Содержание к диссертации
Введение
ГЛАВА 1. Принцип действия и коммутационные возможности РВД
1.1. Физические основы работы РВД 16
1.2. Основные эксплуатационные характеристики РВД и способы их оптимизации 27
1.3. Коммутационные возможности РВД 35
1.4. Выводы 50
ГЛАВА 2. Принципы РВД-схемотехники
2.1. Принципы построения схем запуска РВД 52
2.2. Принципы построения схем мощных РВД-переключателей .
2.3. Принципы построения схем импульсных РВД-устройств 102
2.4. Выводы 115
ГЛАВА 3. Мощные РВД-переключатели
3.1. РВД-переключатели с питанием цепи управления от силовой цепи 118
3.2. РВД-переключатели с автономным питанием цепи управления 128
3.3. РВД-переключатели с эстафетным запуском динисторных блоков 138
3.4. Выводы 146
ГЛАВА 4. Мощные низкочастотные РВД-устройства
4.1. РВД-устройства с микросекундной длительностью фронта выходных импульсов 150
4.2. РВД-устройства с субмикросекундной длительностью фронта выходных импульсов 177
4.3. РВД-устройства с наносекундной длительностью фронта выходных импульсов 197
4.4. Выводы 208
ГЛАВА 5. Мощные высокочастотные РВД-устройства
5.1. Высокочастотный РВ Д-генератор униполярных импульсов 210
5.2. Высокочастотные РВД-инверторы 217
5.3. РВД-преобразователь постоянного напряжения 228
5.4. Выводы 236
Заключение
6.1. Основные результаты 238
6.2. Перспективы импульсных устройств на основе РВД 241
Цитируемая литература 247
Список публикаций 250
- Основные эксплуатационные характеристики РВД и способы их оптимизации
- Принципы построения схем импульсных РВД-устройств
- РВД-переключатели с эстафетным запуском динисторных блоков
- РВД-устройства с субмикросекундной длительностью фронта выходных импульсов
Введение к работе
Для развития многих областей современной импульсной энергетики необходимо создание сильноточных устройств, способных переключать мега и гигаваттные импульсные мощности за времена от долей микросекунды до сотен микросекунд. Причем в последние годы наряду с традиционными областями использования мощных электрических импульсов (лазерная, ускорительная и локационная техника, управляемый термоядерный синтез, электропривод крупных технических систем) начали быстро развиваться новые промышленные технологии - электроразрядная очистка индустриальных газовых выбросов и сточных вод, системы высокочастотного индукционного нагрева, различные импульсные магнитные технологии и т.д.
На стадии эксперимента многие задачи, связанные с быстрой коммутацией больших мощностей, могут решаться с помощью различного рода управляемых разрядников, игнитронов, тиратронов - традиционных и сравнительно недорогих переключателей. Однако при использовании импульсных технологий в промышленности переход к полупроводниковым приборам представляется неизбежным, поскольку только они обладают достаточно большим сроком службы, особенно при работе в частотных режимах. Известными достоинствами полупроводниковых переключателей являются также высокий КПД, бесшумность в эксплуатации, мгновенная готовность к работе и экологическая безопасность.
В этой связи проблема разработки и исследования мощных импульсных устройств на основе новых быстродействующих полупроводниковых приборов - реверсивно включаемых динисторов (РВД) является важной и актуальной.
Перспективы использования полупроводниковых приборов в мощных устройствах импульсной энергетики определяются максимальным уровнем
переключаемой ими мощности, предельной скоростью нарастания коммутируемого тока и потерями энергии в процессе переключения.
Как известно, переключение любого биполярного полупроводникового прибора осуществляется в результате заполнения электронно-дырочной плазмой области обратно смещенного коллекторного n-р перехода, которая в исходном состоянии имеет очень большое электрическое сопротивление и блокирует приложенное к прибору внешнее напряжение.
Так как подвижность электронов и дырок сравнительно невысока, то быстрое переключение возможно лишь при небольшом межэлектродном расстоянии. Поэтому предельная величина блокируемого напряжения в быстродействующих полупроводниковых приборах, как правило, не превышает нескольких киловольт.
Из-за ограниченной величины блокируемого напряжения высокий уровень переключаемой мощности достигается путем увеличения коммутируемого тока. При этом, вследствие сравнительно низкой предельной концентрации носителей в электронно-дырочной плазме, малые потери энергии могут быть получены лишь в том случае, когда площадь токопроводящей области велика, а распределение тока в ней достаточно однородно.
Традиционными полупроводниковыми переключателями мощных устройств импульсной энергетики являются силовые кремниевые тиристоры. Они имеют малое стационарное падение напряжения после окончания переходного процесса переключения, высокую перегрузочную способность и сравнительно малую стоимость, вследствие простой технологии изготовления.
