Разработка и исследование генераторов мощных наносекундных импульсов на основе дрейфовых диодов с резким восстановлением и динисторов с глубокими уровнями тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.13 ВАК РФ

На правах рукописи

КОРОТКОВ Дмитрий Александрович

РАЗРАБОТКА И ИССЛЕДОВАНИЕ ГЕНЕРАТОРОВ МОЩНЫХ НАНОСЕКУНДНЫХ ИМПУЛЬСОВ НА ОСНОВЕ ДРЕЙФОВЫХ ДИОДОВ С РЕЗКИМ ВОССТАНОВЛЕНИЕМ И ДИНИСТОРОВ С ГЛУБОКИМИ УРОВНЯМИ

01.04.13 - Электрофизика, электрофизические установки

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

О 4 СЕН 2014

Санкт-Петербург - 2014

005552089

005552089

Работа выполнена в Федеральном государственном бюджетном учреждении науки Физико-техническом институте им. А.Ф. Иоффе Российской академии наук

Научный руководитель: доктор технических наук,

заведующий лабораторией ФТИ им. А.Ф. Иоффе Короткое C.B.

Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор кафедры Физической Электроники

и Технологии (СПбГЭТУ) Козырев А.Б.

кандидат технических наук, заведующий отделом преобразовательных

устройств НИИПТ, доцент по специальности Шершнев Ю.А.

Ведущая организация: Федеральное государственное автономное образования «Санкт-Петербургский университет»

образовательное учреждение высшего государственный политехнический

Защита состоится 22 октября 2014 г. в 16— часов на заседании диссертационного совета ДМ002.131.01 Учреждения Российской академии наук Института электрофизики и электроэнергетики РАН по адресу: Санкт-Петербург, Дворцовая наб., д. 18, ИЭЭ РАН.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ИЭЭ РАН и на сайте http://iperas.nw.ru/

Автореферат разослан августа 2014 г.

Ученый секретарь диссертационного совета кандидат технических наук .

Киселев А. А.

Актуальность работы

В настоящее время для исследования электрофизических процессов, получения материалов с новыми, заранее заданными свойствами, для питания импульсных лазеров, ускорителей, устройств очистки воды и воздуха требуются генераторы мощных наносекундных импульсов, обладающие высокой надежностью, КПД и малыми габаритами.

Для создания мощных наносекундных импульсов обычно используются два подхода: накопление энергии в емкостных накопителях (конденсаторах, формирующих линиях) с последующей коммутацией в нагрузку замыкающим ключом и накопление энергии в магнитном поле индуктивного контура с коммутацией прерывателем тока.

Традиционно наносекундная коммутация больших электрических мощностей осуществлялась с помощью разрядников разнообразной конструкции, магнитных ключей, плазменных прерывателей тока, взрывающихся проволочек и т.д. Однако, для развития промышленных импульсных технологий такая элементная база неэффективна в использовании из-за малого срока службы, нестабильности срабатывания и низких частотных характеристик.

Этих недостатков лишены полупроводниковые приборы, являющиеся наиболее перспективными переключателями современной импульсной техники.

В этой связи разработка мощных генераторов на основе полупроводниковых приборов с наносекундным быстродействием является важной и актуальной. Цель работы

Целью настоящей работы является разработка и исследование высоковольтных генераторов наносекундных импульсов с мегаваттной импульсной мощностью на основе новых двухэлектродных полупроводниковых приборов — дрейфовых диодов с резким восстановлением (ДДРВ) и динисторов с глубокими уровнями (ДГУ), разработанных в ФТИ им. А.Ф. Иоффе соответственно для коммутации цепей с индуктивными и емкостными накопителями энергии.

Объектом исследований является процесс формирования мощных наносекундных импульсов при помощи ДДРВ и ДГУ.

Предмет исследований - полупроводниковые приборы ДДРВ и ДГУ и генераторы мощных наносекундных импульсов, созданные на их основе. Методы исследовании

При проектировании импульсных генераторов использовались компьютерные программы, позволяющие производить расчеты электромагнитных процессов в цепях и строить трехмерные модели деталей и узлов. Измерение электрических импульсов наносекундной длительности осуществлялось с помощью специально сконструированных малоиндуктивных датчиков тока и напряжения цифровыми осциллографами TDS3052B с полосой пропускания 500 МГц и DP05204 с полосой пропускания 2 ГГц. Регистрация мощности оптического излучения производилась датчиком ц - Joule Meter РЕМ 250 с USB-интерфейсом. Температура на элементах генератора измерялась бесконтактным методом с применением лазерного пирометра, а также при помощи термопары. Научные положения, выносимые на защиту:

1. Проведенные исследования обеспечивают возможность создания полупроводниковых коммутаторов на основе последовательно соединенных дрейфовых диодов с резким восстановлением (ДДРВ) и динисторов с глубокими уровнями (ДГУ) с рабочим напряжением более 20 кВ, способных коммутировать килоамперные импульсы тока, нарастающие со скоростью более 100 А/нс, недоступной для традиционных транзисторов и тиристоров.

