме коммутации импульсов тока суб-микросекундной длительности, представляющем большой интерес для многих областей современной науки и техники. Оценка проводилась путем определения коммутационных потерь энергии в р.в.д. и сравнения их с потерями энергии в альтернативных полупроводниковых приборах — тиристорах и ЮБТ-транзисторах.
Исследовались р.в.д. с диаметром структур 12 мм и рабочим напряжением 2 кВ. Для проведения экспериментов был собран стенд, позволяющий формировать импульсы тока с амплитудой в несколько сотен ампер и длительностью <1 мкс. Структурная схема стенда приведена на рис. 2.
Принцип действия стенда заключается в следующем. В исходном состоянии р.в.д. блокирует напряжение зарядки силового конденсатора С0. При включении цепи управления ЦУ происходит реверс напряжения на р.в.д., и через него протекает ток управления. В процессе управляющего воздействия дроссель с насыщающимся сердечником Др имеет большую индуктивность. При этом скорость нарастания силового тока 10 очень мала и ток управления р.в.д. фактически равен току 1цУ цепи управления.
Под воздействием напряжения зарядки конденсатора С0 сердечник дросселя быстро перемаг-ничивается и насыщается. В момент насыщения сердечника индуктивность дросселя резко уменьшается и силовой ток быстро нарастает. В результате к р.в.д. прикладывается напряжение с исходной полярностью, он без задержки переключается и коммутирует ток разряда силового конденсатора.
Рис. 3. Осциллограммы тока I и напряжения и на р.в.д. и эпюра мощности Р коммутационных потерь энергии при длительности импульса 0.9 мкс. Масштабы по вертикали: тока — 150 А/клетка, напряжения — 500 В/клетка, мощности — 60 кВт/клетка; по горизонтали — 200 нс/клетка.
После окончания процесса коммутации цепь пе-ремагничивания ЦП переводит сердечник дросселя Др в исходное состояние. Амплитуда и длительность коммутируемого тока определяются напряжением зарядки и емкостью силового конденсатора и индуктивностью дросселя Др после насыщения сердечника.
На рис. 3 приведены осциллограммы процесса коммутации тока с амплитудой 500 А и длительностью 0.9 мкс. Малое время коммутации приводит к тому, что напряжение на р.в.д. в несколько раз превышает установившееся значение (~5 В для тока 500 А). Несмотря на это, потери энергии в р.в.д. составляют всего ~10 мДж, что позволяет использовать их в этом режиме коммутации при частоте следования импульсов в несколько килогерц.
На рис. 4 показаны осциллограммы процесса коммутации тока силовой цепи С0—Др, полученные при замене р.в.д. на тиристор 40ТР816 с рабочим напряжением 1.6 кВ, предельным импульсным током 500 А и практически с той же, что и р.в.д., площадью полупроводникового элемента. Для уменьшения коммутационных потерь энергии переключение тиристора осуществлялось мощными импульсами тока управления с амплитудой 5 А и фронтом нарастания 10 нс. Сравнение осциллограмм на рис. 3 и рис. 4 показывает, что коммутационные потери энергии в тиристоре более чем в 3 раза превышают потери энергии в р.в.д. и составляют ~30% от энергии, запасаемой в силовом конденсаторе С0.
70
КОРОТКОВ, ЖМОДИКОВ
1
Р ч
: : I
V А
ММ и "к- \
М- (•»ч'^г?1!':..... - ......•................................
Рис. 4. Осциллограммы тока I и напряжения и на тиристоре и эпюра мощности Р коммутационных потерь энергии при длительности импульса 0.9 мкс. Масштабы по вертикали: тока — 150 А/клетка, напряжения — 500 В /клетка, мощности — 60 кВт/клетка; по горизонтали — 200 нс/клетка.
Рис. 5. Осциллограммы тока I и напряжения и на транзисторе и эпюра мощности Р коммутационных потерь энергии при длительности импульса 0.9 мкс. Масштабы по вертикали: тока — 60 А/клетка, напряжения — 200 В/клетка, мощности — 15 кВт/клетка; по горизонтали — 200 нс/клетка.
На рис. 5 приведены осциллограммы, полученные при замене тиристора 40ТР816 на ЮБТ-транзистор 32Ш70АН1, имеющий те же размеры и практически то же рабочее напряжение (1.7 кВ). Из осциллограмм видно, что коммутационные возможности транзистора ограничены уровнем тока ~250 А.
На рис. 6 показаны зависимости потерь энергии в р.в.д. от амплитуды коммутируемого тока. Они получены при длительности импульса тока управления ~300 нс и амплитуде тока управления, составляющей примерно 15% от амплитуды коммутируемого тока. Кривая 1 соответствует длительноЕ, мДж 25 20 15 10 5
300 400 500 600 700 800
I, А
Рис. 6. Зависимости потерь энергии в р.в.д. от амплитуды коммутируемых импульсов тока при длительности импульсов 0.9 мкс (1) и 0.6 мкс (2).
сти импульсов коммутируемого тока 0.9 мкс, кривая 2 — 0.6 мкс.
На рис. 7 приведены результаты испытаний р.в.д. в режиме коммутации тока амплитудой ~300 А и длительностью 0.4 мкс. В этом режиме коммутационные потери энергии в р.в.д. составляют более 20% от энергии силовой цепи, что ограничивает возможности их эффективного использования.
Р
и
1 я».
М1У
III ш \ : : : \ I 1
\ \ - I \:
Рис. 7. Осциллограммы тока I и напряжения и на р.в.д. и эпюра мощности Р коммутационных потерь энергии при длительности импульса 0.4 мкс. Масштабы по вертикали: тока — 60 А/клетка, напряжения — 200 В/клетка, мощности — 15 кВт/клетка; по горизонтали — 200 нс/клетка.
J_I_I_I_I_I
ПЕРСПЕКТИВЫ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ РЕВЕРСИВНО ВКЛЮЧАЕМЫХ ДИНИСТОРОВ
71
Таким образом, проведенные исследования показывают, что в субмикросекундном диапазоне при коммутации импульсов тока длительностью более 600 нс коммутационные потери энергии в р.в.д. невелики, а их коммутационные возможности значительно превышают возможности типовых тиристоров и ЮБТ-транзисторов, имеющих практически ту же площадь полупроводниковых структур и предельно допустимое блокируемое напряжение.
Полученные результаты, а также известные достоинства р.в.д. (однородное переключение, позволяющее существенно улучшить коммутационные характеристики при увеличении рабочей площади, и высокая надежность высоковольтных р.в.д.-сборок, переключаемых общим для всех
приборов импульсом тока управления) определяют хорошие перспективы для их использования в мощных устройствах субмикросекундной импульсной техники.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Горбатюк А.В., Грехов И.В., Короткое С.В. и др. // Письма в ЖТФ. 1982. Т. 8. № 11. С. 685.
2. Короткое С.В. // ПТЭ. 2002. № 4. С. 5.
3. Грехов И.В., Короткое С.В. // Изв. РАН. Сер. Энергетика. 1998. № 1. С. 107.
4. Грехов И.В., Козлов А.К., Короткое С.В., Степанянц А.Л. // ПТЭ. 2003. № 1. С. 53.
5. Коротков С.В., Аристов Ю.В., Воронков В.Б. и др. // ПТЭ. 2010. № 1. С. 172.
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.