Приборы и техника эксперимента, 2021, № 4, стр. 33-43

ВВЕДЕНИЕ

Одной из главных технических проблем при создании емкостных накопителей энергии (е.н.э.) в составе современных электрофизических установок является разработка сильноточных замыкающих коммутаторов. В конденсаторных батареях с запасаемой энергией мультимегаджоулевого уровня, которые предназначены для импульсного питания источников накачки лазеров с выходной лазерной энергией несколько мегаджоулей, используются коммутаторы со следующими характеристиками: коммутаторы должны работать при напряжениях 20–30 кВ и коммутировать импульсные токи порядка 250–500 кА при длительности импульса 300–500 мкс, что соответствует протеканию заряда до 150 Кл. Для лазерной установки NIF американская национальная лаборатория Sandia провела специальные исследования коммутаторов различных типов [1] и предложила использовать в качестве разрядного ключа в конденсаторной батарее NIF искровые разрядники ST-300, изготавливаемые фирмой Maxwell Physics. Эти разрядники соответствуют указанным выше параметрам, но требуют применения специальной системы газообеспечения, обладают значительным уровнем потерь энергии, рассеиваемой в ключе, а также имеют ограниченный срок службы (не более 1500–2000 срабатываний), после которого требуется замена графитовых электродов и изоляторов.

В последнее время в импульсных системах питания различных электрофизических установок широко применяются полупроводниковые коммутаторы тока, которые имеют ряд преимуществ по сравнению с газовыми разрядниками. Полупроводниковые коммутаторы используют полупроводниковые приборы промышленного изготовления, технология производства которых хорошо отработана. Силовые полупроводниковые приборы легко соединяются последовательно в единой сборке, что обеспечивает рабочее напряжение коммутатора до 40 кВ. Полупроводниковые коммутаторы не допускают пропусков срабатываний, обладают большим сроком службы, экологической безопасностью, а также невосприимчивостью к положению в пространстве.

Для решения задач коммутации мощных импульсов тока были разработаны полупроводниковые приборы тиристорного типа с инжекционно-плазменным управлением – реверсивно-включаемые динисторы (р.в.д.) [2–6]. Они обеспечивают импульсы тока плотностью до 10⁴ А/см² ($di{\text{/}}dt$ ≥ ≥ 10⁵ A/мкс), недостижимые для самых лучших импульсных тиристоров.

Импульсные параметры и характеристики реверсивно-включаемых динисторов хорошо известны специалистам, работающим в области мощной импульсной энергетики. С 1985 года создателями этого направления силовой электроники – учеными Физико-технического института им. А.Ф. Иоффе РАН во главе с академиком И.В. Греховым, а позднее также и другими российскими и зарубежными исследователями, опубликованы и продолжают публиковаться десятки статей и докладов, демонстрирующих уникальный потенциал р.в.д.-технологии. Коммутаторы на основе р.в.д. успешно используются в качестве разрядных ключей, работая в широком диапазоне импульсных мощностей при длительности импульса от микросекунд до миллисекунд. Тем не менее, сегодня еще недостаточно информации о результатах эксплуатации р.в.д.-коммутаторов в реальных системах высоких энергий, их надежности и сроке службы при работе в штатных и предельных режимах. Данная статья – попытка восполнить этот пробел.

ТЕХНИЧЕСКИЕ ТРЕБОВАНИЯ К Р.В.Д.-КОММУТАТОРАМ. КОНСТРУКЦИЯ. ОПЫТ ЭКСПЛУАТАЦИИ

Как отмечалось выше, в е.н.э. современных неодимовых лазерных установок высоковольтные коммутаторы тока должны выдерживать напряжение 25 кВ и пропускать импульсы тока амплитудой до 250 кА (до 300 кА в аварийных ситуациях), длительностью около 500 мкс. При этом срок службы коммутатора должен быть сравним со сроком службы установки – не менее 10 000 срабатываний. Эти требования определяют необходимость разработки нового поколения р.в.д.-коммутаторов, обладающих меньшими коммутационными потерями энергии и большим сроком службы.

