Мощные устройства импульсной энергетики на основе реверсивно включаемых динисторов (РВД) тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.13 ВАК РФ

ВВЕДЕНИЕ.

ГЛАВА 1. ПРИНЦИП ДЕЙСТВИЯ И КОММУТАЦИОННЫЕ ВОЗМОЖНОСТИ РВД

1.1. Физические основы работы РВД.

1.2. Основные эксплуатационные характеристики РВД и способы их оптимизации.

1.3. Коммутационные возможности РВД.

1.4. Выводы.

ГЛАВА 2. ПРИНЦИПЫ РВД-СХЕМОТЕХНИКИ

2.1. Принципы построения схем запуска РВД.

2.2. Принципы построения схем мощных РВД-переключателей ^

2.3. Принципы построения схем импульсных РВД-устройств.

2.4. Выводы.

ГЛАВА 3. МОЩНЫЕ РВД-ПЕРЕКЛЮЧАТЕЛИ

3.1. РВД-переключатели с питанием цепи управления от силовой цепи.

3.2. РВД-переключатели с автономным питанием цепи управления.

3.3. РВД-переключатели с эстафетным запуском динисторных блоков.

3.4. Выводы.

ГЛАВА 4. МОЩНЫЕ НИЗКОЧАСТОТНЫЕ РВД-УСТРОЙСТВА

4.1. РВД-устройства с микросекундной длительностью фронта выходных импульсов.

4.2. РВ Д-устройства с субмикросекундной длительностью фронта выходных импульсов.

4.3. РВ Д-устройства с наносекундной длительностью фронта выходных импульсов.

4.4. Выводы.

ГЛАВА 5. МОЩНЫЕ ВЫСОКОЧАСТОТНЫЕ РВД-УСТРОЙСТВА

5.1. Высокочастотный РВД-генератор униполярных импульсов.

5.2. Высокочастотные РВД-инверторы.

5.3. РВД-преобразователь постоянного напряжения.

5.4. Выводы.

Для развития многих областей современной импульсной энергетики необходимо создание сильноточных устройств, способных переключать мега и гигаваттные импульсные мощности за времена от долей микросекунды до сотен микросекунд. Причем в последние годы наряду с традиционными областями использования мощных электрических импульсов (лазерная, ускорительная и локационная техника, управляемый термоядерный синтез, электропривод крупных технических систем) начали быстро развиваться новые промышленные технологии — электроразрядная очистка индустриальных газовых выбросов и сточных вод, системы высокочастотного индукционного нагрева, различные импульсные магнитные технологии и т.д.

На стадии эксперимента многие задачи, связанные с быстрой коммутацией больших мощностей, могут решаться с помощью различного рода управляемых разрядников, игнитронов, тиратронов - традиционных и сравнительно недорогих переключателей. Однако при использовании импульсных технологий в промышленности переход к полупроводниковым приборам представляется неизбежным, поскольку только они обладают достаточно большим сроком службы, особенно при работе в частотных режимах. Известными достоинствами полупроводниковых переключателей являются также высокий КПД, бесшумность в эксплуатации, мгновенная готовность к работе и экологическая безопасность.

В этой связи проблема разработки и исследования мощных импульсных устройств на основе новых быстродействующих полупроводниковых приборов - реверсивно включаемых динисторов (РВД) является важной и актуальной.

Перспективы использования полупроводниковых приборов в мощных устройствах импульсной энергетики определяются максимальным уровнем переключаемой ими мощности, предельной скоростью нарастания коммутируемого тока и потерями энергии в процессе переключения.

Как известно, переключение любого биполярного полупроводникового прибора осуществляется в результате заполнения электронно-дырочной плазмой области обратно смещенного коллекторного n-р перехода, которая в исходном состоянии имеет очень большое электрическое сопротивление и блокирует приложенное к прибору внешнее напряжение.

Так как подвижность электронов и дырок сравнительно невысока, то быстрое переключение возможно лишь при небольшом межэлектродном расстоянии. Поэтому предельная величина блокируемого напряжения в быстродействующих полупроводниковых приборах, как правило, не превышает нескольких киловольт.

Из-за ограниченной величины блокируемого напряжения высокий уровень переключаемой мощности достигается путем увеличения коммутируемого тока. При этом, вследствие сравнительно низкой предельной концентрации носителей в электронно-дырочной плазме, малые потери энергии могут быть получены лишь в том случае, когда площадь токопроводящей области велика, а распределение тока в ней достаточно однородно.

Традиционными полупроводниковыми переключателями мощных устройств импульсной энергетики являются силовые кремниевые тиристоры. Они имеют малое стационарное падение напряжения после окончания переходного процесса переключения, высокую перегрузочную способность и сравнительно малую стоимость, вследствие простой технологии изготовления.