2. Разработанные ДДРВ-генераторы способны за единицы наносекунд на частоте несколько килогерц коммутировать импульсные мощности в несколько мегаватт и могут эффективно использоваться для очистки воздуха от промышленных загрязнителей и для накачки лазеров.

3. Разработанные ДГУ-генераторы способны в наносекундном диапазоне коммутировать импульсные мощности в десятки и сотни мегаватт и могут эффективно использоваться для накачки лазеров и для переключения гигаваттных коммутаторов на основе реверсивно включаемых динисторов.

Научной новизной обладают:

- оптимизированная конструкция ДГУ, позволяющая стабилизировать поверхностные токи утечки;

- результаты экспериментального исследования ДГУ, свидетельствующие об их однородном переключении и снижении коммутационных потерь энергии при нагреве;

- разработанные принципы построения высоковольтных ДДРВ- и ДГУ-коммутаторов, обладающих уникальными коммутационными возможностями;

- электрические схемы и конструкции разработанных генераторов на основе ДДРВ и ДГУ, обеспечивающие высокую эффективность процесса коммутации мощных наносекундных импульсов.

Практическая значимость заключается в разработке высокоэффективных генераторов мегаваттных электрических импульсов наносекундной длительности на основе новых отечественных полупроводниковых приборов, характеристики которых соответствуют, а в ряде случаев превышают мировой уровень. Они могут быть использованы в лазерной, ускорительной и локационной технике, для развития современных импульсных технологий (очистка промышленных газовых выбросов, нейтрализации отходов вредных производств, стерилизации пищевых продуктов) и в различных областях экспериментальной физики.

Так, разработанные ДДРВ- и ДГУ-генераторы показали высокую эффективность при использовании в мощных лазерных устройствах фирмы LTB (г. Берлин), а также в опытном устройстве электроразрядной очистки воздуха от промышленных загрязнений и в лазерной установке мегаджоульного класса, разрабатываемой в РФЯЦ ВНИИЭФ (г. Саров).

Личный вклад автора состоит в том, что основные результаты диссертационной работы получены лично им или при его непосредственном участии.

Лично автором были разработаны и изготовлены стенды для исследования мощных коммутаторов на основе ДДРВ и ДГУ, проведено их экспериментальное исследование, написана программа-алгоритм для обработки экспериментальных данных, проведено моделирование электромагнитных и тепловых процессов. При

непосредственном активном участии автора была оптимизирована конструкция ДГУ и электрические схемы базовых ДЦРВ- и ДГУ-генераторов, разработаны и изготовлены опытные образцы генераторов мощных наносекундных импульсов и проведено их экспериментальное исследование. Научные публикации

Основные результаты диссертации докладывались на следующих всероссийских и международных конференциях: 8-я научно-техническая конференция молодых специалистов «ПУЛЬСАР-2009» (21-23 октября, 2009, Дубна, Россия), 4nd Euro- Asian Pulsed Power Conference (September 30—October 4, 2012, Karlsruhe, Germany).

По теме диссертации опубликовано 8 научных работ в рецензируемых научных изданиях и журналах, список публикаций приведен в конце автореферата. Структура и объем диссертации

Диссертация содержит 118 страниц машинописного текста, 4 таблицы, 69 рисунков по тексту, список использованной литературы из 75 наименовании. Основное содержание работы

Во введении обосновывается актуальность решаемых в диссертации задач, формулируется цель работы, рассматриваются вопросы научной новизны и практической значимости выносимых на защиту результатов, кратко излагается содержание диссертационной работы.

В первой главе рассмотрены известные принципы генерации мощных наносекундных импульсов с использованием емкостных и индуктивных накопителей энергии. Особое внимание уделено ключевым элементам, которые являются наиболее проблемными элементами электрических схем генераторов. Сделан обоснованный выбор разработанных в ФТИ им. А.Ф. Иоффе замыкающих ключей - динисторов с глубокими уровнями (ДГУ) и прерывателей тока -дрейфовых диодов с резким восстановлением (ДДРВ), позволяющих, по мнению автора, наилучшим образом осуществить поставленную задачу разработки высокоэффективных генераторов мощных наносекундных импульсов.

Вторая глава посвящена разработке генераторов высоковольтных наносекундных импульсов с импульсной мощностью более 1 МВт и рабочей частотой несколько килогерц на основе блоков последовательно соединенных ДДРВ. В разделе 2.1 определены задачи исследований. Описана базовая электрическая схема ДДРВ-генератора наносекундных импульсов. Определен ее основной недостаток: нестабильность работы цепи коммутации ЦК в режимах с большой отраженной от нагрузки энергией, характерных для многих электроразрядных технологий.

В разделе 2.2 рассмотрена оптимизированная схема ДДРВ-генератора (см. рис.1). В результате введения в цепь коммутации ЦК диодного блока и цепи «[^2Л7Г)1» исключается перезарядка конденсатора С2 и обеспечивается рассеяние энергии, остающейся в ЦК после окончания процесса коммутации тока в нагрузку Ъ. С помощью цепи «Я1-Ь2» после окончания процесса коммутации осуществляется перемагничивание сердечника Т1 до состояния, обеспечивающего максимальное изменение магнитной индукции в рабочем режиме. При этом уменьшаются габариты трансформатора и стабилизируется режим его работы.

