Содержание к диссертации
Введение
1. SOS-диоды: мощные наносекундные прерыватели тока 15
1.1. SOS-эффект и его характеристики 15
1.2. Принцип работы SOS-диода 22
1.3. Характеристики SOS-диодов 29
Выводы 36
2. Генераторы на SOS-диодах 48
2.1. Схемный подход 48
2.2. Конструкция генераторов 55
2.3. Характеристики разработанных генераторов 70
Выводы 80
3. Генератор квазипрямоугольных импульсов для низкоомной нагрузки 92
3.1. Экспериментальная схема 92
3.2. Формирование квазипрямоугольного импульса 96
3.3. Результаты исследований 99
Выводы 108
Заключение 114
Литература 116
- Принцип работы SOS-диода
- Характеристики SOS-диодов
- Конструкция генераторов
- Формирование квазипрямоугольного импульса
Введение к работе
Мощная наносекундная импульсная техника на сегодняшний день имеет две основные тенденции своего развития. Одна из них заключается в проведении различных исследовательских программ в таких областях, как ускорительная техника, лазерная техника, мощная СВЧ-электроника, управляемый термоядерный синтез и т.д. Здесь основные усилия сосредоточены на получении рекордно высоких параметров по выходной мощности, и это приводит к разработке и созданию импульсных источников энергии с максимально высокими величинами напряжения и тока. Это установки, представляющие собой уникальные сооружения, как правило, не особо критичны к таким требованиям, как высокая средняя мощность, частота следования импульсов, компактность и срок службы.
Другая тенденция, получившая наиболее интенсивное развитие в последние 10-15 лет, связана с технологическим применением мощных наносекундных импульсов. Разрабатываются новые перспективные технологии для решения экологических задач по очистке выбросов электрических и тепловых станций, удалению токсичных примесей из воздуха, обработке отходов медицины и вредных производств, очистке питьевой воды, стерилизации различной продукции, в том числе и продуктов питания. Также активно идет создание новых радиационных и радиолокационных технологий. Для разработки такого рода технологических устройств также требуются импульсные источники энергии, наиболее важными характеристиками которых являются высокая частота повторения импульсов и средняя мощность, компактность и надежность в сочетании с ресурсом непрерывной работы в несколько лет.
Основой наносекундной импульсной техники в обоих направлениях являются генераторы мощных импульсов тока и напряжения, энергия которых используется либо непосредственно, либо переводится в энергию соответствующих видов излучения. Наиболее распространенные принципы генерирования мощных наносекундных импульсов электрической энергии подразделяются на два основных направления, отличающиеся друг от дру-
га видом запасаемой энергии и способом передачи энергии в нагрузку. В первом случае происходит накопление энергии электрического поля в высоковольтных емкостных накопителях, таких как низкоиндуктивные конденсаторы и формирующие линии, а затем передача энергии в нагрузку через замыкающие устройства - сильноточные наносекундные коммутаторы [1,2]. Во втором случае происходит накопление энергии в магнитном поле индуктивного контура с током. Последующая передача энергии в нагрузку происходит посредством размыкающих устройств - прерывателей тока [3,4].
В емкостных накопителях предельная плотность запасаемой энергии определяется электрической прочностью диэлектрика и его диэлектрической проницаемостью. В современных импульсных конденсаторах электрическое поле, длительно выдерживаемое диэлектриком, достигает значений порядка 106 В/см. При этом плотность энергии составляет около 102 Дж/дм3. Повышение электрической прочности диэлектриков при импульсной зарядке конденсаторов позволяет примерно на порядок увеличить это значение. Плотность запасаемой энергии в индуктивных накопителях определяется предельно допустимыми магнитными полями, которые ограничены механической прочностью материалов индуктивных накопителей. При этом плотность магнитной энергии может достигать величины 105 Дж/дм3. В отношении запасаемой энергии очевидно преимущество индуктивных накопителей энергии по сравнению с емкостными. Но на пути практического использования индуктивных накопителей в мощных импульсных устройствах возникают два серьезных препятствия. Одно из них заключается в том, что постоянная времени саморазряда в системах индуктивного накопления энергии намного меньше этого параметра для емкостного накопителей. Это означает, что индуктивные накопители должны заряжаться гораздо быстрее, откуда вытекает необходимость в более мощных зарядных источниках энергии. Другое препятствие заключается в решении еще более трудной технической проблемы - создании быстродействующего сильноточного размыкателя.
В емкостных накопителях конденсатор разряжается на нагрузку через замыкающий коммутатор, который часто выполняется в виде искрового промежутка. Ток разряда намного превышает зарядный ток, и поэтому емкостную разрядную цепь можно рассматривать как усилитель тока. В индуктивных накопителях передача энергии в нагрузку, запасенной в катушке индуктивности, осуществляется посредством размыкателя, как правило, установленного параллельно цепи нагрузки. Ток в цепи размыкателя падает и переключается в нагрузку. Одновременно из-за уменьшения тока на размыкателе на нагрузке развивается высокое напряжение, пропорциональное величине L(dl/dt). По этой причине индуктивную разрядную цепь можно рассматривать как усилитель напряжения. Развивающееся на катушке и нагрузке напряжение прикладывается и к размыкателю. Таким образом, создание систем индуктивного накопления энергии требует решения двух серьезных технических проблем - построения мощной зарядной цепи и разработки быстро восстанавливающегося размыкателя, способного выдерживать высокое напряжение и пропускать через себя большие токи в проводящем состоянии. Сверхмощные размыкатели тока наносе-кундного диапазона, выдерживающие напряжения мегавольтного уровня и отключающие токи порядка десятков и сотен килоампер за десятки наносекунд, такие как плазменные прерыватели тока [5, 6] и прерыватели тока на основе электрического взрыва проводников [6, 7, 8], обладают рядом существенных недостатков. Основными из них можно назвать малый срок службы из-за эрозии электродов у первых и невозможность работы в частотном режиме из-за изменения проводящей среды размыкателя необратимым образом у вторых.