Малое стационарное падение напряжения определяет возможность длительного пропускания мощных импульсов тока. Так, например, силовые тиристоры 6RT50HT (фирма SPCO) с диаметром полупроводникового элемента 125 мм и максимальным блокируемым напряжением ~ 5 кВ в миллисекундном диапазоне способны коммутировать импульсы тока с амплитудой в несколько десятков килоампер. При этом величина переключаемой мощности составляет десятки мегаватт.

Однако в микросекундном диапазоне коммутационные возможности силовых тиристоров резко снижаются. Этот недостаток обусловлен тем, что процесс их переключения начинается в узкой области у электрода управления и очень медленно (0,1-0,5 мм/мкс) распространяется по площади полупроводниковой структуры [1]. Перегрев областей первоначального включения ограничивает предельную скорость нарастания коммутируемых импульсов тока на уровне несколько сотен ампер в микросекунду.

Естественным путем повышения однородности переключения тиристоров является использование разветвленного электрода управления, позволяющего разбить структуру прибора на небольшие секции, размер которых соизмерим с размером областей первоначального включения. Однако при этом уменьшается токопроводящая площадь тиристора после окончания процесса переключения и резко увеличивается амплитуда управляющего тока.

Так, например, в разработанных фирмой ABB специальных импульсных тиристорах GCT (Gate Commutated Thyristor) электрод управления занимает примерно половину площади полупроводниковой пластины. При достаточной амплитуде (> 1 кА) и скорости нарастания (> 1 кАУмкс) тока управления устраняется возможность динамической локализации [2] и включение происходит одновременно вдоль всего периметра электрода управления. В этих условиях приборы с диаметром структуры 105 мм и предельным блокируемым напряжением 4,5 кВ способны коммутировать импульсы тока с амплитудой 140 кА при длительности импульсов 40 мкс. Вследствие более сложной технологии изготовления стоимость GCT существенно выше, чем у силовых тиристоров.

Основными проблемами при использовании импульсных тиристоров является сложность обеспечения большой амплитуды и скорости нарастания тока управления и несинхронное переключение при групповом соединении. Значительный (несколько сотен наносекунд) разброс моментов переключения определяет потенциальную ненадежность высоковольтных сборок последовательно соединенных тиристоров из-за возможности пробоя еще не включившихся приборов.

Серьезными конкурентами мощным импульсным тиристорам являются биполярные транзисторы с полевым управлением IGBT (Insulated Gate Bipolar Transistors), способные очень быстро (за сотни наносекунд) включаться и выключаться с помощью импульса напряжения, формируемого в цепи управления.

Принципиальными достоинствами этих приборов являются высокая синхронность включения при групповом соединении и малая мощность в цепи управления. Основной недостаток IGBT-транзисторов состоит в том, что технология их изготовления очень сложна. В результате стоимость IGBT в 3 - 4 раза превышает стоимость импульсного тиристора с близкими коммутационными возможностями.

Современные технологические методы не позволяют изготовить IGBT на ток более 100-200 А и сильноточные IGBT-переключатели выпускаются в виде отдельных модулей, состоящих из нескольких дорогостоящих приборов, заключенных в общий корпус. Максимальный ток модуля не превышает нескольких килоампер, предельное блокируемое напряжение не более 3-4 кВ.

Перспективной альтернативой тиристорам и транзисторам в области больших мощностей являются двухэлектродные полупроводниковые приборы - динисторы, переключаемые с помощью управляющего плазменного слоя [3].

Принцип коммутации с управляющим плазменным слоем заключается в следующем. Если в четырехслойном полупроводниковом приборе отказаться от электрода управления и каким-либо способом создать равномерно распределенный в плоскости коллекторного р-п - перехода слой электронно-дырочной плазмы, то внешнее напряжение будет однородно по площади перемещать из этого слоя дырки в р-область, а электроны - в n-область. Эти носители являются основными для базовых р- и n-областей и понижают потенциальный барьер эмиттерных р-п-переходов. В результате осуществляется однородная инжекция неосновных носителей в соответствующие базовые области, инициирующая однородное переключение прибора по обычному механизму [4].

Если плотность плазмы в управляющем слое достаточно велика и на каждом участке структуры величина запускающего заряда превышает некоторый критический уровень [5], необходимый для его переключения, то включение прибора происходит одновременно по всей площади. Причем из-за технологической неоднородности электрофизических свойств на разных участках рабочей площади однородное развитие процесса переключения достигается только при значительном превышение плотности накопленного заряда qy критического уровня qKp.

В ФТИ им. А.Ф.Иоффе были исследованы различные способы формирования управляющего плазменного слоя - импульсный лавинный пробой коллекторного р-п-перехода [6], ударная ионизация в мощном СВЧ-поле [7], ионизация мощным когерентным [8] и некогерентным [9] импульсом света.