В статье [7] приведены результаты исследований предельных импульсных токов, которые можно пропустить через единичные элементы р.в.д. с сохранением их блокирующей способности. Исследовались динисторы с блокируемым напряжением 2.4 кВ и со стандартными для сильноточной электроники диаметрами полупроводниковых элементов – 63, 76 и 100 мм. Экспериментальным путем было определено, что для р.в.д. значения предельных токов длительностью 450 мкс (форма импульса: фронт нарастания тока – полусинусоида длительностью примерно 160 мкс, спад тока – экспонента, апериодический процесс) составляли для этих диаметров соответственно 250, 380 и 550 кА. Рабочие токи для единичных р.в.д. в этом размерном ряду – 200, 300 и 500 кА. В дальнейшем было установлено, что величины предельного тока (и соответственно рабочего тока) высоковольтных сборок коммутаторов, состоящих из последовательно соединенных элементов р.в.д., могут значительно отличаться от предельных токов единичных р.в.д. Это связано с конструкцией и монтажом высоковольтных мультисборок, а также c технологией изготовления динисторов.

На рис. 1 представлены рабочие образцы коммутаторов, изготовленных на основе р.в.д. с диаметром элемента 63 мм (рис. 1а) и 76 мм (рис. 1б). Коммутаторы состоят из цилиндрического корпуса-изолятора, последовательно соединенных полупроводниковых элементов в количестве 15 штук, системы прижима, катодных и анодных токовыводов [8].

Рис. 1.

Коммутаторы на основе р.в.д. с диаметром элемента 63 мм (а) и 76 мм (б).

Корпус изготовлен из армированного стекловолокном изоляционного материала с высокой механической и электрической прочностью. На обоих торцах корпуса жестко закреплены металлические фланцы, имеющие резьбовые отверстия для крепления крышек коммутатора к корпусу с помощью болтов. При этом одновременно обеспечивается герметизация внутреннего объема корпуса эластичными уплотнителями, расположенными между фланцами и токовыводами. Корпус коммутатора защищает высоковольтную сборку от внешней среды, обеспечивает необходимые воздушные изоляционные промежутки и расстояния по поверхности корпуса между катодом и анодом коммутатора. Кроме того, через корпус осуществляется передача сжимающих усилий от узла прижима к полупроводниковым элементам. Полупроводниковые элементы соединены друг с другом через контактные медные диски, расположенные между анодом одного элемента и катодом соседнего элемента. Центрирование полупроводниковых элементов, медных дисков и токоподводящих электродов между собой обеспечивается с помощью фторопластовых колец. На катодном и анодном токовыводах расположены конусные опоры, предназначенные для обеспечения равномерного распределения давления на рабочих поверхностях полупроводниковых элементов.

Коммутаторы с диаметром элементов р.в.д. 63 мм (рис. 1а) нашли применение в конденсаторной батарее с зарядным напряжением 25 кВ и запасаемой энергией 5 МДж [9] для питания импульсных ламп накачки неодимового лазера установки “Луч” [10] – прототипе мощных лазеров нового поколения [11]. В каждом из 18 модулей конденсаторной батареи установки в качестве разрядного ключа использованы коммутаторы с элементами р.в.д. ∅ 63 мм, имеющие следующие характеристики: рабочее напряжение до 25 кВ, максимальный импульсный ток 100 кА, длительность импульсов тока 450–500 мкс, коммутируемый заряд за импульс – до 25 Кл.

На установке с момента ввода ее в строй в 2002 г. в общей сложности было проведено более 2500 срабатываний е.н.э. при разных зарядных напряжениях (18–24 кВ). При этом максимальный рабочий ток через каждый коммутатор не превышал 55 кА. Плотность тока через р.в.д. около 2.2 кА/см².