В схеме на рис.1 при включении ключа К через блок последовательно соединенных ДДРВ в прямом направлении протекает ток включения, обеспечивающий зарядку конденсатора С2 и накопление в структурах диодов электронно-дырочной плазмы. В момент окончания процесса зарядки С2 происходит насыщение сердечника Т1. Индуктивность его вторичной обмотки резко уменьшается и через ДДРВ в обратном направлении протекает ток выключения, определяемый разрядом конденсатора С2. Он осуществляет вынос из структур ДДРВ заряда, накопленного при протекании прямого тока. Быстрое выключение блока ДДРВ происходит вблизи максимума обратного тока, когда достигается

Рис. 1. Схема ДДРВ-генератора.

примерное равенство зарядов, пропускаемых через диоды в прямом и обратном направлениях. При выключении блока ДДРВ ток вторичной обмотки Т1 коммутируется в нагрузку Z.

В разделе приведены результаты экспериментов, позволившие определить конструкцию трансформатора Т1 и выбрать элементную базу для цепи коммутации ЦК. В качестве коммутатора К предлагается использовать ЮВТ-транзисторы IRGPS60B120KD с рабочим напряжением 1200 В или импульсные тиристоры TA32N14A10 с рабочим напряжением 1400 В, в качестве С2, СЗ - керамические конденсаторы К15-20 класса МП0, в качестве диодов VD1, VD2 - HER608 с рабочим напряжением 1000 В. Сердечник трансформатора Т1 рекомендуется выполнять из ферритовых колец типа N87 фирмы Epcos, имеющих малые потери энергии и высокую индукцию насыщения (0,45 Тл). В его первичной обмотке предлагается использовать один виток, а вторичную обмотку выполнять однослойной в виде двух секций, намотанных согласно и расположенных оппозитно. При этом достигается высокая электрическая прочность. После изготовления трансформатор рекомендуется заливать компаундом СУРЭЛ-СЛ-КСТ для исключения межобмоточных барьерных разрядов.

Основная задача описанных в разделе исследований состояла в определении коммутационных возможностей блоков ДДРВ, состоящих из диодных структур с диаметром 16 и 20 мм, существенно превышающем диаметр диодов, используемых в базовом ДДРВ-генераторе.

Блоки ДДРВ изготавливались путем напайки диодных структур друг на друга. Боковая поверхность блоков была защищена компаундом KJIT. Структуры ДДРВ имели рабочее напряжение 1200 В и вырезались из ДДРВ-пластин, изготовленных в ОАО «Электровыпрямитель» (г. Саранск).

Эксперименты показали, что при плотности тока выключения выше 200 А/см" на блоках ДДРВ возникает большое падение напряжения на этапе коммутации, предшествующем резкому обрыву тока. Образующийся «пьедестал» снижает эффективность процесса коммутации. При уменьшении длительности импульсов тока включения и выключения соответственно с 450 и 250 не до 120 и 60 не было

достигнуто плавное уменьшение времени выключения ДДРВ-блоков от 4,5 до 2,5 не.

На рис. 2 приведена типовая осциллограмма напряжения на нагрузке 75 Ом (кривая 1). Высокую (-15 кВ) амплитуду напряжения обеспечивал блок ДДРВ, состоящий из 16 диодных структур с диаметром 16 мм. Малая длительность фронта (~3 не) достигалась при длительности импульсов тока включения и выключения соответственно 300 не и 80 не.

Кривая 2 получена в результате компьютерного моделирования. Хорошее совпадение с экспериментом подтверждает правильность расчета.

При ресурсных испытаниях было обнаружено, что на блоках ДДРВ с малым сроком службы падение напряжения в процессе выключения имеет ступенчатый характер вследствие технологического разброса характеристик диодов. Это обстоятельство определило необходимость отбраковки структур ДДРВ. Экспериментальным образом был определен допустимый разброс структур ДДРВ по амплитуде напряжения и по времени выключения (не более 5%), при котором обеспечивалась надежная работа высоковольтных блоков ДДРВ.

При исследовании параллельно соединенных блоков ДДРВ с общей цепью коммутации было показано их практически синхронное выключение, позволяющее масштабировать коммутируемую мощность.

В разделе 2.3. приведены результаты исследований ДДРВ-генераторов с мегаваттной импульсной мощностью.

+

X + V 4 X \ П

г \\ * X

1

/

. - Г. -

Рис.2. Осциллограмма напряжения на блоке ДДРВ (1), расчетная кривая (2). (2 нс/дел, 3 кВ/дел)

В параграфе 2.3а описан ДДРВ-генератор наносекундных импульсов высокого j напряжения, разработанный для накачки азотного лазера MNL330 фирмы LT В ! (Laser Technik Berlin).

Генератор был выполнен по схеме на рис. 1. В качестве ключа К использовался импульсный тиристор TA32N14A10. Нагрузкой генератора являлась малоиндуктивная сборка конденсаторов Сн=400 пФ, подключенная

параллельно лазерной трубке. Блок ДДРВ I

состоял из 12 диодов с диаметром структур 16 мм и располагался на минимальном

расстоянии от Сн. Его фотография приведена Рис.3. Блок ДДРВ.