Все они дали хорошие результаты (осуществлена коммутация импульсов тока с амплитудой несколько десятков килоампер и скоростью нарастания несколько килоампер в микросекунду), но не нашли широкого применения. Основной причиной является большая сложность построения систем управления, способных обеспечить при этих способах переключения требуемую плотность запускающего заряда qy » qKp.

Наиболее удобным и энергетически выгодным оказался реверсивно-инжекционный способ формирования управляющего плазменного слоя путем кратковременного изменения полярности исходного напряжения [1*], реализованный в реверсивно включаемых динисторах (РВД) [18*, 22*].

Для осуществления управляющего воздействия в четырехслойную структуру РВД введена плотная система каналов обратной проводимости. При реверсе блокируемого напряжения через них протекает ток управления, обратный по отношению к коммутируемому току. Протекание тока управления обеспечивает инжекцию электронов и дырок в базовые области и накопление запускающих носителей равномерно распределенных по площади динистора. В результате процесс переключения РВД развивается однородно по всей площади структуры и сопровождается очень малыми коммутационными потерями энергии.

Целью диссертационной работы является разработка принципов построения и создание РВД-устройств с мега и гигаваттной импульсной мощностью, способных в микро, субмикро и наносекундном диапазоне коммутировать импульсы тока с амплитудой от единиц до сотен килоампер.

В соответствие с поставленной целью решаются следующие задачи:

• экспериментальное исследование РВД в режимах быстрой коммутации больших мощностей

• разработка принципов РВД-схемотехники

• разработка и исследование мощных РВД-переключателей и импульсных устройств на их основе.

Так как РВД являются новыми мощными полупроводниковыми приборами с оригинальным принципом запуска, отличным от принципа запуска традиционных полупроводниковых переключателей, то принципиальную новизну имеют результаты, полученные автором при исследовании режимов переключения и предельных эксплуатационных параметров РВД, а также разработанные им принципы построения схемотехники и конструкций мощных РВД-устройств для различных областей применения.

При выполнении диссертационной работы впервые

1. Осуществлен реверсивно-инжекционный запуск РВД путем реверса блокируемого напряжения и пропускания в обратном направлении короткого (1-2) мкс импульса тока управления. Установлено, что при достаточной амплитуде тока управления переключение РВД происходит однородно по всей площади полупроводникового элемента и без задержки относительно момента окончания запускающего воздействия.

2. Определены характеристики предаварийных режимов работы РВД: резкое увеличение амплитуды и длительности коммутационного пика напряжения в момент переключения при недостаточной мощности сигнала управления, и появление второго пика напряжения в конце импульса силового тока при чрезмерном разогреве полупроводниковой структуры динистора.

3. Получены рекордные для одиночного полупроводникового прибора амплитуда (300 к А) и скорость нарастания (50 кА/мкс) коммутируемых импульсов тока. Показано, что при переключении импульсов тока микро и субмикросекундного диапазона длительности коммутационные возможности РВД в несколько раз превышают возможности лучших современных импульсных тиристоров.

4. Разработаны принципы построения схем запуска РВД в цепях с резким нарастанием коммутируемого тока, основанные на использовании разделительных магнитных элементов (дросселей и трансформаторов с насыщающимися сердечниками), оригинальных токоформирующих цепей и цепей рекуперации.

5. Разработаны принципы построения мощных РВД-переключателей, основанные на использовании блоков параллельно и последовательно соединенных РВД, запускаемых с помощью а) низковольтных цепей управления и повышающих импульсных трансформаторов, подключенных параллельно или последовательно с блоком РВД б) индивидуальных цепей управления, подключенных параллельно каждому из последовательно соединенных динисторов в) высоковольтных цепей управления с эстафетно переключаемыми маломощными РВД-блоками.

6. Предложен режим двухступенчатого запуска РВД, позволяющий существенно уменьшить необходимую для однородного переключения амплитуду тока управления. Он осуществляется путем пропускания через динистор небольшого и короткого (1-2) мкс импульса прямого тока в интервале между моментом окончания импульса обратного тока управления и моментом резкого нарастания силового тока. Разработаны способы создания этого режима, основанные на использовании энергии цепей управления или силовых цепей.

7. Разработаны принципы построения генераторов мощных импульсов микро, субмикро и наносекундного диапазона длительности, основанные на использовании РВД-переключателей, отсекающих диодов и обостряющих цепей в виде диодных прерывателей тока.

8. Разработаны принципы построения мощных высокочастотных РВД-инверторов, основанные на использовании динисторно-диодных коммутирующих цепей и цепей рекуперации.

