Полупроводниковые генераторы с импульсной мощностью 10^8-10^9 вт на основе субнаносекундных коммутаторов тока Любутин Сергей Константинович

Содержание к диссертации

Введение

1. Субнаносекундныи обрыв тока в SOS-диодах 13

1.1. Обнаружение эффекта субнаносекундного обрыва тока в SOS-диодах 13

1.2. Принцип работы субнаносекундного SOS-диода 19

1.3. Характеристики субнаносекундных SOS-диодов 23

Выводы 28

2. Генераторы коротких импульсов на основе субнаносекундных SOS-диодов 35

2.1. Схемы генераторов 35

2.2. Генераторы с пиковой мощностью 50-100 МВт 43

2.3. Генераторе пиковой мощностью до 500 МВт 53

Выводы , 58

3. Генераторы с диодными обострителями 76

3.1. Принцип работы генераторов с диодными обострителями на основе задержанной ударно-ионизационной волны 76

3.2. Генератор с длительностью импульса 1 не и пиковой мощностью 50 МВт 80

3.3. Генератор с пиковой мощностью до 1 ГВт 86

3.4. Устранение предимпульсов на нагрузке в генераторах с SOS-диодами 92

3.5. Генератор с обострителем на основе туннельно-ударного ионизационного фронта 94

Выводы 99

Заключение 116

Литература 118

• Принцип работы субнаносекундного SOS-диода
• Генераторы с пиковой мощностью 50-100 МВт
• Принцип работы генераторов с диодными обострителями на основе задержанной ударно-ионизационной волны
• Генератор с обострителем на основе туннельно-ударного ионизационного фронта

Введение к работе

Актуальность темы.

Основой наносекундной сильноточной импульсной техники являются генераторы мощных импульсов напряжения и тока. Поэтому для большинства промышленных технологий определяющими характеристиками импульсных генераторов становятся высокая частота повторения импульсов, большая средняя мощность, стабильность параметров импульса, надежность, компактность в сочетании с ресурсом непрерывной работы в несколько лет. Увеличение импульсной мощности генератора возможно либо за счет увеличения энергии импульса при сохранении его длительности, либо за счет укорочения длительности импульса с той же самой энергией. Поскольку габариты и масса генератора возрастают с увеличением энергии импульса, то второй путь наиболее перспективен для создания компактных мощных генераторов. При снижении длительности выходного импульса наиболее жесткие требования предъявляются к выходному коммутатору энергии, время коммутации которого для эффективной передачи энергии в нагрузку должно лежать в субнаносекундном диапазоне при формировании импульсов длительностью в единицы наносекунд. Из субнаносекундных коммутаторов наиболее широко применяются три типа, способных работать с высокой частотой следования импульсов: магнитный ключ, полупроводниковый коммутатор (в основном дрейфовые диоды с резким восстановлением и диодные обострители на основе задержанной ударно-ионизационной волны) и искровой разрядник. К началу 90-х годов уровень максимально достигнутых параметров генераторов на магнитных ключах и генераторов с полупроводниковыми коммутаторами характеризовался относительно невысокими значениями по импульсной мощности (десятки МВт) и напряжению (десятки кВ). В диапазоне импульсной мощности в сотни МВт и напряжения в сотни кВ твердотельные субнаносекундные коммутаторы тока отсутствуют, и искровые разрядники оставались, до недавнего времени, единственным средством для формирования мощного короткого импульса. 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). Было показано, что эффект наблюдается в p+.p._H.n⁴-_J~rpy_11Typav тірі. прд.^.^ип^,,,.,, _по_

tQC НАЦІНИ

Cflctepe

ОЭ 10

teptopr rf I

рядка 10'⁸+10'⁶ с и плотности обратного тока до 60 кА/см², а время обрыва тока при этих условиях лежит в диапазоне от единиц до десятков наносекунд.. Очевидно, что исследование и применение данного эффекта для разработки > твердотельных субнаносекундных коммутаторов тока и создание на их основе сверхмощных полупроводниковых генераторов является актуальной научно-технической задачей.

Цели диссертационной работы:

экспериментальное исследование эффекта субнаносекундного обрыва тока в SOS-диодах;

разработка сильноточных твердотельных генераторов частотного режима работы с субнаносекундным прерывателем тока;

создание сверхмощных твердотельных диодных обострителей на основе задержанной ударно-ионизационной волны;

разработка сильноточных твердотельных генераторов со сверхмощными диодными обострителями для формирования коротких импульсов с субнаносекундным фронтом.

Научная новизна

Основные результаты работы относятся к категории полученных впервые:

1. Обнаружен и экспериментально исследован эффект субнаносекундного обрыва тока в SOS-диодах. Показано, что при уменьшении времени обратной накачки с 80т 100 не до 10+15 не время обрыва тока уменьшается с 5+ 10 не до 500+700 пс.