на рис. 3. |

При выключении блока ДДРВ обеспечивалась быстрая зарядка Сн до ( напряжения пробоя межэлектродного промежутка лазера. В процессе развития i разряда в газовом промежутке происходила генерация лазерного излучения.

На рис. 4 приведены осциллограммы выходного напряжения ДДРВ-генератора (1) и тока в цепи коммутации (2). Высокая скорость нарастания напряжения (длительность фронта менее 15 нс) обеспечила высокое напряжение пробоя газового промежутка лазера (-12 кВ), что j позволило более чем в 2 раза увеличить мощность оптического излучения лазера по сравнению с исходным вариантом на основе сборки импульсных тиристоров. В параграфе 2.36 описан высокочастотный ДДРВ-генератор, разработанный для очистки воздуха наносекундными электрическими разрядами, которые, как известно, более эффективны, чем традиционные разряды микросекундной длительности. Его электрическая схема приведена на рис.5.

Рис.3. Блок ДДРВ.

$ i

Рис.4. Осциллограммы напряжения (1) и тока в цепи коммутации (2). (10 нс/дел, 3 кВ/дел, 100 А/дел)

В генераторе было использовано 6 цепей коммутации ЦК1-ЦК6 на основе ЮВТ-транзисторов УТ1 (ЖСР860В120X0). На элементах СО-ЬО-УБО-УИ реализован обратноходовой конвертор, позволяющий регулировать напряжение зарядки конденсаторов С1.

Достоинством разработанной схемы является малое влияние цепей коммутации друг на друга, достигаемое благодаря использованию автономных трансформаторов Т1 и достаточно больших индуктивностей ЬО, Ь2. Возможность получения требуемой высокой скорости нарастания тока выключения блока ДДРВ при больших Ь2 определяется высоким напряжением зарядки конденсаторов С2, определяемым большим коэффициентом трансформации в Т1.

Рассмотренная схема позволяет использовать большое количество цепей коммутации ЦК. Так как величина индуктивностей Ь2 существенно больше величины индуктивности монтажного тракта, соединяющего ЦК с блоком ДДРВ, то для всех ЦК обеспечиваются практически одинаковые условия коммутации. Возможная небольшая несинхронность их работы не оказывает сильного влияния на процесс коммутации энергии в нагрузку, так как он определяется общим для всех ЦК блоком ДДРВ.

При испытаниях ДДРВ-генератора на согласованную с выходным коаксиальным кабелем КК резистивную нагрузку 75 Ом на частоте 8 кГц была

осуществлена коммутация импульсов напряжения с амплитудой -14 кВ и фронтом нарастания ~3 не. При этом величины импульсной и средней коммутируемой мощности составляли соответственно 2,6 МВт и 360 Вт.

На рис.6 приведена фотография ^^Н ' ш-г-л ДДРВ-генератора. Ф >3

Для проведения экспериментов по Г^^ИЬеДЯи,'^! ( я /

очистке воздуха был разработан ■ - 1 V¿Г

щелевой реактор с диэлектрическим НВ^^ЯК. .

барьером между электродами, /|1

адаптированный к ДДРВ-генератору. ^^ЩЩР^^Ш^/^^у! Он содержал 10 потенциальных ^^^ электродов в виде стержней диаметром

Рис.6. ДДРВ-генератор.

3 мм. Они располагались между

заземленными листовыми электродами. Величина межэлектродного расстояния составляла ~7 мм. В качестве диэлектрического барьера использовалось кварцевое стекло толщиной 3 мм.

На рис.7 приведена осциллограмма напряжения на реакторе. Большая скорость нарастания напряжения определила его высокий уровень в момент пробоя (~ 23 кВ) и большую напряженность электрического поля, обеспечивающую высокую

интенсивность плазменных реакций. В результате была достигнута высокая

Рис.7. Осциллограмма напряжения эффективность ДДРВ-генератора, о чем на реакторе. (10 нс/дел, 5 кВ/дел) свидетельствует большой выход озона,

являющегося одним из основных продуктов плазмохимических реакций. Для

получения одного грамма озона в час потребовалось не более 8 Вт коммутируемой в

реактор электрической мощности, что составляет менее 90% от затрат энергии в

лучших озонаторах с традиционной микросекундной длительностью импульсного воздействия.

Третья глава посвящена разработке генераторов высоковольтных наносекундных импульсов с импульсной мощностью более 10 МВт на основе динисторов с глубокими уровнями (ДГУ).

В разделе 3.1 определены задачи исследований. Описана базовая электрическая схема ДГУ-генератора, в которой переключение блока последовательно соединенных ДГУ осуществляется цепью управления на основе блока ДДРВ. Определены недостатки базовой схемы - сравнительно малая эффективность процесса коммутации.

В разделе 3.2 представлена оптимизированная схема ДГУ-генератора (рис. 8).

В силовую цепь введен дроссель насыщения 11р, в цепь управления (ЦУ) - блок диодов Эр. Переключение блока ДГУ осуществляется с помощью ДДРВ-генератора. Он обеспечивает быструю коммутацию тока управления 1у из цепи коммутации ЦК в цепь «Эр - ДГУ». При этом напряжение на блоке ДГУ за несколько наносекунд нарастает до уровня переключения, он включается и коммутирует ток разряда силового конденсатора СО.

