научная статья по теме ВЫСОКОВОЛЬТНЫЕ ТВЕРДОТЕЛЬНЫЕ КЛЮЧИ МИКРОСЕКУНДНОГО ДИАПАЗОНА Физика

Текст научной статьи на тему «ВЫСОКОВОЛЬТНЫЕ ТВЕРДОТЕЛЬНЫЕ КЛЮЧИ МИКРОСЕКУНДНОГО ДИАПАЗОНА»

ПРИБОРЫ И ТЕХНИКА ЭКСПЕРИМЕНТА, 2014, № 2, с. 53-56

ЭЛЕКТРОНИКА И РАДИОТЕХНИКА

УДК 621.373

ВЫСОКОВОЛЬТНЫЕ ТВЕРДОТЕЛЬНЫЕ КЛЮЧИ МИКРОСЕКУНДНОГО ДИАПАЗОНА

© 2014 г. М. В. Малашин, С. И. Мошкунов, И. Е. Ребров, В. Ю. Хомич, Е. А. Шершунова

Институт электрофизики и электроэнергетики РАН Россия, 191186, С.-Петербург, Дворцовая набережная, 18 E-mail: eshershunova@gmail.com Поступила в редакцию 22.05.2013 г.

Предложен метод управления высоковольтными твердотельными ключами на основе IGBT-тран-зисторов, позволяющий увеличить их время нахождения в открытом состоянии от долей микросекунд до миллисекунд. Показано, что длительность открытого состояния ключей ограничена лишь их перегревом. Экспериментально реализована модульная конструкция высоковольтного твердотельного коммутатора с рабочим напряжением 16 кВ и током в импульсе 60 А.

DOI: 10.7868/S0032816214010285

ВВЕДЕНИЕ

Высоковольтные ключи, которые могут находиться в открытом состоянии десятки и сотни микросекунд, составляют важный класс приборов силовой электроники и применяются во многих областях науки и техники, таких как ускорение заряженных частиц, радиолокация, диагностика и лечение в медицине, ионная имплантация для полупроводниковой технологии. Разработка ключей требует решения задач коммутации больших электрических мощностей с достаточно высоким быстродействием и к.п.д. Как правило, от ключа требуется коммутация десятков и сотен киловольт с возможно меньшими временами нарастания и спада.

Компоненты и технологии, используемые для решения таких задач, были разработаны в 30-х и 40-х годах прошлого столетия. Несмотря на господство полупроводников в большинстве областей электроники, прогресс в области высоковольтных коммутаторов больших мощностей происходит медленно, а достижения относительно невелики. Для импульсного питания клистронов и многих аналогичных нагрузок до сих пор широко используются модуляторные вакуумные электронные лампы и тиратроны в комбинации с формирующими линиями и повышающими трансформаторами или без них.

Решением проблемы коммутации высоких напряжений и мощностей может послужить ключ, состоящий из достаточно большого числа бипо-

Рис. 1. Электрическая схема высоковольтного (1 кВ, 60 А) модуля микросекундного диапазона. 7\, Т2 — 1КОР840Б120иБ, Т3 — 1ЯЬМЬ2803; Д — 10Б0040; Тр — трансформатор управления модулем, выполненный на одном кольце N87 Я22.1 х 13.7 х 12.5 Б64290-Ь651-Х87 без первичной обмотки, вторичная обмотка состоит из двух полуобмоток с общей точкой, первичной полуобмоткой служит провод с высоковольтной изоляцией, образующий петлю управления, пронизывающую сердечники тороидальных трансформаторов всех модулей.

Схемы управления Радиаторы охлаждения

Рис. 2. Сборка из четырех ЮБТ-модулей.

лярных транзисторов с изолированным затвором (ЮБТ), соединенных последовательно—параллельно [1]. Малые токи утечки в цепи управления (затворе) ЮБТ-транзистора позволяют организовать маломощную систему управления, гальванически развязанную от силовых электродов ключа.