2. Разработан субнаносекундный SOS-диод с сочетанием рекордных коммутационных характеристик: скорость коммутации -8-Ю¹² А/(см²-с), амплитуда напряжения -450 кВ, скорость нарастания напряжения на нагрузке -10¹⁴ В/с, обрываемый ток -2 кА, время обрыва тока -800 пс.

3. На основе субнаносекундных SOS-диодов создан генератор импульсов с мощностью 500 МВт, длительностью импульса 5+6 не и выходным напряжением до 450 кВ, работающий с частотой следования импульсов 300 Гц постоянно и до 3.5 кГц в режиме пачки импульсов.

4. Показана возможность формирования сверхмощных коротких импульсов полупроводниковыми диодными обострителями на основе задер-

жанной ударно-ионизационной волны. Достигнут уровень мощности 1 ГВт при напряжении 150-5-230 кВ и длительности импульса 1-5-2 не.

5. Предложен и реализован способ устранения предимпульсов на нагрузке при прямой и обратной накачке субнаносекундного SOS-диода с помощью диодного обострителя на основе задержанной ударно-ионизационной волны.

6. Экспериментально реализован сверхбыстрый механизм коммутации тока в полупроводниках на основе туннельно-ударного ионизационного фронта. В передающей 50-омной линии сформированы импульсы амплитудой 150-4-160 кВ, импульсной мощностью 500 МВт и длительностью 1.4 не. Фронт импульса напряжения лежит в диапазоне 200-5-250 пс, а максимальные скорости роста тока и напряжения в линии составляют 10 кА/нс и 500 кВ/нс соответственно.

Практическая ценность работы

Предложенные новые подходы, результаты экспериментальных исследований, технические разработки и конструкторские решения позволили создать класс новых сверхмощных полупроводниковых генераторов на основе субнаносекундных коммутаторов тока. Разработанные генераторы имеют импульсную мощность в сотни МВт, напряжение в сотни кВ и длительность выходного импульса в единицы не. Главной отличительной особенностью таких генераторов является полностью твердотельная система коммутации энергии, что обеспечивает сочетание таких качеств как: высокая частота следования импульсов, высокая стабильность формы и параметров выходных импульсов, компактность и надежность, большой срок службы.

Такое сочетание качеств имеет большое практическое значение и позволяет разработанным устройствам найти широкое применение в различных областях электрофизики и ее технологических применений.

Положения, выносимые на защиту

1. Субнаносекундный обрыв тока реализуется в SOS-диоде при времени прямой накачки 30-НО не, времени обратной накачки 10-5- 15 не и плотности обратного тока

2. Разработанные SOS-диоды с глубиной залегания р-n перехода 200-5-220 мкм позволяют работать в субнаносекундной временной области и обеспечивают следующий диапазон коммутационных характеристик:

скорость коммутации 10¹²+10¹³ А/(см²-с), амплитуда напряжения 100+450 кВ, скорость нарастания напряжения на нагрузке -10¹⁴ В/с, плотность обрываемого тока 2+4 кА/см², время обрыва тока 0.5+2 не.

3. На базе субнаносекундных SOS-диодов возможна разработка компактных полупроводниковых генераторов со следующим диапазоном выходных параметров: пиковая мощность 50+500 МВт, выходное напряжение 50+450 кВ, скорость нарастания выходного напряжения -10¹⁴ В/с, длительность импульса 1+6 не, частота следования импульсов 1 +5 кГц.

4. Применение диодных обострителей на основе задержанной ударно-ионизационной волны в качестве развязки между выходом оконечного усилителя мощности импульсного генератора и нагрузкой позволяет устранить предимпульсы от прямой и обратной накачки на выходной форме импульса напряжения.

5. Применение мощного полупроводникового питающего генератора со скоростью нарастания выходного напряжения 10¹⁴ В/с позволяет реализовать режим задержанной ударно-ионизационной волны в диодном обострителе с большим числом полупроводниковых структур и формировать на 50-омной нагрузке импульсы с субнаносекундным фронтом мощностью 500 МВт+1 ГВт и длительностью 1 +2 не.

6. При подаче на полупроводниковую структуру импульса обратного напряжения амплитудой 10 кВ за время 1 не в структуре реализуется коммутация тока в режиме туннельно-ударного ионизационного фронта. При плотности коммутируемого тока 13 кА/см² время коммутации лежит в диапазоне 200+250 пс.