Малое стационарное падение напряжения определяет возможность длительного пропускания мощных импульсов тока. Так, например, силовые тиристоры 6RT50HT (фирма SPCO) с диаметром полупроводникового элемента 125 мм и максимальным блокируемым напряжением ~ 5 кВ в миллисекундном диапазоне способны
коммутировать импульсы тока с амплитудой в несколько десятков килоампер. При этом величина переключаемой мощности составляет десятки мегаватт.
Однако в микросекундном диапазоне коммутационные возможности силовых тиристоров резко снижаются. Этот недостаток обусловлен тем, что процесс их переключения начинается в узкой области у электрода управления и очень медленно (0,1-0,5 мм/мкс) распространяется по площади полупроводниковой структуры [1]. Перегрев областей первоначального включения ограничивает предельную скорость нарастания коммутируемых импульсов тока на уровне несколько сотен ампер в микросекунду.
Естественным путем повышения однородности переключения тиристоров является использование разветвленного электрода управления, позволяющего разбить структуру прибора на небольшие секции, размер которых соизмерим с размером областей первоначального включения. Однако при этом уменьшается токопроводящая площадь тиристора после окончания процесса переключения и резко увеличивается амплитуда управляющего тока.
Так, например, в разработанных фирмой ABB специальных импульсных тиристорах GCT (Gate Commutated Thyristor) электрод управления занимает примерно половину площади полупроводниковой пластины. При достаточной амплитуде (> 1 кА) и скорости нарастания (> 1 кА/мкс) тока управления устраняется возможность динамической локализации [2] и включение происходит одновременно вдоль всего периметра электрода управления. В этих условиях приборы с диаметром структуры 105 мм и предельным блокируемым напряжением 4,5 кВ способны коммутировать импульсы тока с амплитудой 140 кА при длительности импульсов 40 мкс. Вследствие более сложной технологии изготовления стоимость GCT существенно выше, чем у силовых тиристоров.
Основными проблемами при использовании импульсных тиристоров является сложность обеспечения большой амплитуды и скорости нарастания тока управления и несинхронное переключение при групповом соединении. Значительный (несколько сотен наносекунд) разброс моментов переключения определяет потенциальную ненадежность высоковольтных сборок последовательно соединенных тиристоров из-за возможности пробоя еще не включившихся приборов.
Серьезными конкурентами мощным импульсным тиристорам являются биполярные транзисторы с полевым управлением IGBT (Insulated Gate Bipolar Transistors), способные очень быстро (за сотни наносекунд) включаться и выключаться с помощью импульса напряжения, формируемого в цепи управления.
Принципиальными достоинствами этих приборов являются высокая синхронность включения при групповом соединении и малая мощность в цепи управления. Основной недостаток IGBT-транзисторов состоит в том, что технология их изготовления очень сложна. В результате стоимость IGBT в 3 - 4 раза превышает стоимость импульсного тиристора с близкими коммутационными возможностями.
Современные технологические методы не позволяют изготовить IGBT на ток более 100-200 А и сильноточные IGBT-переключатели выпускаются в виде отдельных модулей, состоящих из нескольких дорогостоящих приборов, заключенных в общий корпус. Максимальный ток модуля не превышает нескольких килоампер, предельное блокируемое напряжение не более 3-4 кВ.
Перспективной альтернативой тиристорам и транзисторам в области больших мощностей являются двухэлектродные полупроводниковые приборы - динисторы, переключаемые с помощью управляющего плазменного слоя [3].
Принцип коммутации с управляющим плазменным слоем заключается в следующем. Если в четырехслойном полупроводниковом приборе
отказаться от электрода управления и каким-либо способом создать равномерно распределенный в плоскости коллекторного р-п - перехода слой электронно-дырочной плазмы, то внешнее напряжение будет однородно по площади перемещать из этого слоя дырки в р-область, а электроны - в n-область. Эти носители являются основными для базовых р- и n-областей и понижают потенциальный барьер эмиттерных р-п-переходов. В результате осуществляется однородная инжекция неосновных носителей в соответствующие базовые области, инициирующая однородное переключение прибора по обычному механизму [4].
Если плотность плазмы в управляющем слое достаточно велика и на каждом участке структуры величина запускающего заряда превышает некоторый критический уровень [5], необходимый для его переключения, то включение прибора происходит одновременно по всей площади. Причем из-за технологической неоднородности электрофизических свойств на разных участках рабочей площади однородное развитие процесса переключения достигается только при значительном превышение плотности накопленного заряда qy критического уровня qKp.
В ФТИ им. А.Ф.Иоффе были исследованы различные способы формирования управляющего плазменного слоя - импульсный лавинный пробой коллекторного р-п-перехода [6], ударная ионизация в мощном СВЧ-поле [7], ионизация мощным когерентным [8] и некогерентным [9] импульсом света.
Все они дали хорошие результаты (осуществлена коммутация импульсов тока с амплитудой несколько десятков килоампер и скоростью нарастания несколько килоампер в микросекунду), но не нашли широкого применения. Основной причиной является большая сложность построения систем управления, способных обеспечить при этих способах переключения требуемую плотность запускающего заряда qy » qKp.