Подобная конструкция коммутатора, но с усиленным прижимом (рис. 1б), была разработана для использования в новой лазерной установке, создаваемой в Институте лазерно-физических исследований РФЯЦ–ВНИИЭФ. В этой установке коммутаторы должны пропускать импульсы тока с существенно большей амплитудой (250 кА в рабочем режиме и до 300 кА в аварийном режиме), что определило необходимость увеличения площади полупроводниковых структур и изменение узла прижима коммутатора. Первые опытные образцы таких коммутаторов были собраны из 15 штук соединенных последовательно динисторов ∅ 76 мм с блокирующим напряжением 2.4 кВ. Несмотря на увеличение активной площади новых динисторов, по сравнению с р.в.д. ∅ 63 мм, они должны были обеспечить в 1.6 раза большую плотность протекающего тока.

Работоспособность коммутаторов была исследована на экспериментальном стенде в РФЯЦ–ВНИИЭФ, представляющем собой прототип модуля конденсаторной батареи для новой лазерной установки [12]. Цель испытаний – проверка способности коммутатора работать с периодичностью один импульс каждые 10 мин, коммутируя заряженную до постоянного напряжения 24 кВ батарею конденсаторов суммарной емкостью 3000 мкФ с запасенной энергией 860 кДж, с пиковым током до 250 кА и длительностью импульса 500 мкс (по уровню 0.1 от максимальной амплитуды импульса тока). При этом переносимый заряд составлял примерно 70 Кл. Время между импульсами ограничивалось временем заряда накопительных конденсаторов модуля.

Проведенные испытания первых 28 образцов коммутаторов на основе элементов р.в.д. ∅ 76 мм показали, что они способны при зарядном напряжении 24 кВ коммутировать токи амплитудой 250 кА и выдерживать не менее 1000 включений. Был сделан анализ полупроводниковых элементов коммутатора, проработавшего 1000 включений. Результаты анализа показали, что все приборы сохранили свои блокирующие характеристики и находятся в рабочем состоянии. Повреждений в контактной системе коммутатора не было. Однако имели место неглубокие локальные точки плавления алюминиевой металлизации глубиной до 2–5 мкм, расположенные участками на катодной поверхности элементов р.в.д. Деградация катодного контакта р.в.д. связана с явлением электромиграции алюминия. Она имеет место в полупроводниковых приборах и интегральных схемах при высоких плотностях тока и температурах >350°С [13, 14] и является главным механизмом отказа при большом (несколько тысяч) количестве включений. Полученные результаты обусловили необходимость дополнительных исследований, направленных на повышение срока службы р.в.д.-коммутаторов субмегаамперных импульсов тока.

ПУТИ УЛУЧШЕНИЯ КОММУТИРУЮЩИХ ХАРАКТЕРИСТИК, ПОВЫШЕНИЯ СРОКА СЛУЖБЫ И НАДЕЖНОСТИ Р.В.Д.-КОММУТАТОРОВ

Критерием выбора р.в.д. для коммутатора является величина максимального перепада температуры перехода ($\Delta {{T}_{j}} = \Delta {{T}_{{j\max }}} - R{{T}_{j}}$) в момент протекания импульсного тока. Для надежной работы коммутатора перепад температуры не должен превышать 250°С и, чем меньше $\Delta {{T}_{j}}$, тем больше его срок службы. Перепад температуры перехода зависит от множества факторов, в том числе от характеристик кремниевой структуры, величины полезной площади р.в.д. (S), режима работы р.в.д. (амплитуды, длительности и формы импульсов коммутируемого тока).

Для исследования путей снижения $\Delta {{T}_{j}}$ проведены моделирование и расчеты р.в.д., используя программный комплекс TCAD Synopsys [15]. На рис. 2 представлены расчетные кривые зависимости максимального приращения температуры кремниевой структуры р.в.д. от величины полезной площади динисторов (нормированное значение к площади динистора ∅ 76 мм) при коммутации импульсов тока длительностью от 300 до 600 мкс амплитудой 250 кА. Прежде всего, следует отметить сильную зависимость $\Delta {{T}_{j}}$ от длительности импульсов тока, которая представлена в достаточно узком субмиллисекундном диапазоне. Например, снижение длительности тока амплитудой 250 кА, коммутируемого динистором, с 500 до 400 мкс снижает $\Delta {{T}_{j}}$ на 150°С (рис. 2). На рис. 2 видно, что увеличение площади р.в.д. снижает максимальную температуру кремния в интересующем нас режиме 250 кА/500 мкс с 350°C (р.в.д. ∅ 76 мм) до 250°C (р.в.д. ∅ 80 мм), до 165°C (р.в.д. ∅ 90 мм) и до 90°C (два р.в.д. ∅ 76 мм, соединенные параллельно). Столь сильная зависимость $\Delta {{T}_{j}}$ от площади динисторов и длительности импульсов тока (а далее будет показано, что и от формы импульсов тока) дает возможность гибкого управления амплитудой разрядного тока, его крутизной и количеством включений коммутатора.