Разработка и исследование новых типов размыкателей тока, свободных от указанных недостатков и способных выйти на уровень технологических применений, вьщвигает еще одно требование - длительный срок службы. В этом направлении наиболее перспективным являются схемы с индуктивными накопителями энергии и твердотельными прерывателями тока, на основе которых возможна разработка мощных импульсных устройств
с высокими удельными характеристиками и практически неограниченным (твердотельным) ресурсом. Здесь основная проблема заключается в создании мощного твердотельного частотного размыкателя тока.
Известные физические принципы быстрого отключения тока в твердом теле основаны либо на создании высокой проводимости в собственном полупроводнике под действием лазерного излучения или электронного пучка с последующим быстрым отключением источника ионизации [10, 11], либо на токовой инжекции заряда в базу р - п - п структуры с последующим выводом накопленного заряда обратным током [12-15].
В работе [10] рассмотрен вопрос о возможности создания мощных полупроводниковых коммутаторов на основе облучения кристаллов арсенида галлия пучком электронов. Для этих целей в экспериментах использовался электронный ускоритель с энергией электронов 100 - 150 кэВ. При плотности тока электронного пучка 36 мА/см2 была достигнута плотность коммутируемого тока в кристалле 53 А/см2. Показано, что такие коммутаторы могут обрывать ток с характерным временем рекомбинации носителей порядка нескольких наносекунд.
В работе [11] в качестве твердотельного размыкателя тока исследовался образец из кристалла арсенида галлия, легированного кремнием и компенсированного медью. В качестве источника ионизации использовался лазер. При облучении кристалла первым лазерным импульсом с длиной волны Х=1,06мкм происходит переход кристалла в проводящее состояние, что дает возможность пропустить через кристалл ток накачки индуктивного накопителя энергии. При облучении кристалла вторым лазерным импульсом с 1=1,7 мкм происходит высвобождение дырок из глубоких центров атомов меди. Рекомбинация избыточных электронов и дырок с характерным для арсенида галлия временем порядка 1 не приводит к переключению тока индуктивного накопителя из кристалла в нагрузку. На 200-омной нагрузке в работе были получены импульсы с напряжением 6,2 кВ длительностью 20 не при обрыве тока величиной 100 А за время 5 не. Очевидные техни-
ческие сложности первого метода, связанные с необходимостью применения ускорителя заряженных частиц или лазеров для управления работой размыкателя тока, наряду с низкими параметрами отключаемых токов и выдерживаемых напряжений, практически исключают возможность его использования в мощной импульсной технике.
Метод токовой инжекции заряда для резкого обрыва обратного тока в полупроводниковых диодах был основан в 50-е годы, когда интенсивно развивались работы по созданию быстродействующих импульсных диодов. Диоды с эффектом резкого обрыва тока получили название диодов с накоплением заряда (ДНЗ) [12]. Принцип работы ДНЗ основан на существовании встроенного тормозящего поля в базе диффузионного диода, образованного градиентом концентраций донорных атомов. На стадии накопления заряда прямым током встроенное электрическое поле, направленное из «-базы в р-область, препятствует распространению инжектируемых дырок в глубь базы и удерживает заряд вблизи р-п - перехода. За счет этого при прохождении обратного тока практически весь накопленный заряд успевает выйти из базы диода на стадии высокой обратной проводимости. Малая величина остаточного заряда в базе к моменту образования объемного заряда у р-п — перехода приводит к резкому обрыву обратного тока за время 10"9 - 10"10 с. Работа диода в режиме ДНЗ возможна только при низком уровне инжекции и при высоком уровне легирования базы донорной примесью. Переход к сильноточному режиму работы (высокий и сверхвысокий уровень инжекции), а также снижение уровня легирования и-базы для увеличения обратного напряжения диода приводит к исчезновению встроенного электрического поля и эффекта резкого обрьша тока. В связи с чем характерные для ДНЗ со встроенным полем величины рабочих токов составляют 10 - 100 мА, обратных напряжений-10-50 В.
В начале 80-х годов профессором И.В. Греховым был предложен и реализован сильноточный режим работы р - п - п структуры с плотностью обрываемого тока до 200 А/см2, временем обрьша тока около 2 не и рабочим напряжением 1 кВ [13]. Такие дио-
ды получили название дрейфовых диодов с резким восстановлением (ДДРВ) [14, 15]. Принцип работы ДДРВ состоит в следующем. За счет короткой длительности импульса прямого тока (сотни наносекунд) в базе диода происходит резко неоднородное распределение плазмы и возле р-п — перехода создается тонкий слой инжектированной плазмы, в котором сосредоточена основная часть накопленного заряда. При протекании тока обратной накачки происходит рассасывание плазменного слоя у р-п — перехода с одновременным дрейфовым выносом дырок из основной части базы. Подбором параметров структуры (длина базы и уровень легирования) и режима накачки (длительность и плотность тока) достигается условие, когда к моменту удаления из структуры всех неравновесных носителей плотность дрейфового тока достигает максимального значения для данного уровня легирования базы. При вьшолнении этого условия процесс обрыва обратного тока представляет собой удаление из базы равновесных носителей с максимально возможностью скоростью насыщения порядка 107 см/с. В связи с этим ДДРВ имеет ограничение по плотности тока через структуру. Для получения обратных напряжений на структуре около 1 - 2 кВ уровень донорной примеси в базе не может превышать 10й см"3, что на стадии отключения соответствует максимальной плотности тока около 160 - 200 А/см2. Однако путем увеличения площади структуры и создания сборок из последовательных соединенных структур возможно увеличение рабочих параметров прерывателя по току и напряжению. Рекордные для ДДРВ параметры получены в работе [16], в которой с помощью последовательно соединенных ДДРВ формируются импульсы с амплитудой 80 кВ, током 800 А и частотой следования импульсов 1 кГц.