Наиболее удобным и энергетически выгодным оказался реверсивно-инжекционный способ формирования управляющего плазменного слоя путем кратковременного изменения полярности исходного напряжения [1*], реализованный в реверсивно включаемых динисторах (РВД) [18*, 22*].
Для осуществления управляющего воздействия в четырехслойную структуру РВД введена плотная система каналов обратной проводимости. При реверсе блокируемого напряжения через них протекает ток управления, обратный по отношению к коммутируемому току. Протекание тока управления обеспечивает инжекцию электронов и дырок в базовые области и накопление запускающих носителей равномерно распределенных по площади динистора. В результате процесс переключения РВД развивается однородно по всей площади структуры и сопровождается очень малыми коммутационными потерями энергии.
Целью диссертационной работы является разработка принципов построения и создание РВД-устройств с мега и гигаваттной импульсной мощностью, способных в микро, субмикро и наносекундном диапазоне коммутировать импульсы тока с амплитудой от единиц до сотен килоампер.
В соответствие с поставленной целью решаются следующие задачи:
экспериментальное исследование РВД в режимах быстрой коммутации больших мощностей
разработка принципов РВД-схемотехники
разработка и исследование мощных РВД-переключателей и импульсных устройств на их основе.
Так как РВД являются новыми мощными полупроводниковыми приборами с оригинальным принципом запуска, отличным от принципа запуска традиционных полупроводниковых переключателей, то принципиальную новизну имеют результаты, полученные автором при исследовании режимов переключения и предельных эксплуатационных
параметров РВД, а также разработанные им принципы построения схемотехники и конструкций мощных РВД-устройств для различных областей применения. При выполнении диссертационной работы впервые
1. Осуществлен реверсивно-инжекционный запуск РВД путем реверса
блокируемого напряжения и пропускания в обратном направлении
короткого (1-2) мкс импульса тока управления. Установлено, что при
достаточной амплитуде тока управления переключение РВД происходит
однородно по всей площади полупроводникового элемента и без задержки
относительно момента окончания запускающего воздействия.
2. Определены характеристики предаварийных режимов работы РВД:
резкое увеличение амплитуды и длительности коммутационного пика
напряжения в момент переключения при недостаточной мощности сигнала
управления, и появление второго пика напряжения в конце импульса
силового тока при чрезмерном разогреве полупроводниковой структуры
динистора.
Получены рекордные для одиночного полупроводникового прибора амплитуда (300 к А) и скорость нарастания (50 кА/мкс) коммутируемых импульсов тока. Показано, что при переключении импульсов тока микро и субмикросекундного диапазона длительности коммутационные возможности РВД в несколько раз превышают возможности лучших современных импульсных тиристоров.
Разработаны принципы построения схем запуска РВД в цепях с резким нарастанием коммутируемого тока, основанные на использовании разделительных магнитных элементов (дросселей и трансформаторов с насыщающимися сердечниками), оригинальных токоформирующих цепей и цепей рекуперации.
5. Разработаны принципы построения мощных РВД-переключателей,
основанные на использовании блоков параллельно и последовательно
соединенных РВД, запускаемых с помощью
а) низковольтных цепей управления и повышающих импульсных
трансформаторов, подключенных параллельно или последовательно с
блоком РВД
б) индивидуальных цепей управления, подключенных параллельно
каждому из последовательно соединенных динисторов
в) высоковольтных цепей управления с эстафетно переключаемыми
маломощными РВД-блоками.
Предложен режим двухступенчатого запуска РВД, позволяющий существенно уменьшить необходимую для однородного переключения амплитуду тока управления. Он осуществляется путем пропускания через динистор небольшого и короткого (1-2) мкс импульса прямого тока в интервале между моментом окончания импульса обратного тока управления и моментом резкого нарастания силового тока. Разработаны способы создания этого режима, основанные на использовании энергии цепей управления или силовых цепей.
Разработаны принципы построения генераторов мощных импульсов микро, субмикро и наносекундного диапазона длительности, основанные на использовании РВД-переключателей, отсекающих диодов и обостряющих цепей в виде диодных прерывателей тока.
Разработаны принципы построения мощных высокочастотных РВД-инверторов, основанные на использовании динисторно-диодных коммутирующих цепей и цепей рекуперации.
Практическая ценность работы определяется созданием РВД-устройств с мега и гигаваттнои импульсной мощностью, способных работать на частотах от единиц герц до десятков килогерц и коммутировать импульсы тока с амплитудой в десятки и сотни килоампер.
Разработанные устройства обладают высоким КПД, малыми габаритами и небольшой стоимостью, определяемой простой технологией изготовления реверсивно включаемых динисторов. Они нашли применение в лазерной и локационной технике, используются для
импульсного питания электрофильтров, электроразрядной очистки сточных вод, баллистической магнитной сепарации лома цветных металлов, очистки промышленных газовых выбросов коронным разрядом, а также в высоковольтных преобразователях постоянного напряжения и в системах высокочастотного индукционного нагрева.