В исходном состоянии дроссель 1_р имеет большую индуктивность и препятствует ответвлению тока управления в силовую цепь. После переключения блока ДГУ сердечник дросселя Ьр насыщается, его индуктивность резко уменьшается и ток разряда СО резко нарастает. Малая длительность управляющего воздействия (~2 не) позволяет обеспечить очень малые габариты дросселя Ьр и его малую индуктивность после насыщения сердечника. При этом дроссель практически не ограничивает скорость нарастания силового тока.

В разделе описана оптимальная, с точки зрения автора, конструкция дросселя Ьр: он должен быть одновитковым (при этом достигается малая индуктивность в

------------1

Рис.8. Схема ДГУ-генератора.

насыщенном состоянии) и иметь сердечник из кольцевых ферритов малого диаметра (при этом обеспечиваются малые потери энергии и малый ток насыщения, позволяющий эффективно отделить силовую цепь в процессе переключения ДГУ). По критерию цена/качество был выбран тип диодов для блока Dp - HER608. Они имеют достаточно высокое рабочее напряжение (1000 В) и сравнительно малые потери энергии при протекании наносекундного тока управления ДГУ.

По разработанной схеме был изготовлен стенд для исследования ДГУ. Динисторы были изготовлены в ОАО «Электровыпрямитель» (г. Саранск). Они имели рабочее напряжение 2,5 кВ и диаметр структур 16 и 24 мм, Существенно превышающий диаметр ДГУ. используемых в базовой схеме (12 мм).

На рис. 9 приведены типичные осциллограммы процесса коммутации тестовых импульсов тока с амплитудой -1200 А динисторами с диаметром структур 24 мм. Осциллограммы тока (II, 12, 13) и кривые падения напряжения на ДГУ (U1, U2, U3) получены при токах управления 1у соответственно 350 А, 250 А и 150 А.

Для измерения тока был разработан малоиндуктивный низкоомный шунт с воспроизводимым фронтом ~3 не.

Напряжение измерялось с

Рис.9. Осциллограммы тока и кривые падения помощью специального

напряжения на ДГУ. широкополосного делителя

(500 В/дел, 500 А/дел, 20 нс/дел)

напряжения с верхним плечом Яд=500 Ом, который подключался к ДГУ через сборку керамических конденсаторов Сд=6.6 нФ. Кривые U1, U2, U3 определены путем вычитания из осциллограмм падения напряжения на индуктивности корпуса динистора (~2 нГн). Было учтено также влияние на процесс измерения постоянной времени измерительной цепи «Сд-Яд».

200 250 300

Ток блока запуска (А)

На рис. 10 показан график зависимости потерь энергии в ДГУ от тока 1у. Он имеет три характерных интервала: Д1| с минимальными потерями, ДЬ с плавно возрастающими потерями и Д13 с резким увеличением потерь энергии. На рис.11 приведены

Рис.10. Зависимость потерь энергии в ДГУ от тока цепи управления.

осциллограммы напряжения на ДГУ в процессе его переключения при токах управления 150 A (U3), 250 A (U2) и 350 A (U1), соответствующих диапазонам Д13, ДЬ, и Д1| на графике рис. 10.

6000

5000

4000

я 3000

1 2000 41

ш

1000 : о -1000 -2000

Л

Я у\

у

1

-1.0 I Время, нс

Рис.11. Осциллограммы падения напряжения на ДГУ.

Исходя из формы осциллограмм характер изменения графика можно объяснить следующим образом. При уменьшении тока управления увеличивается

время зарядки собственной емкости ДГУ, и он переключается при меньшем напряжении. В результате в момент переключения

напряженность поля у коллектора уменьшается и снижается интенсивность процесса ударной ионизации. При этом уменьшается плотность плазмы в плазменном слое, созданном ударно ионизационной волной. При достаточно мощном управляющем воздействии уменьшение тока управления приводит к плавному увеличению коммутационных потерь энергии. При малых токах управления - к локализации коммутируемого тока и к резкому возрастанию коммутационных потерь энергии.

В разделе приведены результаты расчета переходных процессов в схеме ДГУ-генератора при переключении ДГУ. Они хорошо совпадают с результатами экспериментов.

При сравнительном исследовании ДГУ в режиме коммутации наносекундных ' импульсов тока было установлено, что при токах управления, обеспечивающих минимальные коммутационные потери энергии, падение напряжения на динисторах с диаметром структур 16 и 24 мм практически обратно пропорционально их рабочей площади; этим косвенно подтверждается достаточно равномерное распределение коммутируемого тока.

В разделе 3.3. приведены результаты испытаний ДГУ базовой конструкции на небольшой (не греющей) частоте, после которых было обнаружено, что у многих динисторов значительно увеличивается ток утечки, измеряемый при приложении рабочего напряжения.