Практическая ценность работы определяется созданием РВД-устройств с мега и гигаваттной импульсной мощностью, способных работать на частотах от единиц герц до десятков килогерц и коммутировать импульсы тока с амплитудой в десятки и сотни килоампер.

Разработанные устройства обладают высоким КПД, малыми габаритами и небольшой стоимостью, определяемой простой технологией изготовления реверсивно включаемых динисторов. Они нашли применение в лазерной и локационной технике, используются для импульсного питания электрофильтров, электроразрядной очистки сточных вод, баллистической магнитной сепарации лома цветных металлов, очистки промышленных газовых выбросов коронным разрядом, а также в высоковольтных преобразователях постоянного напряжения и в системах высокочастотного индукционного нагрева.

Результаты диссертационной работы и опытные образцы разработанных РВД-устройств использованы в Институте электрофизической аппаратуры им. Д.В.Ефремова (С.Петербург), во Всероссийском институте экспериментальной физики (Саров), в Институте инновационных и термоядерных исследований (Троицк, московская обл.), в Институте проблем электрофизики (С.Петербург), в Государственном техническом университете (С.Петербург), в Университете железнодорожного транспорта (С.Петербург), в Институте по передаче электроэнергии постоянным током (С.Петербург), в НПО «Астрофизика» (Москва), в Технологическом институте (Екатеринбург), в АО

Электровыпрямитель» (Саранск), в Российском АО «Высокоскоростные магистрали» (С.Петербург), а также в Ливерморской национальной лаборатории (США), в Дрезденском техническом университете (Германия), в Техническом университете Эйндховена (Нидерланды), в Институте полупроводников (Хебей, Китай), в Институте лазерной инженерии (Миньян, Китай), в Институте инженерной электроники (Хефей, Китай), в Корейском электротехнологическом институте (Чангвон, Корея), в Институте науки и технологии (Сеул, Корея), в фирмах Scientific Utilization, Inc. (Хантсвилл, США), Beltran, Inc. (Нью Йорк, США) и Magnet Motor (Стамберг, Германия).

Материалы работы представлены на Международной конференции по мощной электронике (Токио, Япония, 1983), на Всесоюзном совещании «Преобразовательная техника в энергетике» (Ленинград, 1984), на III Всесоюзной конференции «Применение лазеров в технологии, системах передачи и обработки информации» (Таллин, 1987), на VIII Всесоюзном симпозиуме по сильноточной электронике (Свердловск, 1990), на XI и XII Международных конференциях по мощным пучкам частиц (Прага, Чешская Республика, 1996 и Хайфа, Израиль, 1998), на Международном симпозиуме «Electro Med 99» (Норфолк, США, 1999), на Международной конференции по мощным электрическим технологиям (Гренобль, Франция, 1998), на III Международном симпозиуме «Российские технологии для индустрии» (С.Петербург, 1999), на I Международном конгрессе по сильноточной электронике (Томск, 2000), на VI Всероссийском симпозиуме «Электротехника 2010» (Московская обл., 2001), на Американской конференции по электромагнитному излучению (Анаполис, США, 2002), на Европейском симпозиуме по импульсной энергетике (Сант Луис, Франция, 2002), на 45 Международном симпозиуме по мощной электронике (Нюренберг, Германия, 2002).

По теме диссертации опубликовано 65 научных работ. Среди них 37 статей в отечественных и зарубежных журналах, 7 авторских свидетельств на изобретение, 8 патентов и 2 свидетельства на полезную модель.

Диссертация состоит из пяти глав, заключения и списка литературы. В первой главе рассмотрены физические основы работы РВД и определены их коммутационные возможности. Во второй главе рассмотрены основные принципы РВД-схемотехники. В главах 3-5 на примерах разработанных РВД-переключателей, РВД-генераторов и высокочастотных РВД-инверторов показаны принципы построения мощных РВД-устройств с микро, субмикро и наносекундным фронтом коммутируемых импульсов. В разделе «Заключение» сформулированы основные результаты работы и определены перспективы импульсных устройств на основе РВД.

На защиту выносятся следующие положения: 1. При плотности и длительности тока управления соответственно (25-50) А/см2 и (1-2) мкс и плотности запускающих инжекционных каналов не менее (300-600) на квадратный сантиметр переключение РВД происходит однородно по площади и без задержки относительно момента окончания запускающего воздействия.

В результате однородного переключения коммутационные возможности РВД более чем в два раза превосходят возможности лучших современных импульсных тиристоров с той же площадью полупроводникового элемента и возрастают практически пропорционально рабочей площади.

Отсутствие задержки включения обеспечивает синхронное переключение последовательно соединенных динисторов и равномерное распределение напряжения между ними в процессе запуска без внешних динамических делителей напряжения.