Результаты диссертационной работы и опытные образцы разработанных
РВД-устройств использованы в Институте электрофизической аппаратуры
им. Д.В.Ефремова (С.Петербург), во Всероссийском институте
экспериментальной физики (Саров), в Институте инновационных и
термоядерных исследований (Троицк, московская обл.), в Институте
проблем электрофизики (С.Петербург), в Государственном техническом
университете (С.Петербург), в Университете железнодорожного
транспорта (С.Петербург), в Институте по передаче электроэнергии
постоянным током (С.Петербург), в НПО «Астрофизика» (Москва), в
Технологическом институте (Екатеринбург), в АО
«Электровыпрямитель» (Саранск), в Российском АО «Высокоскоростные магистрали» (С.Петербург), а также в Ливерморской национальной лаборатории (США), в Дрезденском техническом университете (Германия), в Техническом университете Эйндховена (Нидерланды), в Институте полупроводников (Хебей, Китай), в Институте лазерной инженерии (Миньян, Китай), в Институте инженерной электроники (Хефей, Китай), в Корейском электротехнологическом институте (Чангвон, Корея), в Институте науки и технологии (Сеул, Корея), в фирмах Scientific Utilization, Inc. (Хантсвилл, США), Beltran, Inc. (Нью Йорк, США) и Magnet Motor (Стамберг, Германия).
Материалы работы представлены на Международной конференции по мощной электронике (Токио, Япония, 1983), на Всесоюзном совещании «Преобразовательная техника в энергетике» (Ленинград, 1984), на III Всесоюзной конференции «Применение лазеров в технологии, системах передачи и обработки информации» (Таллин, 1987), на VIII Всесоюзном
симпозиуме по сильноточной электронике (Свердловск, 1990), на XI и XII Международных конференциях по мощным пучкам частиц (Прага, Чешская Республика, 1996 и Хайфа, Израиль, 1998), на Международном симпозиуме «Electro Med 99» (Норфолк, США, 1999), на Международной конференции по мощным электрическим технологиям (Гренобль, Франция, 1998), на III Международном симпозиуме «Российские технологии для индустрии» (С.Петербург, 1999), на I Международном конгрессе по сильноточной электронике (Томск, 2000), на VI Всероссийском симпозиуме «Электротехника 2010» (Московская обл., 2001), на Американской конференции по электромагнитному излучению (Анаполис, США, 2002), на Европейском симпозиуме по импульсной энергетике (Сант Луис, Франция, 2002), на 45 Международном симпозиуме по мощной электронике (Нюренберг, Германия, 2002).
По теме диссертации опубликовано 65 научных работ. Среди них 37 статей в отечественных и зарубежных журналах, 7 авторских свидетельств на изобретение, 8 патентов и 2 свидетельства на полезную модель.
Диссертация состоит из пяти глав, заключения и списка литературы. В первой главе рассмотрены физические основы работы РВД и определены их коммутационные возможности. Во второй главе рассмотрены основные принципы РВД-схемотехники. В главах 3-5 на примерах разработанных РВД-переключателей, РВД-генераторов и высокочастотных РВД-инверторов показаны принципы построения мощных РВД-устройств с микро, субмикро и наносекундным фронтом коммутируемых импульсов. В разделе «Заключение» сформулированы основные результаты работы и определены перспективы импульсных устройств на основе РВД.
На защиту выносятся следующие положения: 1. При плотности и длительности тока управления соответственно (25-50) А/см2 и (1 -2) мкс и плотности запускающих инжекционных каналов не менее (300-600) на квадратный сантиметр переключение РВД происходит
однородно по площади и без задержки относительно момента окончания запускающего воздействия.
В результате однородного переключения коммутационные возможности РВД более чем в два раза превосходят возможности лучших современных импульсных тиристоров с той же площадью полупроводникового элемента и возрастают практически пропорционально рабочей площади.
Отсутствие задержки включения обеспечивает синхронное переключение последовательно соединенных динисторов и равномерное распределение напряжения между ними в процессе запуска без внешних динамических делителей напряжения.
Уникальные коммутационные возможности РВД, а также простота их последовательного и параллельного соединения позволяют конструировать РВД-переключатели с гига и тераватной импульсной мощностью.
Амплитуда необходимых для однородного переключения РВД импульсов тока управления может быть в несколько раз уменьшена при двухступенчатом запуске, когда в интервале между моментом окончания тока управления и моментом резкого нарастания коммутируемого тока через динистор пропускается короткий (1-2) мкс импульс прямого тока с плотностью (20-40) А/см2.
Резкое увеличение амплитуды и длительности коммутационного пика напряжения на РВД в момент переключения и появление второго пика в установившемся режиме коммутации свидетельствуют, соответственно, о недостаточной мощности сигнала управления и о чрезмерном нагреве структуры динистора. Эти явления могут быть использованы для определения границ режима безопасной работы РВД.