Реализация результатов работы

Высокочастотные импульсные генераторы на основе субнаносекундных коммутаторов тока применялись при проведении прикладных исследований в различных областях электрофизики: для генерирования мощных импульсов СВЧ-излучения, генерирования сильноточных пучков электронов, накачки газовых лазеров, для получения стримерного коронного разряда систем удаления токсичных примесей из воздуха и т. п. Разработанные коммутаторы и высокочастотные импульсные генераторы на их основе эксплуатируются в следующих отечественных и зарубежных организациях:

1. Институт электрофизики УрО РАН, Екатеринбург

2. Техасский технический университет, Лаббок, США

3. Аэроспэйс Рисеч Эйджэнси, Лондон, Великобритания

4. Компания Эксион Текнолоджиз, Реховот, Израиль

5. Институт прикладной электроники, Миньянг, Китай

6. Северо-западный Институт ядерной техники, Сиань, Китай

7. Институт полупроводниковой техники, Хэбэй, Китай Апробация работы и публикации

Материалы работы докладывались на следующих Международных конференциях, симпозиумах и семинарах: Международная конференция по мощной импульсной технике (США-1993, 1995, 1997, 1999,2001), Международная конференция по мощным пучкам частиц (США-1994, Чешская Рес-публика-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 36 печатных работ.

Вклад автора в диссертационную работу состоит в разработке конструкций и проектировании экспериментальной техники, проведении расчетов и экспериментов, интерпретации полученных результатов.

Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, трех глав и заключения, содержит 127 страниц, включая 59 рисунков и список литературы из 94 наименований.

Принцип работы субнаносекундного SOS-диода

Проведенные по обнаружению субнаносекундного обрыва тока в SOS-диодах экспериментальные исследования подтвердили тезис о том, что SOS-диод обладает свойством, которое состоит в улучшении характеристики отключения тока при увеличении скорости ввода тока в прерыватель. Полученные времена обрыва тока (500- 700 пс) согласуются с выводами, сделанными на основе численного моделирования [68]. Эти выводы гласят, что обрыв тока определяется процессами, происходящими в узких высоколегированных областях р -р-n-n -структуры, свободных от избыточной плазмы. Обрыв тока носит динамический характер и может быть не связан с образованием протяженного в пространстве объемного заряда из-за процессов интенсивного лавинного размножения носителей в сильном электрическом поле, и удаление всей избыточной плазмы из структуры не является необходимым условием для резкого обрыва обратного тока. К моменту начала обрыва тока в центральной части базы еще остается электронно-дырочная плазма, концентрация которой может существенно превышать уровень легирования базы.

Дальнейшие проведенные эксперименты и сделанные на их основе теоретические исследования динамики электронно-дырочной плазмы показали, что процесс субнаносекундного обрыва тока качественно отличается от процесса обрыва тока при длинных временах накачки [28, 79]. Расчет процессов динамики электронно-дырочной плазмы проводился С. Н. Цырановым. Исследовалась структура SOS-диода с глубокой диффузией алюминия, приведенная на рис. 1.7. Глубина залегания р-n перехода составляла 220 мкм при общей толщине пластинки кремния 320 мкм. В структуре р -область была образована диффузией бора, р область -диффузией алюминия, п -и п -области -диффузией фосфора. В качестве п -базы использован электронно-легированный кремний с удельным сопротивлением 50 Ом см. В расчетах использовался прерыватель, содержащий 80 последовательно соединенных таких структур с площадью 0.24 см2. Теоретические исследования показали, что процесс субнаносекундного обрыва тока качественно отличается от процесса обрыва тока при длинных временах накачки. Для расчета процессов динамики электронно-дырочной плазмы использовалась физико-математическая модель, описанная в [27]. Бьшо установлено, что при коротких временах прямой накачки t 50 не и плотности прямого тока 1 кА/см распределение концентрации накопленных носителей вблизи р -р перехода имеет два характерных максимума в отличие от режима с длинной прямой накачкой (300- 600 не), когда образуется только один максимум концентрации. Моделирование показало, что возникновение второго максимума обусловлено наличием встроенного поля вблизи р -р перехода. Условие существования двух концентрационных максимумов определяется величиной прошедшего заряда и при t 50 не оно выполняется при Q = (2 -5) 10 5 Кл/см2. Величина концентрации носителей в максимумах при этом составляет (1-ь2) 10 см" . При переходе к длинным временам прямой накачки и соот ветственном увеличении Q концентрация носителей растет, р -р переход заливается плотной плазмой, и в распределении формируется только один максимум концентрации величиной 1017 см 3. Двум концентрационным максимумам соответствуют и два минимума концентрации накопленных носителей. Один из них расположен между р -областью и первым максимумом, а второй - между двумя максимумами. На стадии обратной накачки и при последующем обрыве тока в сечениях структуры с минимальной концентрацией плазмы образуются два соответствующих максимума поля, необходимого для генерации дополнительных носителей заряда и прохождения тока. На рис. 1.8 показана динамика изменения концентрации избы- точной плазмы и электрического поля в структуре при субнаносекундном обрыве тока плотностью 3.8 кА/см3. На рисунках выделена часть структуры в р -области до р-n перехода, где непосредственно происходят процессы обрыва тока и появления области сильного поля. Величина А в модели определяется из выражения: А = р - Na = п - Nj, где pan- полные концентрации дырок и электронов, NawNd- концентрации акцепторов и доноров соответственно.