Этот негативный факт был объяснен следующим образом. В процессе блокирования силового напряжения на границе краевой поверхности ДГУ с защитным компаундом формируется исходный отрицательно заряженный слой (скорее всего, ионов металла из отвердителя компаунда). Ширина этого слоя ограничена областью объемного заряда (ООЗ), определяемой величиной силового напряжения. В процессе приложения к ДГУ высоковольтного запускающего импульса ООЗ расширяется, что приводит к расширению слоя с отрицательным зарядом. При протекании силового тока инжектируемые из р -эмиттера дырки притягиваются к отрицательным зарядам на интерфейсе, формируя проводящий слой между р -эмиттером и р-базой, через который замыкается ток поверхностной утечки при приложении рабочего напряжения.

Для устранения рассмотренного негативного эффекта конструкция ДГУ была оптимизирована. Вокруг р" - эмиттера было создано охранное кольцо с другим типом проводимости. В результате инжектируемые в процессе приложения высокого запускающего напряжения дырки не достигают интерфейса и не образуют проводящего слоя.

В ОАО «Электровыпрямитель» были изготовлены опытные партии оптимизированных ДГУ с диаметрами структур 16 мм и 24 мм. При коммутации тестового тока они имели те же, что и базовые, потери энергии. При ресурсных испытаниях их технические характеристики практически не изменялись после миллиона переключений.

Малые потери энергии обеспечили высокие коммутационные возможности ДГУ в частотном режиме. Так, на частоте 1 кГц нагрев ДГУ с диаметром структур 16 мм при коммутации импульсов тока с амплитудой 1,2 кА и длительностью 1,2 мкс не превышал 70°С. При испытаниях ДГУ помещались на оребренный охладитель ГО-110-100 и охлаждались потоком воздуха от вентилятора.

По результатам частотных испытаний было проведено компьютерное моделирование теплового режима системы «ДГУ-охладитель». Результаты моделирования приведены на рис. 12 (тепловое поле изображено в поперечной по отношению к радиатору плоскости, справа показана температурная шкала). Они хорошо соответствуют

эксперименту (расхождение не более 10%).

В разделе приведены результаты исследования ДГУ при существенном нагреве коммутируемыми импульсами тока (без обдува). Показано, что с ростом температуры величина напряжения в момент переключения ДГУ плавно увеличивается.

При нагреве ДГУ в режиме переключения большими токами управления (из диапазона Д1| на рис.10) было обнаружено нехарактерное для кремниевых приборов уменьшение потерь энергии (при температуре корпуса 80°С пиковая мощность потерь составляла не более 80% от измеренной при комнатной температуре). При переключении токами управления с амплитудой из диапазона Д12 потери энергии в ДГУ с ростом температуры резко возрастали.

Рис.12. Результаты моделирования.

Обнаруженные эффекты могут быть объяснены следующим образом. После переключения ДГУ коммутируемый ток выносит носители из первичного плазменного слоя, созданного в процессе ударной ионизации, но слой пополняется носителями, инжектированными из эмиттеров. При нагреве замедляется процесс переноса инжектированных носителей из-за их рассеяния на атомарной решетке кремния. При этом снижается плотность плазмы в первичном слое. Однако, увеличивающееся при нагреве напряжение переключения ДГУ обеспечивает повышение интенсивности процесса ударной ионизации и увеличение плотности плазмы в первичном слое. При мощном управляющем воздействии это обстоятельство определяет уменьшение коммутационных потерь энергии. При малом токе управления плотность плазмы в первичном слое мала и он при нагреве существенно истощается, что приводит к локализации коммутируемого тока. В разделе 3.4. приведены результаты исследования высоковольтных коммутаторов на основе блоков последовательно соединенных ДГУ.

Для уменьшения энергоемкости цепи управления ДГУ-блоков использован эстафетный способ переключения, при котором ЦУ включает только часть используемых в них динисторных сборок. Остальные включаются в результате перераспределения напряжения, исходно приложенного к блоку ДГУ.

На рис. 13 приведена электрическая схема, иллюстрирующая эстафетное переключение ДГУ-сборок. В ней ЦУ переключает только ДГУ-сборкуГ Возникающий перепад напряжения инициирует переключение ДГУ-сборки2. Затем эстафетно переключается ДГУ-сборкаЗ. Запускающие конденсаторы Су1 и Су2 обеспечивают распространение по ДГУ-сборкам волны перенапряжения.

Масштабируя рассмотренную схему можно увеличивать количество эстафетно

переключаемых динисторных сборок.

Рис.13. Блок ДГУ с эстафетным переключением.

Рис.14. ДГУ-коммутатор. определенные трудности,

В разделе описан ДГУ-генератор с импульсной мощностью -240 МВт. В нем использовался ДГУ-коммутатор с рабочим напряжением 12 кВ (см фото на рис.14),

содержащий 6 эстафетно включаемых динисторов с диаметром структур 16 мм. Цепью управления осуществлялось переключение только трех ДГУ. Затем эстафетно включались еще два, потом еще один. Инициирующий переключение динисторов 1 блок ДДРВ расположен в нижней части I коммутатора.

1 При попытке использовать ДГУ-блоки с эстафетным переключением в частотных режимах с большой средней мощностью возникли обусловленные необходимостью использования охладителей, осуществляющих отвод тепла от динисторов при их нагреве коммутируемыми импульсами тока. Охладители существенно увеличивали индуктивность блоков ДГУ. При этом чрезмерно возрастало выходное напряжение ДДРВ-генератора цепи управления, необходимое для создания требуемой скорости нарастания тока управления, и снижалась эффективность запускающих конденсаторов.