Профильное распределение концентраций рекомбинационных центров в базовых областях РВД, полученное при облучении протонами со стороны анодного эмиттера, позволяет обеспечить уникальное для
полупроводниковых приборов тиристорного типа сочетание основных эксплуатационных параметров (блокируемого напряжения, времени выключения и коммутационных потерь энергии), позволяющее на частоте в десятки килогерц коммутировать импульсные мощности в десятки мегаватт.
Разработанные принципы построения мощных РВД-переключателей обеспечивают возможность коммутации субмегаамперных импульсов тока, нарастающих со скоростью в несколько десятков килоампер в микросекунду при уровне напряжения в десятки киловольт и уровне коммутируемой энергии в единицы мегаджоулей.
Разработанные принципы построения мощных РВД-генераторов позволяют формировать импульсы тока микросекундного диапазона длительности с амплитудой в несколько сотен килоампер, а нано и субмикросекундного диапазона с амплитудой в единицы и десятки килоампер при мега и гигаваттной импульсной мощности.
Разработанные принципы построения мощных РВД-инверторов обеспечивают возможность коммутации импульсов тока с амплитудой в единицы и десятки килоампер, следующих с частотой в десятки килогерц при уровне напряжения в десятки киловольт.
Основные эксплуатационные характеристики РВД и способы их оптимизации
Пролет электронов через р-базу обусловлен диффузией и дрейфом во встроенном электрическом поле, возникающем вследствие неоднородного распределения акцепторов. В первом приближении величина х может быть определена [15] в виде где wp- ширина р-базы, 0 «10 - коэффициент, учитывающий встроенное электрическое поле.
Из выражений (11-13) следует, что величина минимально допустимой плотности тока управления РВД возрастает пропорционально увеличению скорости нарастания коммутируемого тока, но может быть существенно снижена при уменьшении ширины р-базы. Технологическая сложность изготовления ограничивает величину wp на уровне 35-50 мкм. При этом х = 0.1-0.2 мкс.
Более подробный анализ динамики процесса переключения РВД проведен в [16, 17]. Из него, в частности, следует, что высокая эффективность введенного в структуру РВД запускающего заряда достигается лишь при достаточно большом (не менее 1 мкс) времени жизни носителей в р-базе. Снижение эффективности управляющего воздействия обусловлено потерями части заряда Qy при разряде емкости коллектора в процессе реверса приложенного напряжения ( 0,5 мкКл/см2) и емкости обратносмещенного катодного эмиттера в начальный момент коммутации прямого тока ( 0,8 мкКл/см ), а также рекомбинационными потерями, величина которых может достигать (30-50)% от полного заряда Qy, если время жизни неосновных носителей в базовых областях РВД сравнимо с длительностью тока управления.
Реверс напряжения на РВД в процессе формирования тока управления приводит к потерям энергии вследствие перераспределения исходного напряжения между элементами цепи коммутации. Для уменьшения этих потерь управляющее воздействие должно быть предельно коротким. Однако чрезмерное уменьшение ty нецелесообразно, так как при этом необходимая для сохранения Qy амплитуда тока управления может оказаться очень высока, что усложняет процесс формирования тока 1у по причине увеличения потерь энергии и понижения надежности ключевых элементов цепи управления. Кроме того, при большой плотности тока управления уменьшается коэффициент инжекции центрального п-р перехода РВД, что снижает эффективность накопления заряда в управляющем слое. По-видимому, оптимальная величина ty находится в пределах 1 -2 мкс.
На рис. 1.1.2 представлены типичные осциллограммы коммутируемого тока и падения напряжения на опытных образцах РВД при разной амплитуде импульсов тока управления, полученные при исследовании однородности их переключения.
Динисторы имели диаметр структуры 24 мм (РВД-24), максимально допустимое блокируемое напряжение Um 2 кВ и время выключения tq 50 мкс. Шунты анодного и катодного эмиттеров были выполнены в виде цилиндров с диаметром -250 мкм. Расстояние между их центрами составляло соответственно 400 и 1000 мкм.
Однородность переключения определялась путем регистрации рекомбинационного излучения из токопроводящих участков рабочей площади. Для вывода излучения в катодном металлическом покрытии динисторов вытравливались оптические окна (диаметр окон -400 мкм, расстояние между их центрами 2 мм), а в прижимном токосъеме со стороны катода проделывались сквозные отверстия. Общее время регистрации излучения разбито на два этапа длительностью 2.5 мкс, совпадающих с фронтом и спадом силового тока 1= 5 кА.
При Iy 100 А динисторы переключаются практически однородно по площади с малыми коммутационным пиком напряжения UK 40 В (кривая 2) и временем установления стационарной проводимости tK 5 мкс. При увеличении амплитуды тока управления величина UK монотонно уменьшается и при 1у 350 А достигает минимального значения 20 В (кривая 3). Дальнейшее увеличение 1У не приводит к снижению UK, что связано в основном с уменьшением коэффициента инжекции центрального n-р перехода при повышении плотности тока управления.