Рис. 2.

Расчетные кривые зависимости максимального приращения температуры р.в.д. при коммутируемом токе 250 кА с длительностью импульса от 300 до 600 мкс от полезной площади динистора (нормированное значение к площади динистора ∅ 76 мм).

Последующие расчеты и испытания коммутаторов показали, что по сочетанию требуемых электрических и габаритных параметров, сроку службы и цене наиболее оптимальным вариантом коммутатора для новой лазерной установки стал коммутатор на основе р.в.д. ∅ 80 мм. Увеличение диаметра кремниевой структуры с 76 до 80 мм увеличило активную площадь р.в.д. на 12%, при этом плотность тока снизилась с 6.5 до 5.8 кА/см². Соответственно уменьшились и прямые потери энергии в р.в.д. во включенном состоянии. В новом приборе они были минимизированы за счет уменьшения толщины p-базы до 40 мкм и увеличения нижней границы времени жизни носителей заряда в высокоомных областях до 30 мкс.

Все это позволило уменьшить прямое падение напряжения (${{V}_{T}}$) на р.в.д. при токе 250 кА с 12.5 В до 10 В. Как видно из расчетной кривой (рис. 2), при коммутации импульса тока амплитудой 250 кА увеличение диаметра кремниевой структуры с 76 до 80 мм и оптимизация ее параметров дало снижение максимального приращения температуры кремния на 100°С.

Коммутационные возможности р.в.д.-коммутатора ограничиваются не только размерами и параметрами кремниевых структур, но и деградационными процессами в контактных соединениях коммутатора при многократных нагрузках импульсами тока большой мощности. В связи с этим был предпринят ряд мер, улучшающих электрические и тепловые сопротивления контактных соединений. Исследования в этом направлении показали, что для надежной коммутации импульсного тока сверхвысоких плотностей необходима тщательная проработка конструкции высоковольтных сборок, состоящих из полутора десятков динисторов. Ошибки в механике коммутатора, прежде всего, в его системе прижима, могут привести к выходу приборов из строя из-за разрушения катодной металлизации р.в.д.

Одним из главных критериев правильной конструкции высоковольтной сборки является высокая однородность давления в контактах между катодной поверхностью элементов р.в.д. и медными электродами. Проведены моделирование и расчет конструкции прижимного устройства, его деталей и узлов [16]. По результатам расчетов найден наиболее подходящий вариант конструкции зажимного устройства коммутатора, обеспечивающее однородное распределение контактного давления на всех 15 элементах р.в.д. в единой сборке, как по площади каждого элемента, так и между элементами.

Для дальнейшего улучшения электрических и тепловых характеристик контактных соединений была применена известная [17] технология соединения кремниевой структуры полупроводникового прибора с молибденовым термокомпенсатором с использованием серебросодержащих паст. Данный процесс проводится при сравнительно низких температурах и высоких давлениях и, в отличие от процесса сплавления, позволяет значительно увеличить активную площадь катодного контакта полупроводниковых приборов [18].

На рис. 3 представлены полученные с помощью оптического профилометра CyberScan трехмерные изображения биметаллических изгибов катодных поверхностей элементов р.в.д. после высокотемпературного (T = 720°С) сплавления кремниевых структур с термокомпенсаторами с применением алюминиевых преформ (рис. 3а) и после низкотемпературного (T = 250°С) процесса спекания с применением серебросодержащих паст (рис. 3б). Видно, что элементы р.в.д., изготовленные по технологии низкотемпературного спекания, имеют изгиб катодной поверхности в три раза меньше по сравнению с элементами, изготовленными по стандартной технологии.