В этой связи был предложен модульный способ переключения ДГУ-блоков. Схема его реализации приведена на рис. 15. Суть способа заключается в том, что последовательно соединенные ДГУ-сборки (модули) переключаются от собственных цепей управления, включаемых одновременно. Цепи управления развязаны на полное рабочее напряжение при помощи разработанных одновитковых трансформаторов.

Высокая надежность блоков ДГУ при

Рис.15. Блок ДГУ с модульным переключением.

модульном переключении обусловлена тем, что небольшой разброс моментов

срабатывания цепей управления допустим благодаря наличию в силовой цепи дросселя Lp. Он формирует задержку нарастания силового тока большую, чем разброс моментов срабатывания цепей управления ЦУ. При этом до момента насыщения сердечника дросселя через сборки ДГУ протекает только ток собственных ЦУ.

Блок ДГУ с модульным переключением был успешно испытан на частоте 1 кГц при коммутации импульсов тока с амплитудой 750 А и длительностью J ^m^myf* 200 не. Он имел рабочее напряжение 8 кВ и состоял из

.....

■

двух сборок ДГУ с диаметром структур 24 мм (по два ^ ;Я|

динистора в сборке). Эскизный чертеж ДГУ-блока jji JH

представлен на рис. 16. Динисторы (1) прижаты к охлаждающим пластинам (2) с помощью

Рис.16. Конструкция блока изолированных шпилек (3). Цепи управления ДГУ.

подключаются непосредственно к ДГУ-сборкам на минимальном расстоянии от

динисторов. При этом индуктивность охладителей не влияет на процесс I

формирования запускающего воздействия.

В разделе 3.5 приведены результаты разработок мегаваттных ДГУ-генераторов для современных импульсных технологий. В них использовались высоковольтные блоки ДГУ с эстафетным переключением.

В параграфе 3.5а описан ДГУ-генератор наносекундных

импульсов высокого напряжения, обеспечивающий эффективную накачку мощного азотного лазера MNL100.

На рис. 17 показана

фотография ДГУ-генератора в Рис.17. Азотный лазер

лазерном устройстве. На рис.18 с ДГУ-генератором накачки.

......

' [л »с)«

приведена осциллограмма тока через блок ДГУ. Достигнутая скорость нарастания тока (более 150А/нс) является недоступной для альтернативных коммутаторов на основе тиристоров и транзисторов.

Разработанный ДГУ - генератор успешно прошел тестовые испытания: 250 миллионов коммутаций на частоте 100 Гц без изменения характеристик динисторов. В процессе испытаний была обеспечена высокая стабильность излучения (разброс менее 1.5 %) и рекордная для используемого лазера энергия излучения (150мкДж),

свидетельствующая о высокой

эффективности разработанного генератора. В параграфе 3.56 описан ДГУ-генератор, предназначенный для использования в лазерной установке мегаджоульного класса, разрабатываемой в РФЯЦ ВНИИЭФ

Рис.18. Осциллограмма тока через блок ДГУ. (10 нс/дел, 300 А/дел).

(г. Саров).

При уровне напряжения 24 кВ он

Рис.20. Блок ДГУ.

Рис. 19. Осциллограмма тока через блок ДГУ (100 нс/дел, 500 А/дел).

обеспечил формирование мощных импульсов тока с

амплитудой более 2,5 кА и фронтом нарастания менее

250 нс (см. осциллограмму на рис. 19), необходимых для

эффективного переключения коммутатора гигаваттных

микросекундных импульсов на основе блока реверсивно

включаемых динисторов (РВД).

Используемый в генераторе блок ДГУ состоял из трех последовательно соединенных сборок ДГУ, в которых использовались, соответственно, пять, три и четыре динистора с диаметром структур 16 мм. Его фотография

14 1г? 16 I? И 1!

приведена на рис. 20. Для включения первой сборки ДГУ была разработана мощная цепь управления на основе одиночного ДГУ, обеспечивающего малые коммутационные потери энергии. В Заключении кратко изложены результаты работы:

1. Обоснован выбор полупроводниковых приборов (ДДРВ и ДГУ), обеспечивающих наибольшие перспективы при использовании в генераторах мощных наносекундных импульсов.

2. Оптимизирована электрическая схема базового генератора на основе высоковольтного блока ДДРВ.

3. Проведены комплексные исследования ДДРВ, позволившие уменьшить коммутационные потери энергии и определить допустимый разброс коммутационных характеристик, обеспечивающий надежную работу при последовательном соединении.

4. Разработаны блоки последовательно соединенных ДДРВ с рабочим напряжением более 20 кВ, позволяющие за несколько наносекунд коммутировать ток с амплитудой в несколько сотен ампер. Показана возможность масштабирования коммутируемого тока путем параллельного соединения ДДРВ-блоков.

