Приборы и техника эксперимента, 2023, № 4, стр. 74-78

Потери энергии в коммутаторах мощных импульсов с субмикросекундным фронтом существенно зависят от времени их переключения в состояние с высокой проводимостью. Поэтому большой интерес представляют описанные в работах [1–4] четырехслойные кремниевые структуры, которые имеют субнаносекундное время включения благодаря использованию предложенного в работе [5] способа запуска наносекундным импульсом высокого напряжения. При такой длительности запускающего воздействия лавинный пробой развиться не успевает, и напряженность поля в базовых областях полупроводниковой структуры нарастает до величины, достаточной для инициирования процесса ударной ионизации кремния. Этот процесс обеспечивает очень высокую скорость увеличения проводимости кремниевой структуры, которая в настоящее время недоступна для альтернативных полупроводниковых ключей.

В работе [6] показаны высокие коммутационные возможности полупроводникового ключа с рабочим напряжением 12 кВ, который выполнен в виде блока последовательно соединенных динисторов с ударной ионизацией (SID – Shock-Ionized Dynistors), описанных в работах [7–9]. Недостатком такого ключа является большая амплитуда выходного напряжения цепи управления (~27 кВ), которая обеспечивает переключение всех динисторных структур. Этот недостаток затрудняет разработку SID-ключей с более высоким рабочим напряжением, но может быть устранен при использовании нескольких последовательно соединенных блоков SID с автономными цепями управления.

На рис. 1 приведена схема опытного генератора, содержащего SID-ключ с рабочим напряжением 24 кВ, состоящий из блоков SID₁, SID₂, которые включаются эстафетно. Блок SID₁ включается цепью управления ЦУ, а блок SID₂ – в результате разряда конденсатора С₃, обусловленного включением блока SID₁. В исходном состоянии конденсатор С₃ заряжен до напряжения зарядки U₀ накопительного конденсатора С₀, к блокам SID₁, SID₂ приложено напряжение, которое определяется количеством используемых в этих блоках динисторных структур, конденсатор С заряжен до напряжения, приложенного к блоку SID₁. Цепь управления содержит ключ К, конденсатор С₁, заряженный до небольшого напряжения U₁, звено магнитного сжатия С₂–Тр и блок дрейфовых диодов с резким восстановлением (DSRD – Drift Step-Recovery Diodes), впервые описанных в работе [10]. Цепь C–D и резистор R исключают возможность приложения к ЦУ высокого напряжения U₀.

Рис. 1.

Электрическая схема генератора на основе эстафетно включаемых блоков SID. DSRD – блок диодных структур с диаметром 20 мм; SID₁, SID₂ – блоки динисторных структур с диаметром 24 мм; D – блок диодов K100F (2 последовательно), D₁ – К100F; Тр – трансформатор (сердечник – феррит N87 (EPCOS), 4 кольца размером 29.5 × 19 × 20 мм, w₁ = 1, w₂ = 3); L₀ – дроссель (сердечник – феррит 600 НН, 4 кольца размером 31 × 20 × 6 мм, один виток).

Переключение блоков SID₁, SID₂ осуществляется следующим образом.

После включения ключа К через блок DSRD в прямом направлении протекает ток с принципиально малой длительностью (~300 нс), который обеспечивает накопление заряда в диодных структурах и заряжает конденсатор С₂. В момент окончания процесса зарядки происходит насыщение сердечника трансформатора Тр, и индуктивность его вторичной обмотки резко уменьшается. В результате конденсатор С₂ разряжается по цепи DSRD–w₂, и через блок DSRD протекает обратный ток, который за принципиально малое время (~120 нс) выводит из DSRD-структур весь накопленный заряд и обеспечивает их выключение. В процессе выключения блока DSRD формируется импульс выходного тока цепи управления. Его амплитуда определяется амплитудой тока, протекающего через обмотку w₂, а длительность фронта – временем выключения блока DSRD (~2.5 нс).

