Приборы и техника эксперимента, 2022, № 5, стр. 70-74

Потери энергии в коммутаторах наносекундных импульсов тока во многом определяются временем их переключения. В связи с этим большой интерес представляют описанные в работах [1–4] кремниевые полупроводниковые приборы, которые имеют разную конструкцию, но переключаются за время <1 нс. Такое малое время включения достигается в результате использования предложенного в работе [5] способа запуска наносекундным импульсом высокого напряжения, который инициирует процесс ударной ионизации кремния. Носители тока, созданные в процессе ударной ионизации, обеспечивают высокую проводимость полупроводниковых коммутаторов сразу после их включения.

В данной статье приведены результаты исследований мощных коммутаторов с субнаносекундным временем включения, выполненных в виде блоков последовательно соединенных динисторов с ударной ионизацией (SID – Shock Ionized Dynistors), впервые описанных в работе [6]. Как показали исследования [7, 8], определенным достоинством этих динисторов является то, что их эффективное включение может быть обеспечено сравнительно маломощными цепями управления.

На рис. 1 приведена схема разработанного генератора мощных наносекундных импульсов на основе силовой цепи С₀–R₀–L₀ и блока SID с рабочим напряжением 12 кВ. Переключение блока SID осуществляется с помощью цепи управления ЦУ, содержащей размыкающий ключ в виде высоковольтного блока дрейфовых диодов с резким восстановлением (DSRD – Drift Step Recovery Diodes), впервые описанных в работе [9]. Наносекундное время выключения блока DSRD обеспечивается цепью магнитного сжатия на основе повышающего трансформатора Тр, накопительного конденсатора C₁ и транзисторного ключа Т с рабочим напряжением 1.2 кВ.

Рис. 1.

Электрическая схема генератора наносекундных импульсов на основе блока SID. ЦУ – цепь управления; DSRD – 25 диодов с диаметром структур 16 мм; D – К100 (2 последовательно); D₁ – HER608; D₂ – HER608 (4 последовательно); Т – IRGPS60B120KDP (2 параллельно); Тр – сердечник, феррит N87 (EPCOS), 8 колец размером 25.3 × 14.8 × 10 мм, w₁ = 1, w₂ = 3; L₀ – сердечник феррит N87 (EPCOS), 5 колец размером 16 × 9.6 × 6.3 мм, w = 1.

Принцип работы генератора заключается в следующем. В исходном состоянии конденсаторы С₁, C₀ заряжены до напряжений U₁, U₀. Напряжение U₁ блокирует ключ Т, напряжение U₀ приложено к блоку SID и к разделительной цепи C–D, которая исключает приложение высокого напряжения к блоку DSRD. После включения ключа Т конденсатор С₁ разряжается через первичную обмотку w₁ трансформатора Тр. В результате через вторичную обмотку w₂ протекает ток, который обеспечивает накопление заряда в диодах блока DSRD и зарядку конденсатора С₂. Этот ток имеет принципиально малую длительность (~350 нс), которая необходима для эффективной работы DSRD. В момент окончания процесса зарядки конденсатора С₂ сердечник трансформатора Тр насыщается. При этом индуктивность обмотки w₂ резко уменьшается, и конденсатор С₂ быстро разряжается по цепи L–DSRD–w₂. Протекающий через индуктивность L ток I_L выносит из диодов блока DSRD весь накопленный заряд за время ~150 нс. В результате диоды синхронно выключаются за время ~3 нс.

В процессе выключения диодов напряжение на блоке DSRD быстро нарастает и распределяется между цепью C–D, блоком SID и индуктивностью монтажных проводов, обеспечивающих их соединение. При этом через блок SID протекает ток управления I_у, который обеспечивает зарядку близких по величине собственных емкостей динисторов. Когда напряжение на динисторах блока SID нарастает до величины, достаточной для инициирования процесса ударной ионизации, они включаются.

При запуске блока SID дроссель L₀ имеет большую индуктивность, которая до момента включения динисторов исключает возможность ответвления тока I_у в силовую цепь L₀–R₀–С₀. После включения блока SID к дросселю L₀ прикладывается напряжение зарядки конденсатора С₀, и его сердечник перемагничивается до состояния насыщения. После насыщения сердечника индуктивность дросселя резко уменьшается, и ток в силовой цепи быстро нарастает. В интервале между моментом включения блока SID и моментом насыщения сердечника дросселя L₀ через цепь C–D и блок SID протекает ток I_у, который осуществляет модуляцию проводимости динисторов.