В работе [17] сообщается о разработке нового полупроводникового прерывателя тока, принцип работы которого основан на инверсном механизме восстановления диода. Специальная структура диода позволяет увеличить длительность прямой накачки, а также поднять плотность обрьшаемого тока. Однако работа такого диода также основана на принципе удаления избыточной плазмы из базы на стадии высокой обратной проводимо-
сти. На основе такого диода разработан генератор с напряжением 30 кВ, током 600 А и частотой следования импульсов 1 кГц. В работе [18] представлен более мощный генератор, формирующий на нагрузке в десятки Ом импульсы напряжения в десятки кВ.
Таким образом, вышеописанные методы обрыва тока в полупроводниках характеризуются относительно скромными достигнутыми параметрами по импульсной мощности (десятки МВт), току (сотни А) и напряжению (десятки кВ), которые недостаточны для многих приложений мощной импульсной техники.
Ситуация в области мощной полупроводниковой электроники изменилась кардинальным образом, когда в 1992 году в Институте электрофизики УрО РАН был обнаружен эффект наносекундного обрыва сверхплотных токов в полупроводниках (SOS-эффект) [19]. Было показано, что эффект наблюдается в р - р - п - п - структурах при времени накачки порядка 10"8 — 10"6 с и плотности обратного тока до 60 кА/см2, а время обрыва тока при этих условиях лежит в диапазоне от десятых долей до единиц наносекунд. Очевидно, что применение данного эффекта для разработки мощных твердотельных прерывателей тока и генераторов на их основе представляет собой актуальную научно-техническую задачу.
Целями диссертационной работы явились:
Разработка новых полупроводниковых наносекундных прерывателей тока, работающих на основе SOS-эффекта, для мощных импульсных генераторов частотного режима работы;
Разработка схемного подхода для построения наносекундных генераторов с полностью твердотельной системой коммутации энергии на основе промежуточного индуктивного накопителя и полупроводникового прерывателя тока;
Создание мощных компактных генераторов наносекундного диапазона с высокой частотой повторения импульсов для научных и практических целей.
Научная новизна
Основные результаты работы относятся к категории полученных впервые. Наиболее важные из них:
Исследовано влияние параметров структуры на процесс обрыва тока в режиме SOS-эффекта. Установлено, что увеличение глубины залегания р-п - перехода от 100 до 200 мкм приводит к существенному увеличению жесткости процесса отключения тока: время обрыва сокращается до единиц наносекунд, а перенапряжение возрастает до 6-кратного.
Созданы высоковольтные полупроводниковые приборы нового класса - SOS-диоды, представляющие собой твердотельные наносекундные прерыватели тока. Разработанные SOS-диоды имеют увеличенную глубину залегания р-п - перехода и развитую поверхность охладителей. При рабочем напряжении более 100 кВ и плотности обрываемого тока до 10 кА/см2 достигнуто время отключения тока в единицы не. При частоте следования импульсов 1-2 кГц получена удельная средняя мощность, переключаемая SOS-диодом в нагрузку, величиной 10 кВт/кг.
Показано, что SOS-диод, содержащий до нескольких сотен последовательно соединенных полупроводниковых структур, на стадии обрыва тока и генерирования импульса характеризуется равномерным распределением напряжения по последовательным структурам, что позволяет его эксплуатацию без применения дополнительных внешних делителей.
На основе SOS-диодов разработана серия малогабаритных наносекундных генераторов с твердотельной системой коммутации. Получены следующие выходные параметры: напряжение - 100 +- 450 кВ, ток - 0.2 + 1.5 кА, длительность импульса - 20 + 60 не, энергия импульса -1 + 10 Дж, частота следования импульсов до 1 кГц постоянно и до 5 кГц в пачке импульсов.
5. Проведены эксперименты по формированию с помощью SOS-диода квазипрямоугольного импульса напряжения на низкоомной нагрузке, величиной 4.5 Ом. Получены импульсы длительностью 100 не, амплитудой 50 кВ и током 11 кА.
Практическая ценность работы определена созданием мощных наносекундных генераторов нового класса с промежуточным индуктивным накопителем и полупроводниковым прерывателем тока на основе SOS-диодов. Разработанные устройства имеют полностью твердотельную систему коммутации энергии, в связи с чем сочетают высокую частоту следования импульсов и среднюю мощность, компактность, надежность и имеют практически неограниченный срок службы. Именно эти качества позволяют устройствам данного класса получить широкое практическое применение в различных электрофизических промышленных технологиях.