Уникальные коммутационные возможности РВД, а также простота их последовательного и параллельного соединения позволяют конструировать РВД-переключатели с гига и тераватной импульсной мощностью.

2. Амплитуда необходимых для однородного переключения РВД импульсов тока управления может быть в несколько раз уменьшена при двухступенчатом запуске, когда в интервале между моментом окончания тока управления и моментом резкого нарастания коммутируемого тока через динистор пропускается короткий (1-2) мкс импульс прямого тока с плотностью (20-40) А/см2.

3. Резкое увеличение амплитуды и длительности коммутационного пика напряжения на РВД в момент переключения и появление второго пика в установившемся режиме коммутации свидетельствуют, соответственно, о недостаточной мощности сигнала управления и о чрезмерном нагреве структуры динистора. Эти явления могут быть использованы для определения границ режима безопасной работы РВД.

4. Профильное распределение концентраций рекомбинационных центров в базовых областях РВД, полученное при облучении протонами со стороны анодного эмиттера, позволяет обеспечить уникальное для полупроводниковых приборов тиристорного типа сочетание основных эксплуатационных параметров (блокируемого напряжения, времени * выключения и коммутационных потерь энергии), позволяющее на частоте в десятки килогерц коммутировать импульсные мощности в десятки мегаватт.

5. Разработанные принципы построения мощных РВД-переключателей обеспечивают возможность коммутации субмегаамперных импульсов тока, нарастающих со скоростью в несколько десятков килоампер в микросекунду при уровне напряжения в десятки киловольт и уровне коммутируемой энергии в единицы мегаджоулей.

6. Разработанные принципы построения мощных РВД-генераторов позволяют формировать импульсы тока микросекундного диапазона длительности с амплитудой в несколько сотен килоампер, а нано и ф субмикросекундного диапазона с амплитудой в единицы и десятки килоампер при мега и гигаваттной импульсной мощности.

7. Разработанные принципы построения мощных РВД-инверторов обеспечивают возможность коммутации импульсов тока с амплитудой в единицы и десятки килоампер, следующих с частотой в десятки килогерц при уровне напряжения в десятки киловольт.

6.1. ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ.

Результаты проделанной работы состоят в следующем.

1. Проведен комплекс экспериментальных исследований опытных образцов реверсивно включаемых динисторов, послуживший основой для создания РВД с уникальными коммутационными возможностями, более чем в два раза превосходящими предельные возможности лучших современных импульсных тиристоров. При этом стоимость РВД существенно ниже вследствие простой технологии изготовления.

2. Предложен режим двухступенчатого запуска РВД, позволяющий в несколько раз уменьшить потери энергии в процессе управляющего воздействия путем пропускания через динистор после его переключения и до момента коммутации силового тока небольшого и короткого (1-2 мкс) импульса прямого тока с плотностью (20-40 А/см ). Разработаны способы его реализации.

3. Установлено, что:

• при достаточной плотности и длительности тока управления (соответственно 25-50 А/см и 1-2 мкс) и достаточной плотности инжекционных каналов обратной проводимости (300-600 на квадратный сантиметр) переключение РВД происходит однородно по всей площади полупроводникового элемента и без задержки относительно момента окончания управляющего воздействия, в результате их коммутационные возможности возрастают практически пропорционально рабочей площади

• включение последовательно соединенных РВД происходит синхронно, что обеспечивает равномерное распределение напряжения между ними в процессе запуска без внешних динамических делителей напряжения

• в режимах быстрой коммутации больших мощностей распределение тока между параллельно соединенными высоковольтными динисторными блоками определяется, в основном, не динамическим сопротивлением динисторов (оно очень мало), а индуктивностями РВД-блоков и токоподводящих шин.

• границы аварийных режимов работы РВД могут быть определены по резкому увеличению амплитуды и длительности коммутационного пика напряжения в момент переключения, свидетельствующего о недостаточной мощности сигнала управления, и по появлению второго коммутационного пика напряжения в конце импульса силового тока при его чрезмерной амплитуде.

4. Определены основные эксплуатационные характеристики и предельные коммутационные возможности различных типов РВД, выпускаемых отечественной промышленностью. Получены рекордные для одиночных полупроводниковых приборов значения амплитуды (300 кА) и скорости нарастания (50 кА/мкс) коммутируемых импульсов тока.

5. Разработаны принципы построения схем запуска мощных РВД-переключателей, основанные на использовании дросселей и трансформаторов с насыщающимися сердечниками, разнообразных формирователей тока управления и цепей рекуперации. Они обеспечивают надежное и эффективное переключение РВД в высоковольтных (единицы и десятки киловольт) силовых цепях с резким (несколько десятков килоампер в микросекунду) нарастанием коммутируемого тока.