В наших экспериментах использовался малогабаритный блок SID с размерами 70 × 35 ×110 мм. Он состоял из шести последовательно соединенных динисторов, которые имели диаметр 24 мм и предельно допустимое стационарное напряжение 2.5 кВ. Фотография блока SID приведена на рис. 2.

Рис. 2.

Блок SID с рабочим напряжением 12 кВ.

Динисторы были помещены во фторопластовый корпус. Для подвода тока использовались плоские шины. Электрический контакт между шинами и динисторами осуществлялся прижимным устройством на основе массивных дюралевых пластин, закрепленных между пластинами из капролона. Прижимное усилие создавалось центральным винтом и стабилизировалось с помощью пружинных шайб.

На рис. 3 показаны осциллограммы напряжения на блоке SID в процессе его переключения при разной амплитуде тока I_L, которая регулировалась путем изменения напряжения зарядки накопительного конденсатора С₁. Осциллограммы U₁, U₂, U₃ соответствуют току I_L с амплитудой 350, 250 и 200 А соответственно. Они получены при использовании в силовой цепи резистора R₀ с большим сопротивлением (1 кОм), который устранял влияние силового тока.

Рис. 3.

Осциллограммы напряжения на блоке SID при токе I_L с амплитудой 350 А (U₁), 250 А (U₂) и 200  А (U₃). Масштаб: по вертикали – 4 кВ/деление, по горизонтали – 2 нс/деление.

Согласно осциллограммам, при I_L = 350 А скорость нарастания напряжения на блоке SID составляет ~5 кВ/нс. В этих условиях блок SID включается при напряжении ~24 кВ, которое в 1.6 раза превышает суммарную величину предельно допустимых стационарных напряжений динисторов. Время включения блока SID меньше 1 нс.

При уменьшении тока I_L скорость нарастания напряжения на блоке SID уменьшается и при I_L = = 200 А составляет ~4 кВ/нс. При такой скорости нарастания запускающего напряжения уменьшается напряжение на блоке SID в момент его включения и увеличивается время включения блока SID, по-видимому, из-за уменьшения интенсивности процесса ударной ионизации.

В процессе исследований была измерена амплитуда импульса напряжения на блоке DSRD. Из-за падения напряжения в цепи С–D и на индуктивности монтажа она на 4 кВ превышала амплитуду напряжения на блоке SID.

На рис. 4 приведены осциллограммы импульсов силового тока (I₀₁, I₀₂) и кривые падения напряжения (U₁, U₂) на блоке SID, рассчитанные из соответствующих осциллограмм путем вычитания напряжения, падающего на индуктивности блока. Эксперименты проводились при зарядке конденсатора С₀ до напряжения 12 кВ. Индексами 1, 2 обозначены токи и напряжения, полученные при токах I_L с амплитудой 350 и 250 А соответственно.

Рис. 4.

Осциллограммы силового тока I₀₁, I₀₂ и напряжения U₁, U₂ на блоке SID при токах I_L с амплитудами 350 А и 250 А соответственно. Масштаб по вертикали: напряжения – 5 кВ/деление, тока – 500 А/деление; по горизонтали – 50 нс/деление.

Измерение напряжения на блоке SID осуществлялось высоковольтным делителем, способным достоверно измерять сигналы с фронтом ≥ 0.5 нс. Делитель был калиброван при измерении импульсов напряжения с фронтом 0.25 нс, полученных с помощью генератора испытательных импульсов И1-15. Нижним плечом делителя являлся коаксиальный кабель с волновым сопротивлением 50 Ом, верхним – малогабаритный резистор с сопротивлением 470 Ом, скомпенсированный медным экраном. Делитель подключался к блоку SID через разделительный конденсатор. Для измерения тока I₀ использовался датчик тока Pearson current monitor 410.

Как видно из рис. 4, при уменьшении амплитуды тока I_L с 350 до 250 А падение напряжения на блоке SID существенно увеличивается, что свидетельствует о менее однородном распределении силового тока по площади динисторов. При увеличении тока I_L с 350 до 450 А падение напряжения на блоке SID практически не изменялось, поэтому можно считать, что в рассмотренных условиях запуска оптимальным является ток I_L с амплитудой 350 А. При таком токе I_L потери энергии в блоке SID при коммутации импульса тока I₀₁ с амплитудой 2.5 кА составляют примерно 320 мДж.