Реализация результатов работы
Разработанные SOS-диоды и мощные наносекундные генераторы на их основе применялись при проведении прикладных исследований в различных областях электрофизики: для генерирования сильноточных электронных пучков и импульсов рентгеновского излучения, исследования электрических свойств полупроводников и диэлектриков, накачки газовых лазеров, ионизации воздуха стримерным коронным разрядом для удаления токсичных примесей, а также в качестве источников питания широкополосных электромагнитных излучателей. Ниже перечислены российские и зарубежные организации, использующие результаты диссертационной работы и эксплуатирующие коммерческие образцы разработанных устройств и приборов:
Институт электрофизики УрО РАН, Екатеринбург
Институт сильноточной электроники СО РАН, Томск
Институт ядерной физики им. Г.И. Будкера СО РАН, Новосибирск
Всероссийский НИИ технической физики, Снежинск
НИИ Машиностроения Федеральное космическое агентство, Н.Салда
Компания Britsh Aerospace Defence, Ltd., Бристоль, Великобритания
Ливерморская национальная лаборатория, Ливермор, США
Компания Vitronics, Inc., Итентаун, США
Исследовательский центр Карлсруэ, Карлсруэ, Германия
Техасский технический университет, Лаббок, США
Военно-морская исследовательская лаборатория, Вашингтон, США
Компания LG Industrial Systems, Ltd., Аниянг, Южная Корея
Ядерный исследовательский центр SOREQ NRC, Йавне, Израиль
Компания Exion Technologies, Ltd, Реховот, Израиль
Университет Кумамото, Кумамото, Япония
Технологический университет, Нагаока, Ниигата, Япония
Северо-западный Институт ядерной техники, Сиань, Китай
Институт прикладной электроники, Миньян, Китай
Вклад автора в представленную работу состоит в проведении расчетов, моделировании, разработке конструкций и проектировании экспериментальной техники, непосредственном проведении экспериментов и анализе полученных результатов.
Апробация работы и публикации
Материалы работы докладывались на следующих Международных конференциях, симпозиумах и семинарах: Международная конференция по мощной импульсной технике (США - 1995, 1997, 1999, 2001), Международная конференция по мощным пучкам частиц (США - 1994, Чешская Республика - 1996, Япония - 2000), Международный симпозиум по сильноточной электронике (Томск - 2000), Международная конференция по мощным импульсным модуляторам (США - 2002), Семинар по мощной импульсной технике (Великобритания - 2003).
По теме диссертации опубликовано 35 печатных работ [53-87].
Положения, выносимые на защиту
В полупроводниковой структуре р - р - п - п - типа, работающей в режиме SOS-эффекта, увеличение глубины залегания р-п - перехода от 100 до 200 мкм приводит к существенному увеличению жесткости процесса отключения тока: время обрыва сокращается до единиц наносекунд, а перенапряжение возрастает до 6-кратного.
Разработанные SOS-диоды с увеличенной глубиной залегания р-п - перехода и развитой поверхностью охладителей при рабочем напряжении более 100 кВ способны отключать обратный ток, плотностью до 10 кА/см2 за время единицы не. При частоте следования импульсов 1-2 кГц удельная средняя мощность, переключаемая SOS-диодом в нагрузку, достигает величины 10 кВт/кг.
Для увеличения импульсной мощности генератора SOS-диоды допускают параллельно-последовательное соединение без применения вспомогательных элементов для выравнивания распределения тока и напряжения. При этом общая сборка прерывателя тока выполняется в виде отдельных параллельных ветвей, каждая из которых содержит равное количество SOS-диодов.
На основе SOS-диодов возможна разработка малогабаритных наносекундных генераторов с твердотельной системой коммутации со следующим диапазоном выходных параметров: напряжение - 100 -^ 450 кВ, ток - 0.2 -М.5 кА, длительность импульса -20 + 60 не, энергия импульса — 1-ї- 10 Дж, частота следования импульсов до 1 кГц постоянно и до 5 кГц в пачке импульсов.
При работе на низкоомную нагрузку, величиной несколько Ом, SOS-диоды с параллельными корректирующими цепями способны формировать квазипрямоугольные импульсы напряжения, длительностью 100 не, амплитудой 50 кВ и током 11 кА.
Основное содержание работы
Диссертация состоит из введения, трех глав и заключения, содержит 126 страниц, включая 48 рисунков и список литературы из 87 наименований.
В первой главе дается описание SOS-эффекта, и приводятся результаты разработки SOS-диодов - новых высоковольтных полупроводниковых приборов для наносекундного обрыва тока высокой плотности. Описаны характеристики SOS-диодов и даны рекомендации по их использованию в мощной импульсной технике. Во второй главе приводятся результаты по разработке и исследованию малогабаритных генераторов наносекундных импульсов на основе SOS-диодов. Описывается схемное решение по построению сильноточных наносекундных генераторов с полностью твердотельной системой коммутации, в котором SOS-диод выполняет функцию оконечного усилителя мощности. Дается описание конструкции разработанных генераторов, и приводятся их характеристики. Третья глава посвящена исследованию возможности создания мощного импульсного генератора на SOS-диодах, способного работать на низкоомную нагрузку, величиной в единицы Ом, и формировать на ней импульсы квазипрямоугольной формы. Описывается схемный подход, экспериментальная установка и результаты проведенных исследований. В заключении приведены основные результаты, полученные в работе, и список литературы.
Принцип работы SOS-диода
Первоначально SOS-эффект был обнаружен в серийных высоковольтных полупроводниковых диодах, выпускаемых промышленностью. Этот эффект наносекундного обрыва сверхплотных токов наблюдался при определенном сочетании плотности тока и времени его протекания через полупроводниковые диоды, предназначенные для выпрямления переменного тока. При всем многообразии приборов данного типа выделяется ряд существенных параметров, по которым выпрямительные диоды отличаются друг от друга. К ним относятся частотные свойства диодов и характер восстановления напряжения при переключении с прямого на обратное. По характеристикам восстановления различают диоды с обычным режимом восстановления, называемым "жестким" и более совершенные в технологическом плане диоды с "мягким" режимом восстановления. Существует такое понятие как коэффициент мягкости, под которым понимается отношение времени спада обратного тока к длительности фазы высокой обратной проводимости. У диодов с мягким режимом восстановления этот коэффициент находится в диапазоне от единицы до двойки. Это означает отсутствие перенапряжений на диоде, которые наблюдаются у диодов с жестким режимом восстановления при переключении в контурах с индуктивным характером. Коэффициент мягкости у них меньше единицы и перенапряжения на них могут достигать 200 - 300 %.