6. Разработаны принципы построения мощных (сотни мегаватт) генераторов импульсов микро, субмикро и наносекундного диапазона длительности, основанные на использовании одиночных РВД, повышающих импульсных трансформаторов и выходных обострительных цепей со звеньями магнитного сжатия или диодными прерывателями тока. Они позволяют получить в различных цепях физических нагрузок высокий несколько десятков киловольт) уровень выходного напряжения при использовании высоконадежных низковольтных силовых цепей.

7. Разработаны принципы построения высоковольтных импульсных генераторов, основанные на использовании РВД-переключателей с предельным блокируемым напряжением в десятки киловольт, запускаемых с помощью оригинальных транзисторных, тиристорных и динисторных цепей управления. Они обеспечивают переключение мега и гигаваттных импульсных мощностей за времена от долей микросекунды до сотен микросекунд при уровне коммутируемых импульсов тока в десятки и сотни килоампер и уровне переключаемых энергий от сотен джоулей до нескольких мегаджоулей.

8. Разработаны принципы построения высокоэффективных (КПД более 90%) высокочастотных генераторов и инверторов, основанные на использовании сборок РВД с малым (8-10 мкс) временем выключения, отсекающих высокочастотных диодов и цепей рекуперации. Они позволяют на частотах в единицы и десятки килогерц переключать импульсы тока с амплитудой в единицы и десятки килоампер при уровне напряжение в единицы и десятки киловольт.

В материалах диссертации представлено более 30 оригинальных схемотехнических решений, приведены технические характеристики и конструкции свыше полутора десятков разнообразных мощных импульсных РВД-устройств, предназначенных для использования в различных областях импульсной энергетики, что позволяет рассматривать комплекс проделанных работ как базис нового научно-технического направления «Мощные устройства импульсной энергетики на основе реверсивно включаемых динисторов (РВД)».

6.2. ПЕРСПЕКТИВЫ ИМПУЛЬСНЫХ УСТРОЙСТВ НА ОСНОВЕ РВД.

Перспективы развития импульсных РВД-устройств определяются возможностью многократного увеличения коммутируемой мощности путем повышения уровня напряжения силовых цепей и амплитуды коммутируемых импульсов тока.

Надежность сборок последовательно соединенных динисторов, обусловленная их синхронным переключением, и простота разработанных схем запуска высоковольтных блоков РВД позволяют увеличивать напряжение РВД-цепей до 50 кВ и выше.

Примером построения малогабаритных сборок РВД с рабочим напряжением 50 кВ является РВД-блок, разработанный по заказу НИИЭФА (С.Петербург) для коммутации импульсов тока с амплитудой 150 кА и длительностью 100 мкс в моно-режиме. Его фотография представлена на рис. 6.2.1.

Для уменьшения габаритов структуры динисторов (РВД-В-76) используются без стандартных керамических корпусов. Они помещены в фторпластовые кольца и закреплены на медных дисковых пластинах. Герметичность конструкции обеспечивается кремний-органическим компаундом типа КЛТ, заполняющим пустоты между фторпластовыми кольцами и динисторами.

Высокая равномерность распределения блокируемого напряжения между динисторами достигается в результате использования статического делителя на основе маломощных варисторов.

Радикальное увеличение мощности РВД-устройств достигается при параллельном соединении динисторов. О высокой надежности сборок параллельно включенных блоков РВД свидетельствуют эксперименты с мощным (8 ГВт) переключателем (см. фото на рис. 6.2.2), разработанным по заказу лазерного центра САЕР (Миньян, Китай).

Рис. 6.2.2. РВД-переключатель с двумя параллельно соединенными блоками РВД,

Он содержит два параллельно соединенных блока РВД на основе динисторов РВД-В-76, способен блокировать напряжение до 25 кВ и предназначен для коммутации униполярных импульсов тока с амплитудой 320 кА и длительностью 500 мкс.

Для запуска блоков РВД используется рассмотренная в разделе 2.2 цепь управления с двумя эстафетно переключаемыми маломощными РВД-блоками (см. рис. 2.2.6), собранными на основе последовательно соединенных динисторов с диаметром структуры 7 мм (блок РВДО и 24 мм (блок РВДг).

Так как падение напряжения на динисторах силовых блоков РВД очень мало, а скорость нарастания тока управления велика, то его распределение между блоками зависит, в основном, от величины их монтажных индуктивностей. При одинаковой конструкции блоков и симметричном токоподводе неравномерность распределения тока управления не превышает 10 %.

Одновитковый дроссель насыщения Lo (на фото он на заднем плане) отделяет ЦУ от силовой цепи в процессе запускающего воздействия. В момент насыщения его сердечника к блокам РВД прикладывается прямое напряжение, они без задержки переключается и коммутируют быстронарастающий импульс силового тока.