При 1у 100 А однородность переключения нарушается. В результате резко возрастают UK и tK. При Iy 10 А площадь первоначального включения составляет менее 30 % от рабочей площади динисторов и в интервале между этапами регистрации рекомбинационного излучения увеличивается незначительно. В результате напряжение на динисторах (кривая 1) вообще не достигает стационарного значения Uc-r 7 В, соответствующего однородному распределению тока по площади.
На рис. 1.1.3. представлен график зависимости минимальной плотности тока управления jy min, необходимой для однородного переключение РВД-24, от длительности управляющего воздействия ty. Полученный график показывает, что увеличение ty более 4-5 мкс нецелесообразно. При этом возрастают потери энергии в цепи управления, а величина jymjn практически не уменьшается из-за потерь вводимого заряда вследствие рекомбинации и диффузионного выноса носителей из управляющего плазменного слоя.
Принципы построения схем импульсных РВД-устройств
Естественным путем увеличения предельной мощности, коммутируемой РВД-переключателем, является повышение допустимого блокируемого напряжения при последовательном соединении динисторов и увеличение предельной амплитуды коммутируемых импульсов тока при использовании динисторов с большей площадью структуры или при параллельном соединении РВД.
О высокой надежности мощных РВД-переключателей, состоящих из большого количества последовательно и параллельно соединенных динисторов свидетельствуют многочисленные эксперименты [45 ], выполненные в ФТИ им. А.Ф.Иоффе, НИИЭФА, НИИПТ и ВНИИЭФ.
Так, эксперименты с высоковольтными (10-30 кВ) блоками последовательно соединенных РВД показали, что при достаточно мощном запускающем воздействии переключение всех динисторов происходит одновременно и без задержки относительно момента окончания тока управления. При этом распределение напряжения между РВД в процессе переключения практически одинаково и не требуется дополнительных мер для его выравнивания.
Небольшая (5-10 %) неравномерность распределения напряжения между РВД до момента их переключения легко устраняется с помощью маломощных статических делителей - высокоомных резисторов или варисторов.
При исследовании параллельно соединенных блоков РВД было установлено, что их электрическое сопротивление при коммутации быстронарастающих импульсов тока определяется, в основном, не динамическим сопротивлением динисторов (оно очень мало), а монтажной индуктивностью блоков РВД и токоподводящих шин. Поэтому при симметричном подключении блоков небольшое отличие динамических сопротивлений отдельных динисторов не нарушает высокой равномерности токораспределения.
Так, например, в экспериментах с блоками РВД, состоящими из 5 и более последовательно включенных динисторов, при использовании схем запуска с общим дросселем насыщения и общей цепью управления неравномерность распределения тока между блоками не превышала 10 % и сохранялась при произвольной замене динисторов в блоках.
Полученные результаты свидетельствуют о том, что в режимах быстрой коммутации больших мощностей, а именно в таких режимах проявляются основные преимущества реверсивно включаемых динисторов, распределение тока между параллельными блоками РВД в мощном РВД-переключателе достаточно равномерно и не требуется дополнительных мер для его выравнивания. При необходимости равномерность токораспределения может быть улучшена путем отбора динисторов по падению напряжения или при использовании схем запуска с принудительным распределением коммутируемого тока. Одна из таких схем с индуктивными делителями тока и автономными цепями управления приведена на рис. 2.2.1.
В этой схеме РВДгРВДз запускаются при включении тиристора Т в результате перезаряда запускающих конденсаторов Сі-Сз через цепи управления, состоящие из индуктивностей L1-L3 и низкоомных резисторов Ri-R3, фактически не влияющих на формирование токов управления. При этом идентичные дроссели насыщения ЬогЬоз ограничивают скорость нарастания тока в цепи силового конденсатора Со. Для обеспечения синхронного насыщения дросселей Loi-Ьоз их рабочие обмотки намотаны на общий сердечник. 68
В момент приложения к динисторам обратного напряжения через них замыкаются токи индуктивностей L1-L3, являющиеся токами управления.
Последующее переключение РВДрРВДз происходит в момент резкого уменьшения индуктивностей дросселей Loi-Ьоз при насыщении общего сердечника. Резисторы RrR3 обеспечивают рассеяние энергии, остающейся в цепи Ту после запуска динисторов.
Так как потери энергии в динисторах при протекании тока управления малы, то амплитуда и длительность тока управления определяются, в основном, параметрами цепей управления и могут быть практически одинаковы. При этом в структурах РВДГРВД3 накапливается близкий по величине заряд запускающих носителей, что определяет практически одинаковые коммутационые потери энергии в процессе нарастания силового тока.
Равномерное распределение силового тока по параллельным динисторным ветвям обеспечивают разделительные дроссели L0i-L03, имеющие фактически одинаковые реактивные сопротивления в насыщенном состоянии, величина которых существенно превышает динамические сопротивления РВД после их переключения.