Была проведена серия экспериментов, где проверялся характер восстановления различных диодов при переключении с прямого напряжения на обратное. Диоды работали в одинаковых условиях в режиме SOS-эффекта. Наиболее характерные примеры режима восстановления исследуемых диодов представлены на рис. 1.11. В схеме с одноконтурной накачкой при одинаковом уровне напряжения на конденсаторе накачки, равном 9.5 кВ, на диоде американского производства с мягким восстановлением типа NTE 541, работающем в качестве прерывателя тока, не удалось получить импульс напряжения с амплитудой более 10 кВ. А на российском диоде с жестким восстановлением серии СДЛ-0.4 формировался импульс напряжения с амплитудой более 20 кВ. Видно, что в условиях SOS-эффекта, который характеризуется большими плотностями тока и короткими временами накачки в отличие от режима выпрямления переменного тока, проявляются различия между диодами с мягким и жестким восстановлением. В результате проведенных экспериментов бьш сделан вывод о возможности разработки новых SOS-диодов, предназначенных не для выпрямления переменного тока, а для резкого обрыва обратного тока в системах с индуктивным накоплением энергии. Между диодами с мягким и жестким режимом восстановления существует ряд отличий с точки зрения конструктивно-технологического исполнения. Они различаются исходным профилем легирующих примесей в структуре, глубиной залегания р-п — перехода Хр, длиной базы W и удельным сопротивлением исходного л-кремния, образующего базу. Типичная диодная р - р - п - п структура для различных типов диодов приведена на рис. 1.12. В технологическом плане изготовление диода с мягким восстановлением более трудоемко по сравнению с изготовлением жестких диодов, у которых /7-область формируется диффузией алюминия в структуру и глубина залегания р-п — перехода Хр находится в пределах 100 мкм. При производстве диодов с мягким восстановлением применяются такие технологические приемы как уменьшение глубины залегания р-п - перехода Хр с одновременным увеличением резкости р-п - перехода путем создания р -области с резким градиентом концентрации акцепторов вблизи р-п - перехода [25], увеличение отношения длины базовой и-области W к величине Хр, а также использования исходного кремния с меньшим удельным сопротивлением [26, 27]. Использование этих приемов позволяет достигать очень быстрого освобождения р-п - перехода от избыточной плазмы при смене направления протекающего тока с прямого на обратное, которое препятствует росту обратного тока через структуру. При этом оставшаяся в базе диода плазма затягивает фазу спада обратного тока. Этот процесс обеспечивает мягкий режим восстановления напряжения на диоде. В работе [28] решалась обратная задача по увеличению жесткости характеристики восстановления диода. Исследовались структуры с различной глубиной залегания р-п — перехода при низких значениях плотности протекающего тока порядка 10 А/см2. Затягивание фазы высокой обратной проводимости до нескольких микросекунд и уменьшение длительности процесса спада тока до нескольких сотен наносекунд достигалось увеличением значения Хр от 50 до 100 мкм. В процессе исследования влияния различных параметров полупроводниковой структуры на явление обрыва тока в режиме SOS-эффекта были разработаны и изготовлены первые опытные прерыватели тока, отличающиеся от серийных выпрямительных диодов. Полупроводниковая р -р - п-п структура таких прерывателей, как и в силовых диодах, выполнялось по обычной диффузионной технологии. Сильнолегированные области р и п были образованы диффузией бора и фосфора соответственно. В качестве п-базы использовался электронно-легированный кремний. Диффузия алюминия с анодной стороны образует / -область. Эксперименты проводились со структурами с различной площадью и разным исходным удельным сопротивлением кремния. Также прерыватели отличались друг от друга глубиной залегания р-п — перехода и длиной базы структуры.
Характеристики SOS-диодов
Были проведены многочисленные эксперименты с опытными партиями полупроводниковых прерывателей тока для исследования влияния таких параметров, как глубина залегания р-п - перехода, длина базы, величина удельного сопротивления используемого кремния, на их основную характеристику - обрыв сверхплотных токов во временном диапазоне единиц и десятков наносекунд с получением больших перенапряжений. В результате определились оптимальные параметры для последующего изготовления SOS-диодов [57, 58]. Величина глубины залегания р-п перехода Хр была выбрана 160 - 180 мкм в связи с тем обстоятельством, что улучшение характеристик при этом значении Хр очевидно (см. рис. 1.15), а дальнейшее увеличение глубины диффузии алюминия в полупроводниковую структуру от 180 до 200 мкм не приводит к значительному улучшению характеристик прерывателя тока, но связано с существенными технологическими трудностями процесса изготовления. Также была установлена оптимальная, с точки зрения потерь энергии, величина удельного сопротивления исходного кремния 50 Ом см, и толщина пластинки кремния была выбрана 320 мкм по наиболее лучшим токовым показателям [69].