Рис. 3.

Оптические профилограммы и изгибы катодной поверхности элементов р.в.д. после высокотемпературного (Т = 720°С) сплавления (а) и низкотемпературного (Т = 250°С) спекания (б).

Оценка равномерности давления на катодных поверхностях р.в.д. проводилась по отпечаткам на тензочувствительных полимерных пленках, обладающих способностью изменять цвет в зависимости от величины давления в контакте р.в.д. – медный диск. Эмпирическим путем установлено, что для длительной и надежной работы р.в.д. в коммутаторе площадь отпечатка (S_К) с максимальным давлением 10 МПа должна быть не менее 90% от общей площади катодной поверхности динистора.

На рис. 4 показаны контактные отпечатки на катодных поверхностях р.в.д., изготовленных по стандартной технологии (рис. 4а) и технологии низкотемпературного спекания (рис. 4б). Видно, что площадь отпечатка на элементе р.в.д. с максимальным давлением 10 МПа, изготовленного по стандартной технологии, составляет примерно 53% от общей площади катодного контакта, тогда как низкотемпературное спекание обеспечивает более 90% активной зоны контакта между катодной поверхностью р.в.д. и медным электродом. Таким образом, технология низкотемпературного спекания позволяет наилучшим образом минимизировать электрические и тепловые сопротивления в контактных соединениях и внести существенный вклад в повышение коммутирующих характеристик, надежности и срока службы р.в.д.-коммутаторов.

Рис. 4.

Отпечатки катодного контакта элементов р.в.д. с максимальным давлением 10 МПа, изготовленных по технологии высокотемпературного сплавления (а), S_К ≈ 53%, и технологии низкотемпературного спекания (б), S_К ≈ 90%, усилие сжатия р.в.д. F = 50 кН.

РЕЗУЛЬТАТЫ ИСПЫТАНИЙ Р.В.Д.-КОММУТАТОРОВ НОВОГО ПОКОЛЕНИЯ

С учетом полученных результатов исследований была изготовлена партия новых р.в.д.-коммутаторов с модернизированной конструкцией сборки, в которой использованы элементы р.в.д. ∅ 80 мм с уменьшенной мощностью потерь, изготовленные по технологии низкотемпературного спекания. Определялись основные характеристики нового коммутатора: параметры импульса запуска, предельно-допустимые рабочий и аварийный токи. Была сделана также оценка срока службы новых коммутаторов.

Параметры импульса запуска р.в.д.-коммутаторов

Включение р.в.д. производится кратковременным приложением напряжения обратной полярности, что приводит к протеканию импульса обратного тока – тока запуска. В результате вблизи коллекторного перехода возникает тонкий и однородный слой электронно-дырочной плазмы, который при смене полярности напряжения инициирует инжекцию неосновных носителей из эмиттерных областей в базовые области динистора, обеспечивающую быстрое включение по всей активной площади прибора. Для устойчивого и однородного переключения р.в.д. необходимо, чтобы накопленный при запуске заряд был не менее чем на порядок больше критического заряда включения динистора.

В данной работе изучалось влияние заряда запуска на коммутационный всплеск напряжения (V_TM) и установившееся прямое падение напряжения (V_T) при переключении коммутатором тока с амплитудой, близкой к 250 кА. Максимальная плотность тока в импульсе составляла 5.8 кА/см², скорость нарастания тока на начальном участке синусоиды 1.5 кА/мкс, длительность коммутируемого тока 500 мкс. На рис. 5 показаны осциллограммы тока запуска при коммутации импульсов тока 215 кА/500 мкс. Заряд запуска Q_RCRM варьировался от 0.31 мКл (I_RCRM = 0.25 кА) до 4.11 мКл (I_RCRM = 2.5 кА), длительность тока запуска изменялась соответственно от 2.2 до 3.4 мкс.

Рис. 5.

Осциллограммы токов запуска при коммутации импульсов тока 215 кА/500 мкс: 1 – 2.5 кА, 2 – 1.95 кА, 3 – 1.5 кА, 4 – 0.92 кА, 5 – 0.5 кА, 6 – 0.25 кА.