Использование трансформаторной развязки дает возможность согласовать входное и выходное сопротивления, электрически развязать вход и выход и повысить или понизить управляющее напряжение. Однако длительность сигнала, который позволяет передавать трансформатор, ограничена насыщением магнитопровода. Высоковольтные полупроводниковые коммутаторы [2, 3], используюшие в цепях управления ЮБТ-транзисторов одновит-

ковые ферритовые трансформаторы, могут находиться в проводящем состоянии <1 мкс.

Предельная длительность передаваемого трансформатором прямоугольного импульса определяется индукцией насыщения магнитопровода Вт, его площадью сечения Б, напряжением сигнала и и числом витков обмотки N ^ = БМВт/и. Откуда при N = 1 для характерных значений Б = 0.5 см2, Вт = 0.4 Тл и и = 15 В получим 1р = 1.3 мкс.

Оптроны могут обеспечить требуемую гальваническую развязку с длительными временами включения, но имеют низкую помехоустойчивость, высокий выходной импеданс и требуют второго потенциального источника питания.

В настоящей статье представлена схема высоковольтного коммутатора с регулируемой длительностью открытого состояния, ограниченной лишь способностью охлаждающих элементов отводить тепло, рассеиваемое на кристаллах ЮБТ-коммутатора.

ПРИНЦИП УПРАВЛЕНИЯ ВЫСОКОВОЛЬТНЫМИ КЛЮЧАМИ МИКРОСЕКУНДНОГО ДИАПАЗОНА

Основной идеей при создании импульсного высоковольтного коммутатора, который может оставаться в проводящем состоянии в течение длительного промежутка времени, является использование коротких (~100 нс) разнополярных импульсов для включения и выключения ЮБТ-транзистора. Такие транзисторы могут сохранять напряжение затвор—эмиттер достаточно длительное время (~1 мкс).

За основу был взят метод, предложенный Ву-дом в работе [4]. Однако в схеме Вуда при выключении транзистора с полевым управлением происходит изменение полярности напряжения за-

ON

Тр1

Тр2

*1-ААЛ— 16

Высоковольтный ключ

Модуль 1

--Тр1-1

Модуль 16

=:Тр1-16

Петля управления

120 н

= С2

120 н

Рис. 3. Схема управления высоковольтным ключом. Т1-1? Т1-2 — 1К0Б20Б60РВ1; С1? С2 — накопительные емкости полумоста; — резисторы, определяющие амплитуду тока в цепи управления; Щ и Щ — источники постоянного напряжения 300 В; Тр1, Тр2 — одновитковые тороидальные трансформаторы, выполненные на кольце N87 К22.1 х 13.7 х 12.5 Б64290-Ь651-Х87; Тр1-1—Тр1-16 — трансформаторы управления модулями, выполненные на кольце N87 К22.1 х 13.7 х х 12.5 Б64290-Ь651-Х87, вторичная обмотка состоит из двух полуобмоток с общей точкой, первичной полуобмоткой служит провод с высоковольтной изоляцией, образующий петлю управления, пронизывающую сердечники тороидальных трансформаторов всех модулей.

С

ВЫСОКОВОЛЬТНЫЕ ТВЕРДОТЕЛЬНЫЕ КЛЮЧИ

55

Рис. 5. Осциллограммы токов высоковольтного ключа через петлю управления I2 (12 А/деление) и через активную нагрузку Ii (12 А/деление). ON, OFF — импульсы включения и выключения ключа (5 В/деление). Масштаб по горизонтали 0.5 мкс/деление.

Рис. 4. Экспериментальная установка для исследования высоковольтного модуля.

твор—эмиттер, что приводит к дополнительному выделению тепла. Поскольку для надежной работы современных ЮБТ-транзисторов уже не требуются отрицательные напряжения в закрытом состоянии, нами была разработана схема управления высоковольтными ключами, обеспечивающая однополярное напряжение на затворе.