Один из вариантов исполнения SOS-диода представлен на рис. 1.13. Конструкция прерывателя представляет собой сборку последовательно соединенных элементарных диодов, расположенную между двумя дюралюминиевыми пластинами толщиной от 3 до 5 мм. Эти пластины являются электродами SOS-диода - катодом и анодом - и соединены диэлектрическими стойками квадратного или круглого сечения, выполненными из оргстекла или дифлона. Стойки также являются поддерживающими и направляющими деталями для элементарных диодов в конструкции SOS-диода. Каждый элементарный диод состоит из 4 последовательно спаянных кремниевых р -р - п -п структур толщиной по 320 мкм, которые напаяны, в свою очередь, на медную или латунную пластинку, являющуюся охладителем. На боковую поверхность полупроводниковых структур наносится специальное защитное покрытие, стойкое к трансформаторному маслу. Именно оно является основной средой, в которой работают SOS-диоды. С одной стороны трансформаторное масло выступает как диэлектрик, с другой стороны - как хладагент. Одна из пластин-электродов SOS-диода, как правило, катод, содержит винт или шпильку для регулирования прижимного усилия между элементарными диодами. Это необходимо для обеспечения надежного электрического и теплового контакта между ними. Сборка имеет компенсатор теплового расширения для того, чтобы выдерживать прижимное усилие в необходимых пределах при прогреве конструкции SOS-диода при различных тепловых нагрузках. Конечная стадия изготовления SOS-диодов заключается в проведении испытаний на специально разработанных стендах. Проводятся измерение характеристик диода на прямой и обратной накачке и определяются параметры процесса обрыва тока. SOS-диоды проходят тепловые испытания в частотном режиме работы, в котором также по наличию или отсутствию искрения в контактных областях визуально определяется качество предварительной обработки контактной поверхности элементарных диодов. Был разработан довольно широкий ассортимент SOS-диодов 61]. Приборы с различным сечением полупроводниковой структуры отличаются по величине пропускаемого и обрываемого токов. Диапазон площади сечения обычно лежит в пределах от 25 мм2 до 2.5 см2. Существуют варианты исполнения приборов с площадью сечения структуры до 4 см2, которые обрывают ток величиной более 30 кА, но производство таких диодов связано с большими технологическими трудностями. Кроме этого у них ухудшены условия отвода тепла от структуры. Приборы с различным количеством элементарных диодов в сборке имеют рабочее напряжение в диапазоне от 60 до 250 кВ из расчета около 800 вольт на одну полупроводниковую структуру. Соответственно SOS-диод может содержать от 20 до 80 элементарных диодов в сборке. SOS-диоды, предназначенные для работы в нагруженном тепловом режиме, имеют наиболее развитую поверхность охладителей. Такие приборы, работающие на частоте следования импульсов до 1 кГц в продолжительном режиме, собираются из элементарных диодов с площадью полупроводниковой структуры 0.25 - 0.5 см2 и имеют охладитель размером 30x30 мм2. Допускается параллельное соединение SOS-диодов в прерыватель тока, когда они используются в составе импульсных генераторов, в которых параметры обрываемого тока превосходят оптимальные токовые параметры для одного прибора [58].
Параметры разработанных SOS-диодов представлены в таблице 1.1. Различные варианты исполнения SOS-диодов изображены на рис. 1.19. Исследования и эксплуатация SOS-диодов в составе различных импульсных генераторов выявили их интересную особенность, которая заключается в улучшении характеристик отключения тока при нагреве полупроводниковой структуры. У силовых полупроводниковых приборов, таких, как диоды и тиристоры, когда к ним прикладывается напряжение обратной полярности, структура свободна от избыточной плазмы, и увеличение температуры приводит к пробою структуры за счет возрастания обратного тока и его локализации на неоднородностях. Что касается SOS-диода, то его база остается заполненной плотной избыточной плазмой в момент обрыва тока и генерации импульса напряжения. В экспериментах по перегреву SOS-диода было установлено, что при увеличении температуры структур в процессе работы вплоть до момента расплавления высокотемпературного припоя происходит увеличение количества выведенного заряда на стадии обратной накачки в пределах 10 - 15 %. Возрастание выводимого заряда увеличивает амплитуду тока перед обрывом и снижает время обрыва тока [61]. Этот эффект объясняется тем, что с ростом температуры увеличивается время жизни неосновных носителей в полупроводнике и, следовательно, происходит снижение потерь заряда за счет процесса рекомбинации.
Эксплуатация SOS-диодов показала, что существует еще одна особенность в его работе. В импульсных генераторах, построенных по принципу схем с индуктивным накоплением энергии, для формирования импульсов высокого напряжения в диапазоне от сотен киловольт вплоть до 1 MB допускается сборка прерывателя тока из необходимого числа последовательно-соединенных SOS-диодов [56, 64, 71, 76, 81]. При последовательном соединении полупроводниковых приборов очень важным с практической точки зрения является вопрос обеспечения равномерного распределения напряжения по структурам [31], что необходимо для надежной и безаварийной работы импульсных устройств. Для этой цели используются различного рода делители напряжения либо предпринимается ряд мер по предварительному отбору структур по вольтфарадным и вольтамперным характеристикам [14]. Эксплуатация SOS-диодов показала, что они надежно работают без применения указанных мер при любых уровнях используемого нами диапазона напряжений формируемых импульсов. Этот факт свидетельствует о том, что на стадии обрыва тока и роста напряжения на структурах в SOS-диодах существует внутренний механизм, обеспечивающий равномерное распределение напряжения по большому числу последовательно соединенных структур.
Конструкция генераторов
Разработанный новый схемный подход для построения мощных наносекундных генераторов с полностью твердотельной системой коммутации энергии был реализован в создании серии компактных генераторов импульсов напряжения вплоть до 450 кВ, выходной средней мощностью единицы и десятки кВт, частотой следования импульсов от однократных до единиц кГц и характеризующихся высокой степенью стабильности. Они предназначались для проведения экспериментов в различных областях электрофизики. Следует отметить, что при этом формировался целый комплекс испытательного оборудования и для самих SOS-диодов, позволяя получать данные по характеристикам и надежности работы SOS-диодов в различных эксплуатационных режимах. Соответственно, поставленные различные требования к выходным параметрам генераторов определяли необходимость создания нескольких моделей. Было разработано 4 типа генераторов: СМ-Ш, СМ-2Н, СМ-ЗН, СМ-4Н.