5. Разработан ДДРВ - генератор с импульсной мощностью 2,6 МВт, способный на частоте 8 кГц генерировать наносекундные импульсы напряжения с амплитудой 23 кВ и фронтом нарастания ~5 не. Показана его высокая эффективность в режиме питания плазменного реактора устройства очистки воздуха от промышленных загрязнителей.

6. Разработан ДДРВ - генератор высоковольтных импульсов накачки азотного лазера МЫЬЗЗО, позволивший более чем в 2 раза увеличить оптическую мощность лазера по сравнению с традиционным генератором на основе импульсных тиристоров.

7. Проведена оптимизация базовой схемы ДГУ-генератора, позволившая повысить ее эффективность.

8. Проведено исследование процесса переключения ДГУ, позволившее оптимизировать параметры импульсов управления.

9. В результате оптимизации конструкции ДГУ радикально ослаблен негативный эффект увеличения тока утечки в режиме блокирования силового напряжения при работе на частоте.

10. Проведено исследование коммутационных возможностей ДГУ. Показано, что увеличение диаметра ДГУ приводит к практически пропорциональному уменьшению коммутационных потерь энергии, что определяет возможность масштабирования коммутируемой мощности путем увеличения рабочей площади динисторов. Осуществлена коммутация одиночным ДГУ импульсной мощности ~6 МВт за время менее 30 не, что существенно превышает коммутационные возможности современных тиристоров и транзисторов.

11. Обнаружен эффект снижения удельных потерь энергии в ДГУ при нагреве от комнатной температуры до 80°С.

12. Разработан модульный способ включения высоковольтных блоков последовательно соединенных ДГУ, позволивший обеспечить эффективную коммутацию больших импульсных и средних электрических мощностей.

13.Разработаны и исследованы высоковольтные ДГУ-коммутаторы, способные в наносекундном диапазоне коммутировать импульсную мощность более 200 МВт.

14. Разработан высоковольтный ДГУ - генератор для накачки азотного лазера MNL100, способный на частоте 100 Гц коммутировать импульсы тока с амплитудой 900 А и скоростью нарастания более 150 А/нс, что позволило на 30% увеличить оптическую мощность лазера.

15. Разработан ДГУ - генератор с рабочим напряжением 24 кВ, обеспечивающий формирование наносекундных импульсов тока с амплитудой 2,7 кА, необходимых для эффективного переключения гигаваттного коммутатора на основе реверсивно включаемых динисторов.

Основные результаты диссертации опубликованы в следующих работах: 1. Р.В.Д. - коммутатор мощных импульсов тока / C.B. Короткое, Ю.В. Аристов, В.Б. Воронков, А.Л. Жмодиков, А.К. Козлов, Д.А. Коротков, А.Г. Люблинский // Приборы и техника эксперимента. - 2010. - № 1. — С. 172-173.

2. Динисторы с наносекундным быстродействием / С.В. Короткое, Ю.В. Аристов,

B.Б. Воронков, АЛ. Жмодиков, Д.А. Короткое, А.Г. Люблинский // Приборы и техника эксперимента. - 2009. - № 5. - С. 90-93.

3. Полупроводниковые коммутаторы наносекундных импульсов накачки лазеров /

C.В. Короткое, Ю.В. Аристов, В.Б. Воронков, А.Л. Жмодиков, А.К. Козлов, Д.А. Короткое, А.Г. Люблинский // Приборы и техника эксперимента. - 2009. - № 5. - С. 94-97.

4. Полупроводниковый генератор высоковольтных наносекундных импульсов / С.В. Короткое, Ю.В. Аристов, Д.А. Короткое, А.Г. Люблинский // Приборы и техника эксперимента. - 2010. - № 6. - С. 153-154.

5. Устройство плазменной очистки воздуха от органических загрязнителей с использованием барьерного разряда наносекундной длительности / С.В. Коротков, Ю.В. Аристов, А.К. Козлов, Д.А. Коротков, А.Г. Люблинский, Г.Л. Спичкин // Приборы и техника эксперимента. - 2012. - №5. - С.99-102.

6. Pulse power nanosecond range DSRD based generators for electric discharge technologies / A.G. Lyublinsky, S.V. Korotkov, Yu.V. Aristov, D.A. Korotkov // Abstracts of the 4nd Euro- Asian Pulsed Power Conference. - 2012. - P. 98.

7. Коротков C.B., Аристов Ю.В., Коротков Д.А. Сравнительное исследование субмикросекундных коммутаторов на основе реверсивно включаемых динисторов и динисторов с глубокими уровнями // Приборы и техника эксперимента. - 2012. - №3. -С. 91-94.

8. Pulse Power Nanosecond-Range DSRD-Based Generators for Electric Discharge Technologies / A.G. Lyublinsky, S.V. Korotkov, Y.V. Aristov, D.A. Korotkov // IEEE Transactions on Plasma Science. - 2013. - volume 41. - issue 10. - part 1. PP. 2625-2629.

Подписано в печать 29.07.2014. Формат 60x84/16. Печать цифровая. Усл. печ. л. 1,0. Тираж 100. Заказ 12090Ь.

Отпечатано с готового оригинал-макета, предоставленного автором, в Типограф»» Политехнического университета. 195251, Санкт-Петербург, Политехническая ул., 29. Тел.: (812) 552-77-17; 550-40-14