научная статья по теме СРАВНИТЕЛЬНОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ СУБМИКРОСЕКУНДНЫХ КОММУТАТОРОВ НА ОСНОВЕ РЕВЕРСИВНО ВКЛЮЧАЕМЫХ ДИНИСТОРОВ И ДИНИСТОРОВ С ГЛУБОКИМИ УРОВНЯМИ Физика

Текст научной статьи на тему «СРАВНИТЕЛЬНОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ СУБМИКРОСЕКУНДНЫХ КОММУТАТОРОВ НА ОСНОВЕ РЕВЕРСИВНО ВКЛЮЧАЕМЫХ ДИНИСТОРОВ И ДИНИСТОРОВ С ГЛУБОКИМИ УРОВНЯМИ»

ПРИБОРЫ И ТЕХНИКА ЭКСПЕРИМЕНТА, 2012, № 3, с. 91-94

^ ЭЛЕКТРОНИКА

И РАДИОТЕХНИКА

УДК 621.373

СРАВНИТЕЛЬНОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ СУБМИКРОСЕКУНДНЫХ КОММУТАТОРОВ НА ОСНОВЕ РЕВЕРСИВНО ВКЛЮЧАЕМЫХ ДИНИСТОРОВ И ДИНИСТОРОВ С ГЛУБОКИМИ УРОВНЯМИ

© 2012 г. С. В. Коротков, Ю. В. Аристов, Д. А. Коротков

Физико-технический институт им. А.Ф. Иоффе РАН Россия, 194021, С.-Петербург, Политехническая ул., 26 Поступила в редакцию 10.08.2011 г.

Приведены результаты сравнительных исследований коммутаторов на основе одиночных реверсив-но включаемых динисторов и динисторов с глубокими уровнями (д.г.у.) при коммутации мощных субмикросекундных импульсов тока в условиях с одинаковой энергоемкостью цепей управления. Показано, что в этом режиме д.г.у.-коммутаторы имеют определенные преимущества, обусловленные меньшей собственной индуктивностью и более эффективным переключением при нагреве динисторов.

Развитие современных импульсных технологий невозможно без проведения работ, направленных на повышение эффективности коммутаторов мощных быстронарастающих импульсов тока. В настоящее время наиболее перспективными являются коммутаторы на основе полупроводниковых приборов — тиристоров и транзисторов. Не меньший интерес представляют разработанные в ФТИ им. А.Ф. Иоффе реверсивно включаемые динисторы (р.в.д.) [1, 2] и динисторы с глубокими уровнями (д.г.у.) [3, 4].

Р.в.д. и д.г.у. являются четырехслойными кремниевыми приборами тиристорного типа и переключаются в состояние с высокой проводимостью путем заполнения электронно-дырочной плазмой базовых слоев, исходно освобожденных от носителей тока сильным полем, формирующимся при блокировании внешнего напряжения. Принципиальные особенности р.в.д. и д.г.у. определяются различием физических процессов, инициирующих процесс переключения.

Переключение р.в.д. осуществляется в результате реверса блокируемого напряжения и пропускания короткого импульса тока управления через встроенную систему каналов обратной проводимости. В результате в базовых слоях накапливается электронно-дырочная плазма, равномерно распределенная по всей площади структуры р.в.д. При приложении напряжения исходной поляр -ности осуществляется инжекция электронов и дырок из эмиттеров и достаточно быстрое (сотни наносекунд) установление стационарной проводимости. Инжектируемые носители заполняют базовые слои в условиях выноса накопленной плазмы, что определяет очень малое электрическое сопротивление р.в.д. при резком нарастании коммутируемого тока.

Субмикросекундное время установления стационарной проводимости снижает эффективность использования р.в.д. при коммутации импульсов тока с фронтом нарастания менее микросекунды, но и в этих режимах они обладают существенно большими коммутационными возможностями по сравнению с современными силовыми тиристорами и транзисторами, имеющими такую же площадь полупроводниковых структур и предельное блокируемое напряжение [5].