Конструктивно генераторы выполнены в настольном горизонтальном исполнении, что удовлетворяло требованиям поставленных задач. Шасси образовано из сварных стальных уголков и съемных панелей. Питание прибора осуществляется через гибкий кабель от той сети переменного тока, в условиях которой данный генератор подлежит эксплуатации. По конструктивному исполнению элементы прибора внутри корпуса разделены на два основных блока, условно разделяемых по принципу выполнения основной электрической изоляции. Низковольтные элементы устройства располагаются в воздушной части, а высоковольтные элементы помещены в бак с трансформаторным маслом. Высокое напряжение выводится через проходной изолятор со стороны лицевой панели. В разных моделях генераторов имеются конструктивные, а также незначительные схемные отличия, которые не отражаются на основной идеологии построения таких приборов. В воздушной части располагаются элементы тиристорного зарядного устройства, цепи защиты, контроля, сигнализации, диагностики, управления, а также вспомогательных схем. Практически вся элементная база ТЗУ строится на стандартных электротехнических компонентах. В качестве фильтра используются импульсные электролитические конденсаторы. Их количество определяется необходимой величиной емкости, которая должна примерно на два порядка превышать величину емкости первичного накопителя для выполнения условий его резонансного заряда и минимального снижения уровня напряжения на фильтре при отборе от него необходимой порции энергии. Зарядка фильтра осуществляется через выпрямитель, собранный на частотных силовых диодах. Выпрямитель может быть собран для трехфазной или однофазной сети переменного тока с одно-или двухполупериодным выпрямлением. Критерием выбора являются уровни входного и выходного напряжения выпрямителя, а также частота подпитки фильтра и отбора от него мощности. Если в зарядной цепи первичного накопителя С/ в качестве ключевого элемента используется диод Уз, то схема должна обеспечивать время зарядки С/ значительно превосходящее время передачи энергии из ТЗУ в магнитный компрессор МК, когда ключ VK находится в проводящем состоянии (см рис. 2.3) Время заряда t3 = ж (Ьз- Сі) й регулируется только величиной Ьз, которая выполняет роль развязывающего элемента между зарядным контуром и контуром передачи энергии в высоковольтный блок. Емкость первичного накопителя С] уже определена величиной необходимой запасаемой энергии при уровне напряжения, заданном классом по напряжению коммутирующих тиристоров VK-В случае использования в качестве Уз управляемого тиристорного ключа, который осуществляет развязку между зарядным и передающим контурами, требования к величине индуктивности Ьз снижаются. В этом случае остается только фактор максимального и среднего токов для элементов зарядной цепи, а также параметр dl/dt для полупроводникового ключа Уз. В качестве зарядной индуктивности используется катушка с воздушным охлаждением (рис. 2.5) или с водяным охлаждением, которая отличается от воздушной нали чием водяной рубашки. Управляемый ключ Уз, путем изменения времени его включения на стадии рекуперации, когда меняется полярность напряжения на С/ , позволяет осуществлять регулировку уровня напряжения на первичном накопителе, и соответственно, на выходе всего устройства. Однако, для упрощения устройства и повышения его помехоустойчивости целесообразнее в качестве Уз использовать частотный силовой диод серии ДЧ. Цепь рекуперации содержит катушку индуктивности, конструктивно выполненную аналогично зарядной, и частотный силовой диод Ур серии ДЧ, который блокирует зарядное напряжение первичного накопителя С/. Индуктивность катушки рекуперации Lp должна обеспечивать необходимое время приложения обратного напряжения к коммутационным тиристорам на стадии их запирания. Исходя из этого, а также величин максимального и среднего токов и параметра dl/dt в контуре, аналогично зарядной цепи определяются параметры элементов [43, 44, 45]. В первичном емкостном накопителе используются импульсные частотные конденсаторы типа К75-40 или К78-20, допускающие при малой скважности режим инверсии напряжения, близкого к номинальному. Уровень зарядного напряжения на Q, как правило, находится в диапазоне 700 - 900 В. Для снижения токовой нагрузки на выводы и тепловой нагрузки первичный емкостной накопитель собирается из большего количества соединенных параллельно конденсаторов небольшой емкости. Для коммутации процесса передачи энергии из ТЗУ в МК используется от одного до шести импульсных частотных тиристоров ТЧИ-100, наиболее полно отвечающих техническим и экономическим требованиям. Критерий выбора длительности процесса передачи энергии из ТЗУ в МК содержит в себе противоречие. С одной стороны, уменьшение длительности импульсов, формируемых тиристорным зарядным устройством, позволяет уменьшить объем сердечников магнитных элементов, тем самым, упростить конструкцию магнитного компрессора и повысить его эффективность. С другой стороны, уменьшение времени вывода энергии из ТЗУ до нескольких микросекунд обуславливает увеличение протекающих в контуре максимального и среднего токов, а также величины dl/dt. Это требует применения большого числа параллельно работающих быстродействующих тиристоров, что усложняет систему первичной коммутации энергии, а главное, снижает ее надежность. В связи с этим, оптимальное время вывода энергии из ТЗУ лежит в диапазоне 15 25 микросекунд при энергии импульса от единиц до десятков джоулей. Длительность этого процесса определяется индуктивность разрядного контура ТЗУ, которая состоит из индуктивности Li дополнительной воздушной бескаркасной катушки индуктивности с большим сечением проводника и индуктивности рассеяния первичной обмотки импульсного трансформатора ИТ1. В ТЗУ используются силовые полупроводнико-вые элементы штыревой конструкции, которые для облегчения теплового режима и повышения эффективности устройства устанавливаются на алюминиевые радиаторы воздушного или водяного охлаждения. Воздушное охлаждение может быть принудительным с использованием вентиляторов и естественным. Штыревая конструкция приборов позволяет их монтировать на один радиатор при параллельном подключении, что упрощает конструкцию ТЗУ.