Вследствие большой величины и примерного равенства накопленного заряда запускающих носителей уровень падений напряжения на динисторах в процессе коммутации мал и фактически одинаков. При этом неравномерность распределения силового тока по блокам РВД не превышает 10 % и во многом определяется индуктивным сопротивлением токоподводящих шин.

Еще большая величина коммутируемой мощности получена сотрудниками ВНИИЭФ (Саров) при тестовых испытаниях мощного РВД-переключателя, состоящего из трех параллельно соединенных блоков РВД. В процессе экспериментов [30] на стенде Sandia National Laboratories

США) этот переключатель успешно коммутировал импульсы тока с амплитудой 450 кА и длительностью 600 мкс при уровне блокируемого напряжения 24 кВ.

Существенное повышение уровня мощности, коммутируемой одиночным РВД, обеспечивается при увеличении площади его полупроводниковой структуры.

В таблице на рис. 6.2.3 приведены параметры допустимых импульсов тока, полученные при исследовании коммутационных возможностей низкочастотных РВД-В*-76 в моно-режиме и высокочастотных РВД-Н*-24 на частоте 5 кГц.

Так как коммутационные возможности РВД возрастают практически пропорционально рабочей площади, а современная технология изготовления полупроводниковых приборов позволяет выпускать динисторы с диаметром структуры 125 мм, то на частоте 5 кГц реальной представляется коммутация импульсов тока с амплитудой ~ 50 кА, а в моно-режиме ~ 800 кА. При этом предельная мощность, коммутируемая РВД-В*-125 в моно-режиме, будет составлять около 3 ГВт, а импульсная мощность, переключаемая РВД-Н*-125 на частоте 5 кГц около 60 МВт.

Для сравнения в таблице приведены предельные коммутационные возможности лучших современных IGBT-модулей FZ2400R17KF6B2 и лучших импульсных тиристоров 5SPY36L4502 в аналогичных режимах эксплуатации.

Они значительно (почти в 5 раз для тиристоров и более чем на порядок для IGBT-транзисторов) уступают расчетным коммутационным возможностям РВД-В*-125 и РВД-НМ25.

Уникальные коммутационные возможности одиночных РВД, высокая надежность их последовательного и параллельного соединения и сравнительно небольшая стоимость позволяют разрабатывать недорогие и малогабаритные РВД-генераторы и РВД-инверторы с рекордными для полупроводниковых устройств уровнями коммутируемой мощности.

Тип прибора Максимальное блокируемое напряжение Амплитуда импульсов тока Длительность импульсов тока Режим Коммутируемая мощность

РВД-В*-76 3500 В 300 кА 40 мкс Моноимпульсный 1,05 ГВт

РВД-Н*-24 1200 В 2 кА 10 мкс 5 кГц 2,4 МВт

5SPY36L4502 4500 В 140 кА 40 мкс Моноимпульсный 630 МВт

FZ2400R17KF6B2 1700 В 2 кА 10 мкс 5 кГц 3,4 МВт

РВД-ВМ25 3500 В ~ 800 кА 40 мкс Моноимпульсный ~3 ГВт

РВД-НМ25 1200 В ~ 50 кА 10 мкс 5 кГц ~ 60 МВт

Рис. 6.2.3. Коммутационные возможности РВД и лучших современных импульсных тиристоров и ЮВТ-транзисторов.

Так, величины допустимых переключаемых мощностей, для импульсных устройств на основе высоковольтных РВД-блоков, состоящих из 20-30 последовательно соединенных динисторов с диаметром структуры 125 мм, могут быть оценены в (60-90) ГВт в моно-режиме и в (1,2-1,8) ГВт на частоте 5 кГц. При параллельном соединении таких блоков возможно создание импульсных РВД-устройств с тераваттной импульсной мощностью.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ.

1. Белов А.В, Воронков В.Б, Грехов И.В., Крюкова Н.Н. Исследование начального этапа процесса включения тиристоров путем регистрации рекомбинационного излучения // Электротехническая промышленность. Сер. Преобразовательная техника. 1970. № 5. С. 15.

2. Брылевский В.И., Левинштейн М.Е., Чашников И.Г. Динамическая локализация тока в переходном процессе включения тиристоров // ЖТФ. 1984. Т. 54. № 1.С. 124.

3. Тучкевич А.В., Грехов И.В. Новые принципы коммутации больших мощностей полупроводниковыми приборами. Л. Наука. 1988.

4. Джентри Ф., Гутцвиллер Ф., Голоньяк Н. Управляемые полупроводниковые вентили. М. Мир. 1967.

5. Уваров А.И. Критический заряд включения тиристора // В кн. Физика электронно-дырочных переходов и полупроводниковых приборов. Л. Наука. 1969. С. 151.