Первое распределение (рис. 1.8 а) соответствует началу процесса обрыва тока, когда его величина уменьшилась на 5 %. Последнее распределение (рис. 1.8 г) соответствует завершающей стадии обрыва тока, когда на структуре развивается максимальное напряжение. Промежуток времени между первым и последним распределением, который и представляет собой длительность коммутационного процесса, составляет 740 пс.

Анализ результатов моделирования показал, что субнаносекундный обрыв тока реализуется благодаря трем основным факторам. Первый из них связан с существованием двух независимых областей сильного поля, которые одновременно расширяются и перекрывают друг друга в конце процесса коммутации, образуя единую область поля со средней напряженностью около 200 кВ/см и шириной около 50 мкм. Второе обстоятельство обусловлено низкой концентрацией избыточной плазмы, что определяет высокую скорость движения как границ плазмы, так и границ поля. При этих условиях средняя скорость образования единой области поля, ответственной за обрыв тока, достигает 70 % от насыщенной скорости носителей в кремнии, что в 6-7 раз выше скорости образования области сильного поля при длинных временах накачки. В-третьих, для реализации субнаносекундного обрыва тока необходимо использовать структуры с максимально возможной шириной р- области, когда глубина залегания р-n перехода лежит в диапазоне 200 -220 мкм. Это связано с тем, что при субнаносекундном обрыве тока реализуются более высокие скорости движения границ плазм.

Генераторы с пиковой мощностью 50-100 МВт

Проведенные экспериментальные и теоретические исследования эффекта субнано-секундного обрыва тока и создание на этой основе субнаносекундных прерывателей тока показало, что на этой основе возможна разработка генераторов мощных коротких импульсов с полностью твердотельной системой коммутации энергии.

Как уже отмечалось, длительность импульса накачки субнаносекундного прерывателя составляет несколько десятков наносекунд, что примерно на порядок меньше длительности накачки наносекундного SOS-диода. Следовательно, наиболее существенным для построения генераторов на основе субнаносекундных прерывателей тока является необходимость осуществления короткой накачки субнаносекундного SOS-диода. В первой главе был показан один из возможных подходов для создания генераторов с субнаносе-кундным прерывателем. Этот подход основывается на применении двух последовательных каскадов обострения. Развернутая блок-схема такого подхода приведена на рис. 2.1. На блок-схеме выделены первый и второй каскад обострения соответственно. Первый каскад обострения содержит тиристорное зарядное устройство ТЗУ, магнитный компрессор МК и оконечный усилитель мощности на основе наносекундного прерывателя тока -SOSI, ТЗУ состоит из первичного емкостного накопителя, цепи зарядки и рекуперации энергии, тиристорного ключа. Тиристорное зарядное устройство осуществляет дозированный отбор энергии от сети. После ТЗУ энергия за время порядка нескольких десятков микросекунд при напряжении 1-2 кВ поступает в магнитный компрессор МК. Магнитный компрессор является согласующим звеном между ТЗУ и прерывателем тока, и формирует на выходе импульсы длительностью несколько сотен наносекунд и напряжением в сотни киловольт. Кратко коснемся ряда отличительных особенностей схемы звена маг нитного компрессора, применяемой в генераторах с полностью твердотельной системой коммутации энергии [30]. Схема МК с двумя ячейками сжатия приведена на рис. 2.2. Емкостной накопитель каждой ячейки сжатия выполнен в виде двух последовательно соединенных конденсаторов, равных по емкости. К нижним конденсаторам каждой ячейки параллельно подключены магнитные ключи. В каждой ячейке магнитного компрессора за счет инверсии напряжения на нижних конденсаторах происходит двойное сжатие энергии и увеличение выходного напряжения примерно в 2 раза без учета потерь энергии. Амплитуда импульса на выходе МК равна: UMK 2 -U-nyKWr, где п -число ячеек сжатия энергии, U-гзу -напряжение первичного емкостного накопителя, Кит -коэффициент трансформации трансформатора ИТ. Необходимо отметить, что поскольку в данном типе магнитного компрессора перемагничивание сердечников магнитных ключей происходит автоматически ввиду различного направления протекания тока заряда и разряда по каждому магнитному ключу, то отпадает необходимость в дополнительных цепях для перемагничивания. Сформированные магнитным компрессором импульсы подаются далее на прерыватель тока. После срабатывания наносекундного прерывателя тока SOS1 на выходе первого каскада формируется импульс накачки для субнаносекундного прерывателя тока -SOS2. Таким образом, первый каскад обострения представляет собой генератор высоковольтных импульсов на основе наносекундного SOS-диода [29].