Ниже представлены результаты измерений V_TM и V_T при различных параметрах реверсивного запуска, а также расчетные значения заряда запуска Q_RCRM и отношения переходного и установившегося напряжений ${{V}_{{TM}}}{\text{/}}{{V}_{T}}$:

IRCRM, кА	2.5	1.95	1.5	0.92	0.5	0.25
tR, мкс	3.4	3.2	3.1	2.9	2.7	2.3
VTM, В	122	122	125	135	150	550
VT, В	112	112	112	112	112	112
VTM/VT	1.09	1.09	1.11	1.2	1.34	4.91
QRCRM, мКл	4.11	3.18	2.43	1.45	0.71	0.31

На рис. 6 и рис. 7 представлены осциллограммы падения напряжения на коммутаторе при протекании импульсов тока амплитудой 215 кА при различных режимах запуска. При сравнении осциллограмм на рис. 6 и 7 видно, что процесс включения р.в.д. малым током запуска сопровождается резким увеличением всплеска переходного напряжения V_TM со 122 В до 550 В. Это свидетельствует о начале истощения накопленного вблизи коллекторного перехода динистора слоя неосновных носителей, что приводит к расширению области пространственного заряда в окрестности коллектора. В результате этого с ростом тока быстро увеличивается падение напряжения на динисторе до тех пор, пока электроны, инжектированные катодным эмиттером, не достигнут коллекторного перехода.

Рис. 6.

Осциллограммы напряжения (1) и тока (2) р.в.д.-коммутатора, включенного током запуска 1.5 кА (Q_RCRM = 2.43 мКл). Масштабы по вертикали: тока – 50 кА/деление, напряжения – 20 В/деление; по горизонтали – 100 мкс/деление (а), 4 мкс/деление (б).

Рис. 7.

Осциллограммы напряжения (1) и тока (2) р.в.д.-коммутатора, включенного током запуска 0.25 кА (Q_RCRM = 0.31 мКл). Масштабы по вертикали: тока – 50 кА/деление, напряжения – 20 В/деление (а), 100 В/деление (б); по горизонтали – 100 мкс/деление (а), 4 мкс/деление (б).

Обращает на себя внимание тот факт, что, несмотря на резкий рост напряжения V_TM при почти 8-кратном снижении заряда запуска, установившееся напряжение на коммутаторе V_T составляет 112 В (рис. 6а, 7а) и практически не изменилось. Это можно объяснить тем, что в начальный момент процесса истощения управляющего плазменного слоя, вызванного низким зарядом запуска, эмиттерные переходы динистора успевают установить высокий уровень инжекции носителей заряда и модуляции проводимости в слаболегированной части кремниевой структуры. Тем не менее, дальнейшее снижение Q_RCRM может привести к локализации процесса включения, сильному разогреву, шнурованию тока и отказу прибора.

На рис. 8 показана зависимость отношения амплитуды пика коммутационного напряжения к установившемуся падению напряжения (${{V}_{{TM}}}{\text{/}}{{V}_{T}}$) на р.в.д.-коммутаторе в открытом состоянии от заряда реверсивного запуска и скорости нарастания тока.

Рис. 8.

Зависимость отношения амплитуды пика коммутационного напряжения к установившемуся падению напряжения на р.в.д.-коммутаторе в открытом состоянии от заряда запуска и скорости нарастания тока di/dt: 1 – 40 кА/мкс, 2 – 1.5 кА/мкс.