6. Брылевский В.И., Кардо-Сысоев А.Ф., Чашников И.Г. Мощные полупроводниковые коммутаторы субмикросекундного диапазона // Электротехника. 1984. № 3. С. 51.

7. Грехов И.В., Кардо-Сысоев А.Ф., Крикленко А.В. Управление мощными полупроводниковыми переключателями с помощью СВЧ излучения // ФТП. 1982. Т. 16. № 10. С. 1729.

8. Волле В.М., Воронков В.Б., Грехов И.В., Козлов В.А. Мощный наносекундный тиристорный переключатель, коммутируемый импульсом света//ЖТФ. 1981. Т. 51. № 2. С. 373.

9. Грехов И.В., Козлов В.А., Левинштейн М.Е., Сергеев В.Г. Мощный оптоэлектрический переключатель микросекундного диапазона // Письма в ЖТФ. 1982. Т. 8. № 14. С. 853.

10. Кардо-Сысоев А.Ф. Распределение потенциала в р-п-р-п структурах во время переходного процесса включения // ФТП. 1971. Т. 5. № 12. С. 2333.

11. Аязян Р.Э., Горбатюк А.В., Паламарчук А.И. Условие включения р-п-р-п структуры при различных распределениях начального заряда вдоль баз // Радиотехника и электроника. 1978. Т. 23. № 5. С. 1033.

12. Горбатюк А.В. Динамика и устойчивость быстрых регенеративных процессов в структурах мощных тиристоров // Препринт ФТИ им. А.Ф.Иоффе №962. Л. 1985.

13. Горбатюк А.В., Грехов И.В., Наливкин А.В. Теория квазидиодного режима работы реверсивно включаемых динисторов // Препринт ФТИ им. А.Ф.Иоффе № 1071. Л. 1986.

14. Носов Ю.Р. Физические основы работы полупроводникового диода в импульсном режиме. М. Наука. 1968.

15. Зи С. Физика полупроводниковых приборов. М. Мир. 1984.

16. Горбатюк А.В., Грехов И.В., Костина Л.С., Ковров A.M., Панайотти И.Е. Характеристики управления быстродействующих реверсивно включаемых динисторов // Электротехника. 1992. № 8. С. 41.

17. Горбатюк А.В., Панайотти И.Е. Динамический перегрев реверсивно включаемых динисторов // ЖТФ. 1990. Т. 60. № 5. С. 129.

18. Волле В.М., Воронков В.Б., Грехов И.В., Козлов В.А. Оптимизация частотных и статических характеристик полупроводниковых приборов путем создания локальных зон повышенной рекомбинации в базовых областях // ЖТФ. 1987. Т. 57. № 10. С. 1925.

19. Меерович Л.А., Ватин И.М., Зайцев Э.Ф., Кандыкин В.М. Магнитные генераторы импульсов. М. Советское радио. 1968.

20. Вдовин С.С. Мощный высоковольтный импульсный трансформатор с одним витком в первичной обмотке // Электротехника. 1989. № 9. С. 58.

21. Мешков А.Н. Магнитные генераторы мощных наносекундных импульсов. // ПТЭ. 1990. № 1. С. 23.

22. Грехов И.В., Ефанов В.М., Кардо-Сысоев А.Ф., Шендерей С.В. Формирование высоковольтных наносекундных перепадов напряжения надиодах с дрейфовым механизмом восстановления напряжения // Письма в ЖТФ. 1983. Т. 9. № 7. С. 435.

23. Дарзнек С.А., Котов Ю.А., Месяц Г.А., Рукин С.Н. SOS-эффект: наносекундный обрыв сверхплотных токов в полупроводниках // ДАН. 1994. Т. 334. №3. С. 304.

24. Булатов О.Г., Иванов B.C., Панфилов Д.И. Тиристорные схемы включения высокоинтенсивных источников света. М. Энергия. 1975.

25. Беркович Е.И., Ивенский Г.В., Иоффе Ю.С., Матчак А.Т., Моргун В.В. Тиристорные преобразователи повышенной частоты для электротехнологических установок. JI. Энергоатомиздат. 1983.

26. Булатов О.Г., Царенко А.И. Тиристорно-конденсаторные преобразователи. М. Энергоиздат. 1982.

27. Иньков Ю.М. Преобразовательные полупроводниковые устройства подвижного состава. М. Транспорт. 1982.

28. Гудушин И.В., Сырников Э.В., Тополов В.В. Анализ работы последовательного резонансного инвертора с ограничительными диодами // Сб. трудов НИИПТ. С.Пб. 1992. С. 121.

29. Васильев А.С. Гуревич С.Г., Иоффе Ю.С. Источники питания электротермических установок. М. Энергоатомиздат. 1985.