Сформированный первым каскадом импульс поступает (см. блок-схему на рис. 2.1) на второй каскад обострения, состоящий из схемы согласования и субнаносекундного прерывателя SOS2. Схема согласования реализует двухконтурнуго накачку прерывателя в режиме усилением обратного тока и состоит из конденсатора обратной накачки С и ключа обратной накачки MS. На рис. 2.3 приведены эпюры токов и напряжений, поясняющие работу второй ступени обострения. Выходной импульс первого каскада U заряжает кон + денсатор С, ток зарядки С одновременно является током прямой накачки I субнаносе кундного диода SOS2. За время зарядки конденсатора обратной накачки перемагничива-ется ключ MS. После его насыщения в субнаносекундный прерыватель SOS2 вводится обратный ток I , превышающий прямой ток. При этом энергия из конденсатора обратной накачки С переводится в энергию индуктивности обратного контура. В момент максимума обратного тока происходит срабатывание субнаносекундного прерывателя SOS2. После обрыва тока на грузке RH формируется короткий высоковольтный импульс UH длительностью несколько наносекунд.

Вышеописанный способ построения короткоимпльсных генераторов на основе субнаносекундных SOS-диодов обладает как рядом преимуществ, так и рядом недостатков, ограничивающих применение данного подхода. Прежде всего, необходимо отметить простоту, надёжность и дешевизну данного похода. Стоит также отметить, что при конструктивном исполнении двух ступеней обострения в виде двух отдельных модулей, данный подход позволяет иметь установку с выходными характеристиками, перекрывающими широкий диапазон по длительности выходного импульса, от нескольких единиц наносекунд до нескольких десятков наносекунд.

Наиболее существенным недостатком данного схемного решения является пониженная эффективность передачи энергии из первого каскада обострения во второй. Это обусловлено следующим: процесс перемагничивания ключа обратной накачки MS второго каскада обострения происходит частью тока прямой накачки прерывателя SOS1. При этом прямое падение напряжения на диоде SOS1 мало. Вследствие этого ток перемагничивания MS недостаточен для эффективного использования магнитных свойств сердечника MS, т. е. для получения больших рабочих приращений индукции АВ. Таким образом, малые рабочие приращения индукции сердечника MS и необходимость обеспечения низкой индуктивности ключа MS в насыщенном состоянии для быстрого (менее чем за 15 не) ввода большого обратного тока в субнаносекундный SOS-диод приводят к необходимости использовать большой объём сердечника MS и, как следствие, к большим потерям энергии при перемагничивании. Это ограничивает применение данного подхода для построения частотных генераторов с субнаносекундным SOS-диодом по энергии импульса, выходной импульсной мощности и частоте срабатывания. С практической точки зрения данный подход оптимален для построения переносных малогабаритных генераторов на основе субнаносекундного прерывателя с выходной пиковой мощностью в десятки МВт и с частотой следования импульсов в сотни Гц, когда потребляемая мощность не превышает 1 кВт.

Для построения генераторов на основе субнаносекундного SOS-диода с выходной пиковой мощностью в сотни МВт и с частотой повторения в единицы кГц более перспективным является подход, схемная идеология которого в виде блок-схемы приведена на рис. 2.4. Отметим главные особенности данного подхода. Как нетрудно убедиться, в основе этого подхода, как и в основе подхода с двумя последовательными ступенями обострения, лежит схемная концепция построения генераторов с полностью твердотельной системой коммутации. Как уже отмечалось, магнитный компрессор МК формирует на выходе импульсы с параметрами, определяемыми характеристиками прерывателя и параметрами импульса, которые нужно получить в нагрузке. В данном случае время вывода энергии из МК равно времени прямой накачки субнаносекундного SOS-диода. Амплитуда импульсов на выходе магнитного компрессора в общем случае зависит от отношения требуемой амплитуды импульса на нагрузке и коэффициента перенапряжения при обрыве тока субнаносекундным прерывателем.

Принцип работы генераторов с диодными обострителями на основе задержанной ударно-ионизационной волны

На основе субнаносекундных SOS-диодов было разработано и построено несколько частотных малогабаритных короткоимпульсных генераторов. Генераторы предназначались для отработки схемотехнических решений и экспериментов по изучению субнано-секундного обрыва тока, а также для моделирования новых технологий в лабораторных условиях и для экспериментов в различных областях электрофизики [79].

На основе подхода, при котором для формирования выходного импульса используется две последовательные ступени обострения, был разработан генератор, развивающий максимальную импульсную мощность -50 МВт при внешнем импедансе - 50 Ом. Электрическая схема генератора приведена на рис. 2.8. В конструктивном плане генератор выполнен в виде двух отдельных законченных блоков, электрически связанных между собой. Первый блок представляет собой первую ступень обострения, которая формирует импульсы накачки для субнаносекундного прерывателя. Вторая ступень обострения с суб-наносекундным SOS-диодом выполнена, соответственно, в виде второго блока.