Выходной ток цепи управления протекает через конденсатор С и коммутируется в блок SID₁ и в цепь SID₂–L₃–C₃. Так как при наносекундном фронте импульса коммутируемого тока электрическое сопротивление элементов L₃, C₃ сравнительно велико, то выходной ток цепи управления протекает в основном через блок SID₁. В результате осуществляется быстрая зарядка собственных емкостей динисторных структур этого блока. Ток, протекающий через цепь SID₂–L₃–C₃, разряжает собственные емкости динисторных структур блока SID₂ и обеспечивает увеличение напряжения на конденсаторе С₃. Когда напряжение на динисторных структурах блока SID₁ нарастает до порогового значения, инициирующего процесс ударной ионизации, они за время <1 нс переключаются в состояние с высокой проводимостью. В результате конденсатор С₃ быстро разряжается по цепи L₃–SID₂–SID₁, и напряжение на блоке SID₂ резко нарастает. Так как потери энергии в цепи разряда конденсатора С₃ малы, а его емкость много больше собственной емкости блока SID₂, то напряжение на блоке SID₂ может достигнуть величины, существенно превышающей величину напряжения на конденсаторе С₃ в момент включения блока SID₁. Блок SID₂ включается, когда напряжение на нем достигает порогового значения, обеспечивающего инициирование процесса ударной ионизации в структурах динисторов этого блока.

В процессе переключения SID-ключа дроссель L₀ имеет большую индуктивность, которая ограничивает скорость изменения тока в цепи накопительного конденсатора С₀. Через несколько наносекунд после включения блока SID₂ происходит насыщение сердечника дросселя L₀, индуктивность дросселя резко уменьшается и ток разряда конденсатора С₀ быстро нарастает. В интервале между моментом включения блока SID₁ и моментом насыщения сердечника дросселя L₀ через диод D и динисторы блока SID₁ протекает выходной ток цепи управления, обеспечивающий высокую проводимость блока SID₁.

На рис. 2 показана осциллограмма тока через SID-ключ, соответствующая напряжению U₀ = = 24 кВ. Она получена при использовании пилотного SID-ключа, в котором блоки SID₁, SID₂ состояли из одинакового количества динисторных структур (по 6 в каждом блоке). Блок DSRD состоял из 25 диодных структур. Конденсатор С₁ был заряжен до напряжения U₁ = 1.4 кВ. Выходной ток цепи управления составлял ~350 А.

Рис. 2.

Осциллограмма тока через SID-ключ.

Как видно из осциллограммы, ток через SID-ключ имеет амплитуду ~6 кА и нарастает со скоростью ~150 А/нс. Малое затухание тока свидетельствует о малом электрическом сопротивлении SID-ключа.

Исследования показали, что электрическое сопротивление пилотного SID-ключа существенно увеличивается при U₀ < 20 кВ. Так как условия запуска блока SID₁ не изменялись, то полученный результат свидетельствует об увеличении потерь энергии в блоке SID₂. Это можно объяснить тем, что при малом напряжении U₀ цепь конденсатора C₃ не обеспечивает эффективного включения блока SID₂, состоящего из шести последовательно соединенных динисторных структур.

Для обеспечения эффективной работы в диапазоне изменения напряжения U₀ от 24 до 12 кВ пилотный SID-ключ был оптимизирован путем уменьшения количества динисторных структур в блоке SID₂. В оптимизированном SID-ключе блок SID₁ содержал 8, а SID₂ – 4 динисторные структуры. Увеличение количества динисторных структур в блоке SID₁ определило необходимость повышения напряжения зарядки конденсатора С₁ (до 1.6 кВ) и увеличения количества диодных структур в блоке DSRD (до 35 шт).

На рис. 3 приведена осциллограмма падения напряжения на оптимизированном SID-ключе, полученная при исследовании процесса его переключения. Амплитуды пиков напряжения определяются величинами напряжений включения блоков SID₁ и SID₂.

Рис. 3.

Осциллограмма напряжения на оптимизированном SID-ключе.

Альтернативным способом обеспечения эффективной работы высоковольтного SID-ключа в генераторе с глубоким регулированием напряжения зарядки конденсатора С₀ является использование модульной конструкции: последовательно соединенные блоки SID переключаются автономно при использовании отдельных цепей управления.

На рис. 4 приведена схема модульного SID-ключа с рабочим напряжением 24 кВ. Он состоит из двух последовательно соединенных блоков SID₁, SID₂ с рабочим напряжением 12 кВ. Запуск блоков SID₁, SID₂ осуществляется с помощью одинаковых ЦУ на основе блоков DSRD₁ и DSRD₂, аналогичных ЦУ на рис. 1. Трансформаторы Тр имеют один хорошо изолированный виток в первичной обмотке. В результате напряжение пробоя между обмотками w₁ и w₂ существенно превышает величину максимального напряжения на SID-ключе.