Как видно из экспериментальной зависимости ${{V}_{{TM}}}{\text{/}}{{V}_{T}} = f({{Q}_{{RCRM}}})$ – кривой 2 на рис. 8, переход участка насыщения к участку резкого роста коммутационного пика происходит примерно при значении Q_RCRM, составляющем 0.6–1 мКл. Поэтому минимально допустимую величину заряда запуска при коммутации импульсов тока амплитудой 250 кА и $di{\text{/}}dt$ на начальном участке 1.5 кА/мкс можно было бы установить равной 1.5–2 мКл. Однако в создаваемой установке возможны аварийные режимы работы конденсаторной батареи, при которых через коммутатор может протекать короткий импульс аварийного тока амплитудой несколько сотен килоампер, длительностью <100 мкс с $di{\text{/}}dt$ на фронте 30–40 кА/мкс. По расчетной зависимости ${{V}_{{TM}}}{\text{/}}{{V}_{T}} = f({{Q}_{{RCRM}}})$ – кривой 1 на рис. 8 – при коммутации импульсов тока со скоростью нарастания на фронте тока 40 кА/мкс видно, что переход участка насыщения к участку резкого роста коммутационного пика происходит при значении Q_RCRM ≈ 3 мКл. На основании полученных результатов установлено, что для надежной работы р.в.д.-коммутатора во всех режимах эксплуатации е.н.э. минимальный заряд запуска должен быть не менее 3–3.5 мКл.

Рабочие и предельно-допустимые импульсные токи р.в.д.-коммутаторов

Коммутирующие характеристики и рабочий ресурс р.в.д. во многом определяются зависимостью прямого падения напряжения на приборе от амплитуды импульсного тока (прямая вольт-амперная характеристика динистора).

На рис. 9 представлена расчетная вольт-амперная характеристика (кривая 1) единичного элемента р.в.д. ∅ 80 мм при длительности импульса тока 500 мкс. Здесь же показана расчетная зависимость максимального приращения температуры кремниевой структуры динистора (∆T_j) от протекающего тока (кривая 2).

Рис. 9.

Расчетная в.а.х. модернизированного р.в.д. ∅ 80 мм: 1 – прямая в.а.х., 2 – максимальное приращение температуры, длительность импульса 500 мкс.

Полученную вольт-амперную характеристику (в.а.х.) можно условно разделить на три характерных участка и, соответственно, три возможные области работы р.в.д.-коммутатора. Область I – область безопасной работы для токов от 0 до 260 кА с практически линейным участком в.а.х. с низким дифференциальным сопротивлением. Максимальное приращение температуры на границе этой области не превышает 210 К. Область II – разрешенная область работы в диапазоне токов 260–310 кА с низким ресурсом и риском потери работоспособности р.в.д. при первых сотнях включений. В этой переходной области наблюдаются увеличенные значения дифференциального сопротивления и максимальной температуры структуры динистора. Область III (токи свыше 320 кА) – запрещенная область работы. Она характеризуется высокими температурами, близкими к температурам термогенерационных процессов в кремнии, большой вероятностью шнурования тока и теплового пробоя. В этом случае выход р.в.д. из строя неизбежен уже при первых включениях.

Исследования прямой в.а.х. нового р.в.д проводились на испытательном стенде Научно-инженерного центра силовых полупроводниковых приборов (НИЦ СПП) ПАО “Электровыпрямитель” [19] и на стендах в Институте лазерных физических исследований (ИЛФИ) РФЯЦ–ВНИИЭФ. Формы импульсов тока при работе стендов несколько отличаются друг от друга. На рис. 10 представлены динамические кривые разогрева кремниевой структуры р.в.д. при коммутации импульсов тока различной формы: апериодические разряды е.н.э. на активно-индуктивную нагрузку (кривая 1) и импульсные лампы (кривая 2) на испытательных стендах ИЛФИ, правильная полусинусоида (кривая 3) при разряде конденсаторной батареи на резистивную нагрузку на испытательном стенде НИЦ СПП.

Рис. 10.

Динамические кривые разогрева кремниевой структуры р.в.д. при коммутации импульсов тока различной формы: апериодические разряды е.н.э. на активно-индуктивную нагрузку (1) и импульсные лампы (2) на испытательных стендах ИЛФИ, правильная полусинусоида (3) при разряде конденсаторной батареи на резистивную нагрузку на испытательном стенде НИЦ СПП.

На рис. 10 следует, что предельно-допустимая температура кремниевых структур р.в.д. (T_j max = = 250°С) достигается на стенде ИЛФИ при коммутации импульсов тока амплитудой 250 кА, а на стенде НИЦ СПП – при коммутации импульсов тока амплитудой 220 кА.