В качестве первой ступени обострения был использован частотный импульсный генератор на основе наносекундного SOS-диода, позволяющей на активной нагрузке получать импульсы напряжения с амплитудой 30+80 кВ, током 300+800 А, длительностью 25+60 не.

Поскольку в данной работе основное внимание уделяется принципам и особенностям построения генераторов с субнаносекундным SOS-диодом, по этому лишь кратко остановимся на принципе действия и особенности конструкции зарядного генератора.

Зарядный генератор является устройством с полностью твердотельной системой коммутации энергии. Предварительно энергия, необходимая для формирования импульса, накапливается в тиристорном зарядном устройстве ТЗУ. Далее энергия из ТЗУ поступает в магнитный компрессор МК при напряжении -750 В за время 16 мкс. Магнитный компрессор МК осуществляет сжатие энергии во времени до -300 не. Наносекундный прерыватель SOS1 играет роль оконечного усилителя мощности, формируя короткий высоковольтный наносекундный импульс напряжения.

Конструктивно генератор выполнен в виде прямоугольного корпуса, имеющего днище и две торцевые панели: лицевую и заднюю. Корпус имеет съёмную П-образную крышку. Внутри корпуса элементы генератора разделены на две части. В воздушной части расположены низковольтные элементы ТЗУ с первичным накопителем С1. Высоковольтные элементы магнитного компрессора МК и наносекундный SOS-диод помещены в бак из нержавеющей стали, заполненный трансформаторным маслом. Для вывода высокого импульсного напряжения используется проходной коаксиальный изолятор, который крепится к торцевому фланцу внутри бака. Система охлаждения обеспечивает теплоотвод от элементов генератора в режиме продолжительной работы (8 ч) с частотой 100 Гц. Элементы ТЗУ охлаждаются с помощью вентилятора. Высоковольтные элементы МК и SOS-диоды отводят тепло в масло. В таблице II приведены основные параметры зарядного генератора. Внешний вид генератора приведён на рис. 2.9.

После срабатывания первой ступени обострения, сформированный импульс накачки положительной полярности поступает на вторую ступень обострения с субнаносекунд-ным SOS-диодом. Электрическая схема второй ступени (см рис. 2.8 П), содержит субна-носекундяый прерыватель SOS2, ёмкость обратной накачкн Сн» магнитный ключ обратной накачки MS , промежуточный индуктивный накопитель L и промежуточную ёмкость Сц. Импульс положительной полярности заряжает ёмкость Сц до напряжения 40 кВ за время 30 не. Ток зарядки этой ёмкости амплитудой 500 А одновременно является током прямой накачки субнаносекундного прерывателя SOS2. После насыщения сердечника ключа MS начинается процесс обратной накачки прерывателя SOS2 и энергия из Сн переводится в индуктивность контура обратной накачки, которая состоит из индуктивности обмотки насыщенного ключа MS и индуктивности промежуточного индуктивного накопителя L. Ток обратной накачки субнаносекундного прерывателя возрастает до своего максимального значения 1.5 кА за время 15 не. В этот момент времени происходит обрыв тока прерывателем за время 500 пс, и энергия из контура обратной накачки передаётся в нагрузку RH В виде короткого высоковольтного импульса отрицательной полярности. Промежуточная ёмкость Сп служит для повышения эффективности передачи энергии из индуктивности контура обратной накачки в нагрузку после срабатывания прерывателя, ввиду наличия в цепи нагрузки паразитной индуктивности.

В качестве прерывателя SOS2 использовался ранее описанный в главе 1 субнаносе-кундный прерыватель на максимальное рабочее напряжение 90 кВ и обрываемый ток 1.5 кА. (см. рис. 1.9, поз. 2). Ёмкость Сн представляла собой сборку из малоиндуктивных керамических высоковольтных конденсаторов типа КВИ-3. Величина ёмкости -340 пФ. Ключ обратной накачки MS имел обмотку из двух витков, выполненных медной фольгой для получения максимального коэффициента заполнения. В качестве магнитного сердечника ключа MS были использованы 7 колец К120х80х10 мм из пермаллоя марки 50НП с толщиной ленты 5=10 мкм, В данном случае использование неоптимального с точки зрения КПД пермаллоя было обусловлено, прежде всего, требованием достижения минимально возможной индуктивности ключа обратной накачки MS в насыщенном состоянии, а также тем, что получение относительно высокого КПД всего генератора в целом не являлось доминирующим критерием. Промежуточный индуктивный накопитель пред-ставлял собой 4 витка медной шины 2x1 мм диаметром 30 мм индуктивностью 200 нГн. Промежуточная ёмкость Сп была набрана из малоиндуктивных высоковольтных керамических конденсаторов КВИ-2, и её величина составляла 8 пФ.