Такие небольшие потери энергии определили сравнительно малый нагрев блока SID при коммутации импульсов тока I₀₁ с частотой 150 Гц. При охлаждении потоком воздуха установившаяся температура корпуса блока SID составляла ~70°С. Меньший нагрев блока SID можно обеспечить при использовании охладителей, прижатых к токоподводящим шинам. Но при этом динисторы в центральной части блока будут охлаждаться менее интенсивно, чем крайние динисторы.

Более равномерный отвод тепла от динисторов был обеспечен путем разделения блока SID на 3 модуля. Каждый модуль состоял из двух последовательно соединенных динисторов. Между модулями размещались охладители. Фотография опытного образца блока SID модульной конструкции показана на рис. 5.

Рис. 5.

Модульный блок SID с рабочим напряжением 12 кВ.

При запуске модульного блока SID цепью управления ЦУ (см. рис. 1) амплитуда импульсов напряжения на блоке DSRD оказалась чрезмерно велика (33 кВ при токе I_L = 350 А). В результате потребовалось увеличить количество диодов в блоке DSRD и принять определенные меры по усилению изоляционной прочности трансформатора Тр. Такое большое напряжение было обусловлено сравнительно большой индуктивностью модульного блока, включающей в себя индуктивности модулей и индуктивности охладителей.

В связи с этим была разработана схема запуска модульного блока SID, приведенная на рис. 6. В этой схеме переключение модулей SID₁–SID₃ осуществляется с помощью индивидуальных цепей управления ЦУ₁–ЦУ₃, которые включаются одновременно. Дроссель L₀ задерживает резкое нарастание силового тока на время, которое превышает временной разброс моментов срабатывания цепей управления ЦУ₁–ЦУ₃. В результате переключение запаздывающего модуля происходит при очень малом токе в силовой цепи, влиянием которого можно пренебречь.

Рис. 6.

Электрическая схема генератора на основе модульного блока SID. ЦУ – цепи управления; L₀ – сердечник, феррит N87 (EPCOS), 8 колец размером 16 × 9.6 × 6.3 мм, w = 1.

В опытном SID-коммутаторе цепи управления ЦУ₁–ЦУ₃ построены так же, как и цепь ЦУ на рис. 1. Они формируют импульсы тока I_L с такой же амплитудой (350 А). Поскольку модули SID₁–SID₃ имеют малую собственную индуктивность и содержат только два динистора, напряжение на них в момент включения составляет ~7.5 кВ. При этом амплитуда напряжения на используемых в цепях ЦУ₁–ЦУ₃ блоках DSRD не превышает 9 кВ, и в этих блоках используются только 10 последовательно соединенных диодов. Поскольку в исходном состоянии к модулям прикладывается третья часть напряжения U₀, в разделительных цепях С–D используется только один диод К100. Рассмотренная структура модульного коммутатора позволила на 25% снизить потери энергии в цепях ЦУ₁–ЦУ₃ по сравнению с цепью ЦУ на рис. 1. В результате эффективный запуск модулей SID₁–SID₃ достигался при меньшем напряжении зарядки накопительных конденсаторов С₁ и при меньших размерах трансформаторов Тр.

При обдуве воздухом модульный блок SID был способен коммутировать импульсы тока с амплитудой 3 кА и длительностью 400 нс, следующие с частотой 500 Гц. Исследования проводились без подбора комплектующих элементов в цепях управления ЦУ₁–ЦУ₃. При этом максимальный разброс моментов включения модулей SID₁–SID₃ не превышал 5 нс.

Определенным достоинством рассмотренного модульного способа переключения высоковольтных блоков SID является то, что он позволяет интенсивно отводить тепло от динисторов при использовании охладителей с большими габаритами. При этом сравнительно большая собственная индуктивность охладителей не препятствует формированию наносекундных импульсов запуска динисторов.

Таким образом, результаты исследований разработанных SID-коммутаторов с рабочим напряжением 12 кВ свидетельствуют о том, что они способны эффективно коммутировать импульсы тока с амплитудой несколько килоампер, нарастающие со скоростью десятки ампер в наносекунду. Принципы работы SID позволяют существенно увеличить рабочее напряжение SID-коммутаторов и использовать их в генераторах наносекундных импульсов со средней мощностью несколько киловатт.