Переключение д.г.у. осуществляется в результате приложения высоковольтного импульса напряжения, нарастающего со скоростью не менее 1 кВ/нс. При этом осуществляется инжекция носителей тока из эмиттеров, а у коллектора создается область с сильным электрическим полем, инициирующим волну ударной ионизации кремния электронами с глубоких уровней в запрещенной зоне. Образованные в результате ударной ионизации носители тока очень быстро заполняют базовые слои д.г.у. и обеспечивают резкое (доли наносекунды) переключение в состояние с высокой проводимостью. В процессе коммутации силового тока инжектированные из эмиттеров электроны и дырки осуществляют модуляцию проводимости д.г.у. до стационарного уровня.

Благодаря существенно меньшему, чем в р.в.д., времени переключения в хорошо проводящее состояние д.г.у. имеют значительно меньшее падение напряжения при коммутации импульсов тока наносекундной длительности (см. осциллограммы на рис. 1). Однако в субмикросекундном диапазоне преимущества д.г.у.-коммутаторов могут быть не столь очевидны.

В этой связи актуальными представляются приведенные в данной статье результаты экспериментального сравнения коммутаторов на осно-

92

КОРОТКОВ и др.

I (а)

и

1

■ 1 Г 3 1 ■ 1

Рис. 1. Осциллограммы коммутируемого тока I и падения напряжения и на р.в.д. (а) и д.г.у. (б) с рабочим напряжением 2000 В и диаметром полупроводниковой структуры 12 мм. Масштабы по вертикали: тока — 100 А/клетка, напряжения — 500 В/клетка; по горизонтали — 100 нс/клетка.

ве р.в.д. и д.г.у. в режимах коммутации мощных субмикросекундных импульсов тока.

Исследовались коммутаторы, состоящие из одиночных р.в.д. и д.г.у. (диаметр структур 16 мм, рабочее напряжение 2000 В) и цепей управления, обеспечивающих их эффективное переключение. Динисторные структуры были помещены в малогабаритные корпуса таблеточного типа и зажаты с усилием ~100 кг/см2 между токоподводящими медными электродами (диаметр 50 и высота 25 мм). Эксперименты проводились в условиях коммутации униполярных импульсов тока синусоидальной формы с амплитудой ~1100 А и длительностью 1.2 мкс. При сравнении коммутаторов учитывалась их собственная индуктивность, потери энергии в динисторах, а также энергоемкость и габариты цепей управления.

На рис. 2 и 3 приведены электрические схемы испытательных стендов, выполненные на основе малоиндуктивных силовых цепей С0—С—В0—Ь0. В процессе испытаний р.в.д. и д.г.у. коммутируют мощный и короткий ток разряда конденсатора С0, обеспечивающий зарядку конденсатора С. В момент окончания процесса зарядки к диодам блока Б0 прикладывается обратное напряжение, и они восстанавливают блокирующую способность и обрывают ток в цепи динисторов. При этом обеспечиваются условия для их выключения. Запасенная в конденсаторе С энергия рассеивается в демпфирующем резисторе Я. После выключения динисторов осуществляется зарядка С0 до исходного напряжения (~2 кВ) от источника питания ИП.

Основным достоинством рассмотренных схем является то, что демпфирующие резисторы не ограничивают амплитуду и скорость нарастания коммутируемого тока. При этом они могут иметь большую индуктивность и габариты, позволяющие обеспечить эффективное рассеивание энергии силовой цепи при проведении исследований в частотном режиме.

р.в.д.-коммутатор

Я 100

Рис. 2. Электрическая схема стенда для исследований р.в.д.-коммутатора. ИП — источник питания с выходным напряжением 2 кВ, БП — блок перемагничивания с выходным током 1 А; Т — КУ242; ^ — HFA30TA60C (2 параллельные ветви, в каждой 4 последовательно); Ь — м = мг (обмотка размагничивания) = 5, сердечник: феррит № 87 (ЕРК08), 3 кольца 29.5 х 19 х 20 мм.

СРАВНИТЕЛЬНОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ СУБМИКРОСЕКУНДНЫХ КОММУТАТОРОВ

93

д.г.у.-коммутатор

п

20 к

Я 100

га

ИП

А>

+

С 0.65

Ь I

__

0.5 мк

д.г.у.

-Л_______|

Рис. 3. Электрическая схема стенда для исследований д.г.у.-коммутатора. ИП — источник питания с выходным напряжением 2 кВ, БП — блок перемагничивания с выходным током 1 А; Т — КУ242; ^ — HFA30TA60C (2 параллельные ветви, в каждой 4 последовательно), В1 — HER308 (2 последовательно), В2 — диодные структуры 08 мм (3 последовательно), д.д.р.в. — диодные структуры 016 мм (8 последовательно); Ь — ^ = 1, сердечник: феррит № 87 (ЕРК08), 4 кольца 10 х 6 х 4 мм; Тр — w1 = w2 = wr = 5, сердечник: феррит № 87 (ЕРК08), 29.5 х 19 х 20 мм.

Р.в.д.-коммутатор (рис. 2) построен по базовой схеме с цепью управления, содержащей дроссель насыщения Ь и запускающий конденсатор Су. В исходном состоянии конденсатор Су заряжен от источника питания ИП, сердечник дросселя Ь переведен в рабочий режим постоянным током блока перемагничивания БП. При форсированном (скорость нарастания тока управления ~200 А/мкс) включении тиристора Т конденсатор Су быстро перезаряжался по цепи Сх—Ьх (С >> Су).

В момент приложения к р.в.д. обратного напряжения через него замыкается ток индуктивности Ьъ являющийся током управления. В процессе управляющего воздействия дроссель Ь имеет большую индуктивность и препятствует ответвлению тока управления в силовую цепь. В момент насыщения сердечника индуктивность дросселя резко уменьшается, к р.в.д. прикладывается прямое напряжение, и он без задержки переключается и коммутирует ток разряда конденсатора С0. После переключения р.в.д. остающаяся в индуктивности Ьх энергия рассеивается в резисторе Ях.

Переключение д.г.у.-коммутатора (рис. 3) осуществляется традиционной цепью управления на основе блока дрейфовых диодов с резким восстановлением (д.д.р.в.), трансформатора насыщения Тр и запускающего конденсатора Су. Конденсатор Су исходно заряжен от источника питания ИП, сердечник трансформатора Тр приведен в рабочее состояние постоянным током блока перемагничивания БП. Блок диодов Б2 и резистор Я2 исключают возможность приложения к блоку д.д.р.в. напряжения силовой цепи.

При разряде Су в цепь вторичной обмотки w2 трансформатора Тр коммутируется короткий импульс тока, обеспечивающий зарядку конденсатора С1 и накопление электронно-дырочной плазмы в структурах д.д.р.в. В момент насыщения сердеч-

ника трансформатора Тр происходит быстрый (~100 нс) разряд конденсатора С через д.д.р.в. При этом осуществляется вынос накопленной плазмы и резкое (~2 нс) выключение диодов. В процессе выключения ток обмотки w2 коммутируется в цепь ^2—д.г.у. и является током управления динистора. В результате происходит зарядка собственной емкости д.г.у., и напряжение на нем быстро нарастает до уровня переключения.

В процессе управляющего воздействия дроссель Ь препятствует ответвлению тока управления в силовую цепь. После переключения д.г.у. происходит насыщение сердечника дросселя Ь, его индуктивность резко уменьшается и в цепь д.г.у. коммутируется ток разряда конденсатора С0, обеспечивающий перемагничивание сердечника дросселя до исходного состояния. Остающаяся в обмотке w2 энергия рассеивается в цепи Ях.

Благодаря очень малой длительности тока управления д.г.у. габариты дросселя насыщения Ь в схеме на рис. 3 существенно меньше, чем в схеме на рис. 2, что является несомненным достоинством д.г.у.-коммутатора.

Результаты исследований к

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