Генератор с обострителем на основе туннельно-ударного ионизационного фронта

Для исследований в области релятивисткой СВЧ-электроники и сильноточной ускорительной техники на основе субнаносекундных SOS-диодов был разработан генератор SM-3NS с максимальной импульсной мощностью до 500 МВт [79]. Постоянная частота следования импульсов генератора составляет 300 Гц. В режиме пачки импульсов длительностью 30 секунд частота следования импульсов составляет 3.5 кГц. Генератор выполнен в виде настольного блока и имеет размеры 850x650x400 мм при массе около І 20 кГ.Генератор SM-3NS построен по такой же схемной концепции, что и вышеописанный генератор SM-2NS, а именно: импульсы накачки для субнаносекундного SOS-диода формируются непосредственно магнитным компрессором МК. На рис. 2.19 приведена электрическая схема генератора. Энергия, накопленная в первичном емкостном накопителе С1 поступает в магнитный компрессор МК при напряжении -900 В за время 14 мкс. Далее МК сжимает энергию во времени до десятков наносекунд, чем обеспечивается необходимый режим накачки субнаносекундного прерывателя тока. Согласование работы МК и субнаносекундного SOS-диода осуществляется с помощью схемы согласования, состоящей из конденсатора обратной накачки С4, магнитного ключа обратной накачки MS и промежуточного индуктивного накопителя L. В таблице IV приведены значения напряжения и времени его воздействия в различных точках схемы, демонстрирующие процесс сжатия энергии.

Рассмотрим более подробно работу оконечного усилителя мощности генератора, содержащего выходное звено МК (конденсатор СЗ и импульсный трансформатор ИТ2), схему согласования (конденсатор С4, ключ обратной накачки MS) и субнаносекундный прерыватель тока SOS. Конденсатор СЗ через импульсный трансформатор ИТ2 заряжается от предыдущего накопителя МК за 250 не до напряжения -250 кВ. При этом ток заряда протекает по магнитному ключу обратной накачки MS и перемагничивет его сердечник. После насыщения сердечника ИТ2 начинается процесс прямой накачки субнаносекундно-го прерывателя тока SOS, при котором энергия из конденсатора СЗ передаётся в конденсатор обратной накачки С4 за время 40 не. Амплитуда тока прямой накачки составляет -1.5 кА. При достижении на конденсаторе С4 уровня напряжения 180 кВ насыщается сердечник магнитного ключа MS и в субнаносекундный прерыватель за время —15 не вводится обратный ток величиной -4 кА. После обрыва тока субнаносекундным SOS-диодом на нагрузке RH формируется короткий высоковольтный импульс напряжения.

Внешний вид генератора приведён на рис. 2.20. В конструктивном плане генератор SM-3NS сходен с описанным генератором SM-2NS за исключением конструкции выходного усилителя мощности. В воздушной части корпуса расположена низковольтная часть схемы, которая содержит зарядное устройство ЗУ, обеспечивающее выпрямление и стабилизацию напряжения, первичный ёмкостной накопитель С1, тиристорный ключ Т. Высоковольтная часть схемы, содержащая элементы магнитного компрессора, смонтированы в баке с трансформаторным маслом. В отличие от конструкции генератора SM-2NS между выходным изолятором и масляным баком установлена дополнительная коаксиальная секция, в которой расположены элементы оконечного усилителя мощности: конденсатор С4, ключ обратной накачки MS, промежуточный индуктивный накопитель L, субнаносекундный прерыватель SOS. Прерыватель тока содержит 4 параллельно работающих субнано-секундных SOS-диода. Каждый из диодов имеет длину 140 мм и содержит 260 последовательных структур с площадью 0.25 см . Полупроводниковая структура полностью аналогична структуре, описанной для прерывателя генератора SM-2NS. При длительностях выходного импульса от 5 до 7 не в трансформаторном масле диод работает при напряжении до 450 кВ и обрывает ток величиной до 2 кА за время 0.6 -1.5 не. Ключ обратной накачки MS одновитковый, коаксиальной конструкции. В качестве материала сердечника ключа были использованы 20 колец К125х80х12 мм из феррита марки 400НН. Генератор

имеет смешанную воздушно-водяную систему охлаждения. Теплоотвод от низковольтных элементов ТЗУ генератора осуществляется с помощью двух встроенных вентиляторов, высоковольтные элементы магнитного компрессора МК и субнаносекундные прерыватели отводят тепло в масло [46]. Для отвода тепла от бака используется водяная рубашка с проточной водой. Продолжительная работа генератора с частотой 300 Гц обеспечивается при расходе воды 8 л/мин.