Электрическая схема высоковольтного модуля микросекундного диапазона представлена на рис. 1. Каждый отдельный модуль состоит из двух параллельно соединенных ЮБТ-транзисторов с единой цепью управления затворами транзисторов.

Сигнал генератора Г биполярных токовых импульсов обеспечивает формирование положительного напряжения на резисторе Я{. В результате происходит зарядка емкости затвора и отпирание ЮБТ-транзисторов Т и Т2. По окончании импульса диод Шоттки Д закрывается, что препятствует падению напряжения на затворе.

Для запирания транзисторов Тх и Т2 используется низковольтный полевой транзистор Т3. При поступлении сигнала ОЕЕ1 (отрицательный импульс) транзистор Т3 открывается, и емкость затворов ЮБТ-транзисторов Ть Т2 разряжается, что приводит к закрытию модуля.

Делитель Я2, Я3 обеспечивает рабочее напряжение 5 В на затворе транзистора Т3 и снижает вероятность его ложных срабатываний в результате электромагнитных наводок и переходных процессов. Таким образом достигается необходимое время нахождения коммутатора в открытом состоянии.

ВЫСОКОВОЛЬТНЫЙ КОММУТАТОР

Применение описанной нами в [5] мульти-трансформаторной схемы позволило реализовать все преимущества трансформаторной развязки, а также использовать свойство масштабируемости

для создания высоковольтных ключей с требуемыми параметрами. Конструкция высоковольтного коммутатора представляет собой модульную структуру. Для достижения требуемого блокируемого напряжения высоковольтного ключа были последовательно соединены 16 модулей IGBT Трансформатор Тр является одновитковым тороидальным трансформатором, причем в отдельном модуле первичная обмотка отсутствует. Для управления используют провод с высоковольтной изоляцией, образующий петлю, пронизывающую сердечники тороидальных трансформаторов (рис. 2).

Охлаждение коммутатора осуществляется посредством естественной воздушной конвекции либо с помощью принудительного обдува вентиляторами. Каждый из транзисторов установлен на отдельном радиаторе, позволяющем рассеивать до 30 Вт мощности в режиме охлаждения с воздушным обдувом.

Управление высоковольтным твердотельным коммутатором осуществляется посредством устройства, схематично представленного на рис. 3. Логические сигналы ON и OFF с задающего генератора через трансформаторы Тр1 и Тр2 поступают на транзисторы Т1-1, Т2-2, соединенные по схеме полумоста.

Данная схема обеспечивает формирование раз-нополярных импульсов тока требуемой амплитуды и длительности (~100 нс) в петле управления (первичной обмотке трансформаторов Тр1-1—Тр1-16) для достижения требуемого напряжения открытия на резисторе R1 (см. рис. 1).

Для исследования данного коммутатора собран генератор высоковольтных импульсов с неполным разрядом накопительной емкости С0 (рис. 4).

Устройство управления по входным логическим сигналам открытия ON и закрытия OFF обеспечивало формирование сильноточных импульсов в петле управления, которые поступали на высоковольтный ключ, коммутирующий 16 кВ на резистивную нагрузку Rtoad = 250 Ом. На рис. 5 представлены осциллограммы тока петли управления I2 и тока через активную нагрузку I1. Длительность импульса тока через Rlo^ad составила 3 мкс, а амплитуда тока — 60 А. Сформированный прямоугольный импульс отличается высокой степенью равномерности вершины, что определяется неполным разрядом конденсатора С0. Измеренное значение падения напряжения на ключе составило -180 В.

В процессе работы ключа наблюдается постепенное падение напряжения затвор—эмиттер, что связано с наличием тока утечки через полевой транзистор Т3 (см. рис. 5). Экспериментально установлена предельная длительность открытого состояния модуля, равная 30 мс, в течение которой напряжение затвор—

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»