Результаты исследования прямой в.а.х. нового р.в.д.-коммутатора приведены по экспериментам на испытательном стенде НИЦ СПП в диапазоне токов от 19 до 308 кА длительностью 500 мкс при заряде накачки 3.2 мКл. После каждой серии измерений проводились измерения токов утечки коммутатора при напряжении 25 кВ.

На рис. 11 показаны временные зависимости разрядных токов и падений напряжения на коммутаторе. Термогенерационный пик падения напряжения (рис. 11б) возникает на 340-й микросекунде после начала прохождения разрядного тока амплитудой 308 кА. Появление термогенерационного пика на кривой падения напряжения говорит о начале неконтролируемого термогенерационного процесса. Дальнейшее незначительное увеличение тока (на 0.5–1.0 кА) вызовет быструю локализацию тока и тепла в кремниевой структуре и, в итоге, пробой полупроводниковых приборов и коммутатора.

Рис. 11.

Осциллограммы коммутируемых импульсов тока (а) и падения напряжения (б) при испытаниях нового р.в.д.-коммутатора. Амплитуда токов, кА: 1 – 50, 2 – 100, 3 – 150, 4 – 200, 5 – 245, 6 – 260, 7 – 270, 8 – 290, 9 – 300, 10 – 308.

По измеренным кривым тока и падения напряжения (рис. 11) рассчитана энергия, рассеиваемая в р.в.д.-коммутаторе при токе 250 кА. Она не превышает 8.5 кДж, что в 4.3 раза меньше энергии потерь, выделяющейся при том же токе в одном из лучших представителей газоразрядных коммутаторов – искровом разряднике [1]. Низкие потери и отвод тепла от каждого элемента позволяют использовать р.в.д.- коммутаторы в конденсаторных батареях лазерных установок без принудительного охлаждения, существенно упрощая при этом обслуживание и снижая стоимость е.н.э.

На рис. 12 представлена экспериментальная прямая в.а.х. нового коммутатора, построенная по результатам измерений временных зависимостей разрядных токов и напряжений. Сравнивая в.а.х., изображенные на рис. 9 и рис. 12, можно видеть, что результаты измерений (с учетом поправки на форму тока) хорошо совпадают с расчетными данными. Так же, как и на рис. 9, можно выделить три области, характеризующие рабочий (область I), предельный (область II) и запрещенный (область III) режимы работы коммутатора. Рабочий режим – это 250 кА/25 кВ/500 мкс с ресурсом около 10 000 включений; предельно-допустимый режим – до 300 кА (апериодический разряд), при этом количество импульсов в таком режиме не должно превышать 25–30 включений за весь срок службы коммутатора.

Рис. 12.

Экспериментальная в.а.х. нового р.в.д.-коммутатора. Верхняя шкала тока соответствует измеренным значениям на стенде НИЦ СПП, нижняя – эквивалентному значению тока через коммутатор на стенде ИЛФИ.

Коммутация тока свыше 300 кА запрещена. Критическое значение импульса тока через коммутатор, при котором может наступить шнурование тока в кремниевой структуре р.в.д. и выход коммутатора из строя при первом включении, около 350 кА.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Разработан и исследован высоковольтный полупроводниковый коммутатор нового поколения на основе реверсивно-включаемых динисторов, работающий при высоких плотностях тока, с прогнозируемым ресурсом 10000 включений и рабочим напряжением 25 кВ. Он способен коммутировать импульсы силового тока с амплитудой 250 кА и заряд около 70 Кл. Достигнуты рекордно высокие показатели удельной импульсной мощности коммутатора на единицу объема (490 МВт/дм³) и массы (250 МВт/кг).

Налажено производство опытных образцов р.в.д-коммутаторов и их тестирование в штатном режиме работы неодимовой лазерной установки мегаджоулевого класса (250 кА/25 кВ/500 мкс). Несколько образцов были подвергнуты ресурсным испытаниям, которые продемонстрировали надежную работу коммутаторов в течение 1000, 2000 и 3000 срабатываний.