РВД-переключатели с эстафетным запуском динисторных блоков
Если цепь нагрузки малоиндуктивна, не обладает вентильными свойствами и допускает воздействие обратного напряжения, то целесообразно использовать схему запуска на основе трансформатора с насыщающимся сердечником [3 ] (см. рис. 2.2.3).
Принципы действия схем на рис. 2.2.2 и 2.2.3 очень близки. Отличия состоят в том, что в схеме на рис. 2.2.3 нет разделительного дросселя насыщения, а вторичная обмотка повышающего трансформатора Тр включена в силовую цепь последовательно с РВД. В результате ток управления блока РВД протекает через цепь нагрузки, а силовой ток -через обмотку w2 трансформатора Тр после насыщения его сердечника.
Длительность тока управления 1У определяется интервалом времени с момента включения тиристора Ту и до момента насыщения сердечника трансформатора Тр. После насыщения сердечника Тр магнитная связь между его обмотками существенно ослабляется и индуктивности обмоток становятся очень малы. При этом происходит резкое нарастание силового тока, к блоку РВД прикладывается прямое напряжение, он переключается и коммутирует ток разряда силового конденсатора.
В процессе коммутации силового тока в цепи управления ЦУ происходит перезаряд конденсатора Су через первичную обмотку wb После окончания тока перезаряда остающаяся в Су энергия рассеивается в цепи Ду - Ry.
Сравнительно низкие возможности тиристоров при коммутации коротких быстронарастающих импульсов тока управления затрудняют использовать ЦУ на рис. 2.2.2 и 2.2.3 для переключения сильноточных (десятки и сотни кА) блоков РВД, состоящих из мощных динисторов с большим (более 500 А) током управления. Это связано с необходимостью формирования достаточно мощного тока Ijy = Iy w2/wi в цепях тиристоров Ту. При малом (1-2 кВ) выходном напряжении ЦУ и большом (20-30 кВ) напряжении заряда Со амплитуда и скорость нарастания тока 1Ту становятся недопустимо велики.
Естественно, уменьшение амплитуды и скорости нарастания тока 1Ту можно получить путем увеличения напряжение заряда запускающих конденсаторов. Однако при этом необходимо использовать сборки из последовательно соединенных тиристоров, что явно нежелательно. В этой схеме переключение каждого из последовательно соединенных РВД осуществляется с помощью автономной цепи управления ЦУ. В процессе запуска динисторов общий дроссель насыщения L0 обеспечивает отделение цепей управления от цепи разряда силового конденсатора Со После включения тиристоров Ту происходит перезаряд конденсаторов Су и формирование необходимого тока управления РВД аналогично схеме на рис. 2.1.7. Благодаря идентичности цепей управления и равенству напряжений предварительного заряда конденсаторов Су (равномерность деления напряжения обеспечивается высокоомными резисторами R) параметры импульсов тока управления для каждого из последовательно соединенных РВД практически совпадают. При этом во всех динисторных структурах накапливается фактически одинаковый заряд запускающих носителей, достаточный для однородного переключения без задержки относительно момента приложения исходного напряжения. Так как этот момент для всех динисторов блока совпадает с моментом насыщения сердечника дросселя L0, то переключение РВД осуществляется синхронно и без перенапряжений. Важной особенностью рассмотренной схемы является высокая надежность работы тиристоров Ту, каждый из которых коммутирует ток разряда автономного конденсатора Су. При этом даже значительная несинхронность моментов включения тиристоров не вызывает существенного увеличения напряжения на отстающих с переключением приборах, так как оно ограничивается конденсаторами Су, обеспечивающими достаточно малую скорость нарастания блокируемого напряжения. Основным недостатком ЦУ на рис. 2.2.4 являются большие габариты и стоимость тиристоров Ту, так как для получения малых потерь энергии при коммутации быстронарастающих импульсов тока управления мощных РВД они должны иметь разветвленный электрод управления и большую площадь структуры. Экономически более выгодным представляется переключение мощного блока РВД при помощи запускающего блока РВД] [15 ] (см. рис. 2.2.5), состоящего из недорогих динисторов с небольшой рабочей площадью и малым током управления. Переключение блока РВДі осуществляется с помощью цепи управления ЦУі и разделительного дросселя насыщения Ly. В схеме на рис. 2.2.5 в исходном состоянии силовой конденсатор С0 и запускающий конденсатор Су (Су«Со) заряжены до одинакового напряжения Uo. При включении ЦУі через блок РВДі протекает небольшой ток управления ІУ. В момент насыщения сердечника разделительного дросселя Ly к блоку РВДі прикладывается прямое напряжение, он без задержки переключается и коммутирует импульс тока перезаряда конденсатора Су. В момент возникновения на Су небольшого обратного напряжения он шунтируется основным блоком РВД. При этом ток цепи управления ЦУ переключается в блок РВД и является током управления Іу. В процессе формирования тока 1у накопленная в Ly энергия медленно рассеивается на низкоомном резисторе Ry. Так как коммутационные возможности динисторов блока РВДі велики, то амплитуда и скорость нарастания тока 1у может быть высока.