Рис. 4.

Электрическая схема генератора на основе модульного SID-ключа. DSRD₁, DSRD₂ – 25 диодных структур с диаметром 20 мм; SID₁, SID₂ – 12 динисторных структур с диаметром 24 мм; D – блок диодов K100F (2 последовательно), D₁ – К100F; Тр – трансформатор (сердечник – феррит N87 (EPCOS), 4 кольца размером 29.5 × 19 × 20 мм, w₁ = 1, w₂ = 3); L₀ – дроссель (сердечник – феррит 600 НН, 4 кольца размером 31 × 20 × 6 мм, один виток).

В схеме на рис. 4 формирование наносекундных импульсов запуска блоков SID₁, SID₂ происходит следующим образом. После включения ключа К конденсатор С₁, исходно заряженный до напряжения U₁ = 2.8 кВ, разряжается через обмотки w₁ трансформаторов Tр. В результате через цепи С₂–DSRD₁ и DSRD₂–С₂ протекают короткие импульсы тока, которые обеспечивают зарядку конденсаторов С₂ и накопление заряда в диодных структурах блоков DSRD₁, DSRD₂. В момент, когда конденсаторы С₂ заряжаются до максимального напряжения, сердечники трансформаторов Тр насыщаются и конденсаторы С₂ быстро разряжаются через обмотки w₂ трансформаторов Тр. В результате через блоки DSRD₁, DSRD₂ в обратном направлении протекают быстро нарастающие токи, которые выводят из DSRD-структур накопленный заряд.

Весь накопленный заряд выводится к моменту, когда конденсаторы С₂ полностью разряжаются и токи через обмотки w₂ достигают максимального значения (~300 А). В этот момент DSRD-структуры выключаются, и токи обмоток w₂ коммутируются в цепи SID₁–С и С–SID₂. Эти токи обеспечивают быструю зарядку собственных емкостей динисторных структур блоков SID₁, SID₂ до напряжения включения. Благодаря использованию общего ключа К создаются практически одинаковые условия формирования импульсов запуска блоков SID₁, SID₂.

На рис. 5 приведена типичная осциллограмма напряжения на SID-ключе, иллюстрирующая процесс его включения при напряжении U₀ = 24 кВ. Ступенчатая форма напряжения показывает, что включение блоков SID₁ и SID₂ происходит не одновременно. После включения опережающего блока SID цепь управления отстающего блока SID обеспечивает его включение с небольшой задержкой, которая определяется технологическим разбросом параметров элементов цепей управления.

Рис. 5.

Осциллограмма напряжения на модульном SID-ключе.

Амплитуда напряжения на SID-ключе определяется как сумма амплитудных значений напряжения на опережающем блоке SID в момент его включения и напряжения, которое в этот момент приложено к отстающему блоку SID. Она существенно меньше суммы амплитуд напряжений включения блоков SID₁, SID₂, в каждом из которых используется 6 динисторных структур с напряжением включения ~4 кВ.

Сравнительное исследование генераторов, выполненных по схемам на рис. 4 и рис. 1, показало, что при использовании одной и той же цепи С₀–L₀ и одинаковом напряжении U₀ ток разряда конденсатора С₀ был практически одинаковым, что свидетельствует о примерно одинаковых потерях энергии в SID-ключах с автономным и эстафетным переключением блоков SID.

Так как для переключения блоков SID использовалась также фактически одинаковая энергия (~120 мДж), запасаемая в конденсаторах С₁, С₃ в схеме на рис. 1 и в конденсаторе С₁ в схеме на рис. 4, то можно считать, что рассмотренные высоковольтные SID-ключи имеют примерно одинаковую эффективность. Их основным достоинством является возможность увеличения рабочего напряжения путем подключения дополнительных блоков SID.

В рассмотренных генераторах ключи К были выполнены на основе интегральных импульсных тиристоров с рабочей площадью ~0.5 см², описанных в работе [11]. Импульсы тока измерялись с помощью малогабаритных датчиков тока, разработанных в фирме Pearson Electronics. Осциллограммы напряжения получены с помощью щупа Tektronix P6015A.