ПРИБОРЫ И ТЕХНИКА ЭКСПЕРИМЕНТА, 2009, № 5, с. 94-97
^ ЭЛЕКТРОНИКА
И РАДИОТЕХНИКА
УДК 621.373
ПОЛУПРОВОДНИКОВЫЕ КОММУТАТОРЫ НАНОСЕКУНДНЫХ ИМПУЛЬСОВ НАКАЧКИ ЛАЗЕРОВ
© 2009 г. С. В. Коротков, Ю. В. Аристов, В. Б. Воронков, А. Л. Жмодиков, А. К. Козлов, Д. А. Коротков, А. Г. Люблинский
Физико-технический институт им. А.Ф. Иоффе РАН Россия, 194021, С.-Петербург, Политехническая ул., 26 Поступила в редакцию 04.03.2009 г. После доработки 24.04.2009 г.
Описаны коммутаторы мегаваттных наносекундных импульсов, выполненные в виде высоковольтных (12 кВ) сборок дрейфовых диодов с резким восстановлением (д.д.р.в.) и динисторов с глубокими уровнями (д.г.у.). Рассмотрены электрические схемы, обеспечивающие их использование в лазерной технике. Приведены результаты испытаний диодных и динисторных коммутаторов в цепях питания азотных лазеров на частоте 100 Гц. Показана их высокая эффективность при формировании импульсов тока накачки с фронтом нарастания 10 нс и амплитудой 500 А (д.д.р.в.-коммутатор) и 900 А (д.г.у.-коммутатор).
РАСЯ: 84.30.Jc, 84.70.+р, 85.30.-z, 85.30.De
Объектом исследования являются полупроводниковые коммутаторы мощных наносекундных импульсов на основе разработанных в ФТИ им. А.Ф. Иоффе диодных прерывателей тока — дрейфовых диодов с резким восстановлением (д.д.р.в.) [1, 2] и динисторных замыкающих ключей — динисторов с глубокими уровнями (д.г.у.) [3, 4].
Наносекундный обрыв тока в д.д.р.в. происходит в результате создания у эмиттерных переходов движущихся навстречу друг другу фронтов электронно-дырочной плазмы, формируемых путем пропускания субмикросекундных импульсов прямого и обратного тока. При встрече плазменных фронтов в плоскости коллекторного перехода на нем возникает область объемного заряда, расширяющаяся со скоростью ~107 см/с за счет перемещения основных носителей в противоположных направлениях.
Переключение д.г.у. осуществляется волной ударной ионизации кремния, которая инициируется путем приложения короткого (1—2 нс) импульса напряжения, нарастающего со скоростью не менее 1 кВ/нс. Высокая (более 107 см/с) скорость движения фронта ударно-ионизационной волны позволяет ему за доли наносекунды пройти через всю базовую область. При этом она заполняется хорошо проводящей электронно-дырочной плазмой, и динистор переходит во включенное состояние, которое может поддерживаться неограниченно долго в результате инжекции электронов и дырок со стороны эмиттерных переходов.
Высокое быстродействие д.д.р.в. и д.г.у. определяет очень малые коммутационные потери энергии и рекордные для полупроводниковых приборов скорости коммутации. Так, д.р.в. с площадью структур 1 см2 и рабочим напряжением 1 кВ способны обрывать ток с амплитудой несколько сотен ампер за время 1—2 нс. Д.г.у. с той же площадью и рабочим напряжением 2 кВ за несколько наносекунд могут коммутировать килоамперные импульсы тока.
Высокая надежность сборок последовательно соединенных д.д.р.в. и д.г.у. позволяет разрабатывать на их основе высоковольтные генераторы на-носекундных импульсов с мегаваттной мощностью для лазерной, ускорительной, локационной техники и различных плазменных технологий.
Принципы работы д.д.р.в. и д.г.у. создают возможность для их совместного использования. Так, д.д.р.в. позволяют формировать наносекундные импульсы напряжения, необходимые для переключения динисторных коммутаторов. Аналогично д.г.у. могут обеспечить эффективное формирование субмикросекундных импульсов тока запуска диодных коммутаторов.
На рис. 1 приведена электрическая схема генератора наносекундных импульсов, разработанного для накачки азотного лазера MNL-330 фирмы LTB Lasertechnik Berlin.
Она содержит высоковольтный (рабочее напряжение 12 кВ) д.д.р.в.-коммутатор VD с цепью управления Ц на основе д.г.у. V.
В исходном состоянии емкостный накопитель энергии С0 заряжен до небольшого (~1 кВ) напряжения и0. При включении формирователя импульсов Ф обеспечивается предыонизация лазера Л. Затем осуществляется включение динистора V и коммутация мощного (~ 800 А) и короткого (~200 нс) тока разряда накопителя С0 в первичную обмотку трансформатора Тр.
Ток вторичной обмотки трансформатора протекает через конденсатор Ск и сборку последовательно соединенных диодов VD. В результате напряжение на Ск быстро нарастает и в структурах д.д.р.в. накапливается заряд электронов и дырок.
В момент окончания процесса зарядки Ск происходит насыщение сердечника трансформатора Тр. При этом Ск быстро разряжается через обмотку w2. Ток разряда протекает через VD в обратном направлении и обеспечивает вынос из д.д.р.в. накопленного заряда. Последующее выключение диодов происходит при полном разряде Ск вблизи максимума разрядного тока, когда достигается равенство зарядов, пропускаемых через диоды в прямом и обратном направлении.
В процессе выключения VD осуществляется коммутация тока (~500 А) из цепи обмотки в конденсатор С и очень быстрая зарядка последнего. Амплитуда зарядного напряжения существенно превосходит напряжение питания и0 и определяется энергией, запасенной в обмотке к моменту выключения VD.