Стоит отметить, что первоначально предельная частота следования импульсов генератора составляла 2 кГц [82]. Это было вызвано неоптимальным процессом заряда первичного накопителя О и тем, что генератор работал в режиме ограниченной мощности, который был в основном обусловлен сопротивлением проводов питающей сети. При увеличении частоты срабатывания до 2 кГц наблюдалось снижение уровня зарядного напряжения на входном фильтре и первичном емкостном накопителе С1 ТЗУ генератора. Соответственно, это приводило к снижению напряжения в ячейках сжатия МК и, как следствие, к снижению амплитуды выходного импульса после срабатывания субнаносекундного прерывателя. При частоте следования импульсов свыше 2 кГц уровень остаточного напряжения на С\ оказывался недостаточным для запирания тиристорного ключа Т. На рис. 2.21 показана зависимость выходного напряжения генератора в зависимости от частоты срабатывания для двух резистивных нагрузок 150 Ом (кривая 1) и 500 Ом (кривая 2). Кривые 1 и 2 нормированы на максимальное значение амплитуд, достигавшихся при частотах повторения в диапазоне до 100 Гц. Измерения показали, что динамика спада амплитуды выходного импульса генератора с ростом частоты повторения не зависит от величины нагрузки. Как видно из зависимости, с ростом частоты следования импульсов от 100 Гц до 2000 Гц амплитуда выходного напряжения снижается на -20 %.

Для повышения пиковой мощности и стабильности параметров выходных импульсов, достижения предельной частоты срабатывания была проведена модернизация ТЗУ генератора. Была уменьшена длина силового кабеля до питающей трансформаторной подстанции, схема выпрямления ТЗУ была выполнена по схеме Ларионова. Режим заряда первичного емкостного накопителя СІ был подобран такой, что с ростом частоты повторения подсадка напряжения на входном фильтре ТЗУ компенсировалась ростом запасённой энергии в зарядном дросселе. Такие меры позволили поднять максимальную частоту срабатывания генератора до 3.5 кГц, при этом спад амплитуды выходного импульса снизился до-7-8% [85].

На рис. 2.22 приведена типичная осциллограмма тока через субнаносекундный SOS-диод, демонстрирующая процесс отключения тока и формирование выходного импульса напряжения на внешней резистивной нагрузке. Осциллограмма тока получена при установке шунта в цепь одного из четырёх SOS-диодов прерывателя. Резкое нарастание тока в этом субнаносекундном диоде обусловлено эффектом переключения тока из параллельных диодов. Амплитуда обратного тока в этом диоде 1.5 кА, время обрыва тока, измеренное по уровню 0.1-0.9 от амплитуды, составило 610 пс. Амплитуда суммарного обрываемого тока в прерывателе 3.6 кА. Разрывная мощность прерывателя тока, определяемая произведением рабочего напряжения и обрываемого тока, достигает 1.5 ГВт. На рис. 2.23 представлена осциллограмма импульса выходного напряжения, амплитудой 450 кВ. Длительность импульса на полувысоте 5.4 не. Система регистрации сигналов аналогична описанной для генератора SM-2NS.

Похожие диссертации на Полупроводниковые генераторы с импульсной мощностью 10^8-10^9 вт на основе субнаносекундных коммутаторов тока

Исследование режимов систем энергопитания и генераторов плазмы переменного тока в диапазоне мощностей от 5 до 500 кВтПопов Сергей Дмитриевич

Исследование многофазных генераторов плазмы переменного тока, работающих на окислительных средах в диапазоне мощности от 100 до 300 кВтСуров Александр Викторович

Мегавольтный генератор наносекундных импульсов с полупроводниковым прерывателем токаПономарев Андрей Викторович

Исследование схемы генератора с включением нагрузки до плазменного прерывателя тока Жерлицын Андрей Алексеевич

Генераторы и преобразователи с индуктивно—ключевым формированием токаБагинский, Борис Антонович

Генератор импульсов тормозного излучения с плазменным прерывателем токаСоковнин, Сергей Юрьевич

Исследование и разработка электродных узлов для плазмотронов переменного тока мощностью от 10 до 500 квт с длительным ресурсом непрерывной работы в окислительных средахКузнецов Владимир Евгеньевич

Разработка и создание импульсной системы линейного индукционного ускорителя силунд-20Фатеев, Анатолий Александрович

Разработка, создание и исследование систем накачки лазеров на парах меди и эксимерного ArF на основе высоковольтного составного транзисторного коммутатораМалашин, Максим Владимирович

Исследование оптических характеристик InGaAsP/InP (лямбда=1,3 мкм) и InGaAsP/GaAs (лямбда=10,8 мкм) мощных лазеров раздельного ограничения с широким полосковым контактомРафаилов, Эдик Урихаевич