Формирование квазипрямоугольного импульса
При включении генератора в сеть переменного тока с фазным напряжением 220 В от схемы выпрямления и удвоения напряжения происходит зарядка первичного емкостного накопителя С2 до 600 В (см. рис 3.1 и 3.2). Зарядный ток конденсатора С2 протекает по первичной обмотке трансформатора ИТ, при этом происходит перемагничивание его сердечника, что приводит импульсный трансформатор в состояние готовности к последующему процессу передачи энергии из ТЗУ в конденсатор С высоковольтного блока. Этот процесс передачи энергии начинается при включении тиристорного коммутатора V4 внешним запускающим сигналом и длится 55 мкс. Параметры контура передачи выбраны таким образом, что к моменту насыщения сердечника трансформатора ИТ в конденсаторе С2 остается напряжение около 100 - 150 В. После насыщения сердечника трансформатора ИТ остаточное напряжение на Сг меняет свою полярность на противоположную, после чего начинается процесс рекуперации энергии. Ток рекуперации протекает по первичной обмотке трансформатора ИТ и по элементам Уз -12 тиристорного зарядного устройства. Падением напряжения на катушке Z-2 происходит восстановление запирающих свойств тиристора V4. В течении времени передачи энергии и ее рекуперации в первичном емкостном накопителе, когда тиристор V4 открыт, источник питания отделен от контура передачи энергии дросселем І/. После процесса рекуперации и восстановления тиристора V4 тиристорное зарядное устройство готово к следующему циклу заряда накопительного конденсатора Сг. При частоте следования импульсов 5 Гц, при которой проводились эксперименты, зарядный процесс конденсатора С2 состоит из 10 последовательных импульсов тока, определяемых частотой питающей сети.
Высоковольтный модуль работает следующим образом. При включении тиристора V4 в ТЗУ энергия из конденсатора Сг передается через повышающий импульсный трансформатор ИТ в конденсатор Сг на уровень напряжения ІҐ 65-70 кВ и полярностью, указанной на рис. 3.2. При этом ток заряда конденсатора С1" протекает через обмотку магнитного ключа MS, автоматически перемагничивая его сердечник. Зарядное напряжение (Ґ накопителя (? прикладывается к промежуточному искровому разряднику Р, который имеет два последовательных симметричных зазора. Во время этого процесса напряжение по зазорам разрядника распределяется равномерно посредством емкостного де лителя напряжения Су - Су. Автоматический запуск разрядника осуществляется элементами Vy, Су, Ry как это описано в [53, 54]. После окончания зарядного процесса, когда напряжение ІҐ достигает своего максимального значения, происходит насыщение сердечника трансформатора ИГ. При этом конденсаторы Су, заряженные до напряжения ІҐ, перезаряжаются через вторичную обмотку трансформатора ИГ и напряжение на среднем электроде разрядника меняет свою полярность. В течении времени перезаряда конденсаторов Су напряжение на высоковольтном электроде разрядника Р и накопителе С удерживается диодом Vy. Такой процесс изменения напряжений на электродах разрядника эквивалентен подаче на его средний электрод импульса запуска с полярностью, противоположной основному напряжению. Сначала срабатывает высоковольтный зазор разрядника Р, а затем низковольтный - между средним электродом и заземленным. Резистор Ry предотвращает разряд С на Су, пока не пробит низковольтный зазор разрядника Р.
При пробое разрядника Р начинается процесс прямой накачки прерывателя тока SOS. Происходит замыкание цепи C+-Z+-C -Z"- SOS - Р -С (рис. 3.2). Энергия из конденсатора С передается в конденсатор С", который заряжается до напряжения порядка 60 - 65 кВ с полярностью, указанной на рисунке. Через SOS-диоды протекает ток в прямом направлении, т.е. происходит прямая накачка полупроводникового прерывателя тока - тем самым осуществляется накопление избыточной электронно-дырочной плазмы в полупроводниковых структурах, которая необходима для последующего пропускания обратного тока. При нарастании напряжения на конденсаторе С" происходит обратное пе-ремагничивание сердечника магнитного ключа MS. Процесс зарядки конденсатора С" длится около 500 не, а величина тока в контуре достигает 8 кА. Параметры элементов схемы подобраны так, что когда напряжение на С" достигает своего максимального значения 65 кВ, сердечник MS насыщается и происходит срабатывание магнитного ключа MS. Замыкается цепь контура обратной накачки полупроводникового прерывателя С- MS - SOS -L -C (рис. 3.2). Энергия из конденсатора С переводится в индуктивность контура обратной накачки. Ток в этом контуре за 80 - 100 не достигает величины 18 кА и затем происходит обрыв тока в SOS-диодах за время 10 - 15 не. Ток обратной накачки контура переключается в нагрузку Ян через параллельно ей установленные корректирующие цепочки Сфі - Ьфі и Сф2 - Ьф2, которые преобразуют форму выходного импульса напряжения из экспоненциальной в квазипрямоугольную.