В процессе зарядки С напряжение на межэлектродном промежутке лазера нарастает. После пробоя промежутка в лазер коммутируются мощный импульс тока разряда конденсатора С и ток, протекающий через обмотку в момент коммутации.
Для переключения динистора V используется блок запуска [3] на основе маломощного диодного коммутатора VD1, запускающего конденсатора Су и транзисторной цепи управления Ц1.
В процессе выключения VD1 протекающий через него ток (~120 А) коммутируется в цепь Су—V. В результате напряжение на динисторе Vрезко нарастает до величины ~4 кВ, необходимой для его включения. Для выключения динистора создается короткая (~100 мкс) задержка процесса зарядки конденсатора С0 относительно момента окончания импульса коммутируемого тока через V.
На рис. 2 приведены осциллограммы, характеризующие работу диодного коммутатора VD при коммутации импульсной мощности ~2.5 МВт. Коммутатор имел таблеточную конструкцию: диаметр 20 и высота 10 мм. Он был выполнен в виде сборки из 10 спаянных д.д.р.в.-структур с диаметром 16 мм. Для исключения пробоя сборка герметизировалась кремнийорганическим компаундом.
Рис. 1. Электрическая схема цепи накачки лазера с диодным коммутатором и цепью управления на основе д.г.у. V — д.г.у. с диаметром структуры 10 мм; VD1 — сборка из 3 последовательно соединенных д.д.р.в. с диаметром структур 12 мм, VD — из 10 д.д.р.в. с диаметром структур 16 мм; Тр — сердечник из феррита № 87 фирмы Epcos (5 колец 20 х 10 х 7), W1 = 1, W2 = 4.
Подвод тока осуществлялся через металлические электроды, припаянные к торцевым поверхностям сборки.
На рис. 3 приведена электрическая схема более мощной (~10 МВт) схемы накачки азотного лазера ММЬ-100 с высоковольтным (рабочее напряжение 12 кВ) динисторным коммутатором в виде сборки д.г.у. У1— У6. Внешний вид сборки показан на рис. 4.
В исходном состоянии накопитель С0 заряжен до напряжения и0 = 12 кВ через большую индуктивность Ь. При включении формирователя Ф через лазер Л пропускается импульс тока предыо-низации. Затем осуществляется переключение ди-нисторов У1— У6 с помощью диодного коммутатора VD0, выполненного в виде сборки последовательно соединенных д.д.р.в.
Режим работы VD0 обеспечивается цепью управления Ц0, которая построена аналогично цепи Ц в схеме на рис. 1, но имеет примерно в 5 раз меньшую энергоемкость.
При выключении VD0 протекающий через него ток (~200 А) коммутируется в цепь Су1—У1—У4. В результате происходит подзарядка собственных емкостей динисторов и напряжение на них быстро нарастает. Наличие конденсатора Су2 приводит к тому, что запускающее напряжение прикладывается в основном к динисторам У1, V2.
Так как в исходном состоянии напряжение на динисторах поддерживается одинаковым с помощью шунтирующих резисторов Я, то их емкости практически равны и процесс запуска У1, V2 развивается синхронно. В момент, когда напряжение на У1 и V2 достигает требуемого для включения уровня, они переключаются.
После переключения У1, V2 в схеме происходит подзарядка конденсатора Су2. При этом напряже-
96
КОРОТКОВ и др.
Рис. 2. Осциллограммы: 1 — напряжение на лазере, 2 — ток через обмотку трансформатора Тр. Масштаб по вертикали 150 А/клетка (1), 1000 В/клетка (2), по горизонтали — 20 нс/клетка.
ние на ¥3 и У4 увеличивается от воздействия как цепи управления Ц0, так и цепи конденсатора С0.
Динисторы У3, У4 переключаются, когда напряжение на них возрастает до уровня напряжения
Рис. 3. Электрическая схема цепи накачки лазера с динисторным коммутатором и цепью управления на основе сборки д.д.р.в. У[—У6 — д.г.у. с диаметром структур 12 мм, УО0 — сборка из 8 последовательно соединенных д.д.р.в. с диаметром структур 20 мм.
включения. После включения ¥3, У4 конденсаторы С0, Су2 обеспечивают резкое нарастание напряжения на динисторах У5, У6 и те эстафетно включаются без воздействия цепи Ц0.
При включении всех динисторов в конденсатор С коммутируется наносекундный импульс тока разряда емкостного накопителя С0 (~900 А). Малая индуктивность цепи разряда С0 и высокие коммутационные возможности д.г.у. обеспечивают высокую скорость нарастания коммутируемого тока (см. осциллограмму на рис. 5).
В процессе зарядки С межэлектродный промежуток лазера пробивается и в него коммутируются энергия конденсатора С и энергия, остающаяся в накопителе С0.
Рассмотренные диодный и динисторный коммутаторы прошли тестовые испытания на стендах фирмы ЬТБ (Берлин): 250 млн. импульсов на частоте 100 Гц.
В процессе испытаний получены высокая стабильность излучения (разброс <1.5%) и максимальная для используемых лазеров энергия излучения (30 мкДж для ММЬ-330 и 150 мкДж для ММЬ-100), свидетельствующая о высокой эффективности разработанных коммутаторов. Она соответственно в 2 и 1.3 раза выше, чем в базовых схемах с ключевыми элементами на основе лучших
зарубежных аналогов — ЯМСТ-тиристоров с полевым управлением.
Дальнейшее увеличение мощности импульсных цепей с диодно-динисторными коммутаторами может быть получено при увеличении напряжения питания.
Рис. 5.
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.