РВД-устройства с субмикросекундной длительностью фронта выходных импульсов
Благодаря малым коммутационным потерям энергии и однородному по площади переключению РВД имеют очень большую (несколько десятков килоампер в микросекунду) предельную скорость нарастания коммутируемого тока. Поэтому скорость нарастания тока в импульсных цепях на их основе ограничивается, как правило, не коммутационными возможностями динисторов, а общей индуктивностью силовой цепи L .
Так как в мощных силовых цепях микро и субмикросекундного диапазона индуктивности РВД-переключателя и разделительного магнитного коммутатора обычно составляют значительную часть L , то их уменьшение приводит к существенному увеличению скорости нарастания силового тока.
Естественным путем уменьшения индуктивности мощного РВД-переключателя является увеличение количества параллельно включенных РВД-ветвей, уменьшение собственной индуктивности динисторов, использование коаксиальных конструкций и выполнение токоподводов в виде коаксиальных кабелей или бифилярных шин.
Поскольку толщина структуры РВД очень мала ( 1 мм), то его собственная индуктивность определяются, в основном, размерами таблеточного корпуса, предохраняющего динистор от агрессивного влияния внешней среды. При этом эффективным путем уменьшения индуктивности РВД является уменьшение высоты его корпуса.
В высоковольтных блоках РВД при малой средней мощности коммутационных потерь энергии целесообразным является соединение нескольких структур РВД в один общий изолирующий корпус. Такому соединению в немалой степени способствует отсутствие в РВД электродов управления и возможность запуска последовательно соединенных динисторов от общей цепи управления.
Для снижения индуктивности магнитного коммутатора необходимо уменьшать площадь сечения его сердечника So и число витков обмотки w0 (предельный вариант - один коаксиальный виток). Однако при этом уменьшаются время перемагничивания сердечника до состояния насыщения At w0So и задержка резкого нарастания силового тока, определяющая длительность тока управления РВД. При малой длительности тока 1у его амплитуда и скорость нарастания должны быть велики, чтобы обеспечить введение в структуру динистора требуемого для его однородного переключения запускающего заряда Qy. Для увеличения амплитуды и скорости нарастания тока 1у необходимо уменьшать индуктивность цепи управления ЦУ. Радикальным путем является использование нескольких цепей управления, соединенных параллельно. Альтернативным способом формирования мощных быстронарастающих импульсов тока управления является использование в ЦУ обостряющего дросселя насыщения L, как показано на рис. 2.2.7. В этой схеме в исходном состоянии силовой конденсатор Со и запускающий конденсатор Су (СУ«С0) заряжены до напряжения Uo и Ucy (UCy Uo). После включения ключа К происходит быстрая передача энергии из Су в дополнительный конденсатор С (С=СУ) и заряд С до напряжения Uc Uo. В процессе заряда конденсатора С дроссель L имеет большую индуктивность и препятствует ответвлению тока в цепь диода Д. В момент прекращения зарядного тока происходит насыщение сердечника дросселя L, резкое уменьшение его индуктивности и быстрый разряд конденсатора С по цепи L-Д-РВД-Со (током в цепи нагрузки ZH можно пренебречь так как его нарастанию препятствует разделительный дроссель LQ, имеющий очень большую исходную индуктивность). Проходящий через РВД ток разряда конденсатора С является током управления 1у. Длительность тока управления определяется моментом насыщения сердечника дросселя L0. При этом конденсатор С очень быстро разряжается по цепи L-fl-L0-Z„, к РВД прикладывается прямое напряжение, он переключается и коммутирует импульс силового тока I. Диод Д препятствует ответвлению тока І в цепь управления. Параметры дросселя L выбираются так, чтобы его индуктивность в насыщенном состоянии была очень мала. В результате обеспечивается высокая скорость нарастания тока управления РВД и накопление необходимого запускающего заряда происходит очень быстро. Высокая скорость ввода запускающих носителей определяет малую длительность управляющего воздействия ty и малое время перемагничивания сердечника разделительного дросселя At «ty. Малое At позволяет обеспечить малую индуктивность L0 в насыщенном состоянии и высокую скорость нарастания силового тока. Основным недостатком рассмотренной схемы является необходимость использования дополнительного блока питания, обеспечивающего предварительный заряд запускающего конденсатора Су. В схеме на рис. 2.2.8 заряд конденсаторов Со и Су осуществляется одновременно [4 ]. После включения ключа К через индуктивность Ly протекает ток перезаряда конденсатора Су. Так как потери энергии в цепи перезаряда малы, то Су перезаряжается до большого обратного напряжения, соизмеримого с исходным напряжением его заряда. В процессе формирования тока перезаряда обостряющий дроссель насыщения L препятствует протеканию тока в цепи низкоомного резистора R.
