Содержание к диссертации
Введение
ГЛАВА 1. Принципы построения генераторов мощных электрических импульсов наносекундной длительности (литературный обзор)
1.1. Генераторы на основе емкостного накопителя энергии 9
1.2. Генераторы на основе индуктивного накопителя энергии 20
1.3. Выводы .27
ГЛАВА 2. Разработка генераторов мощных наносекундных импульсов на основе дрейфовых диодов с резким восстановлением (ДДРВ)
2.1. Постановка задачи .28
2.2. Оптимизация базовой схемы ДДРВ-генератора, разработка и исследование высоковольтных сборок последовательно соединенных ДДРВ с большим диаметром структур 31
2.3. Разработка генераторов мощных наносекундных импульсов на основе ДДРВ
2.3.а. ДДРВ - генератор импульсов накачки азотного лазера .49
2.3.б. ДДРВ-генератор импульсов питания установки электроразрядной очистки воздуха 55
ГЛАВА 3. Разработка генераторов мощных наносекундных импульсов на основе динисторов с глубокими уровнями (ДГУ)
3.1. Постановка задачи .65
3.2. Оптимизация базовой схемы генератора на основе ДГУ, исследование процесса переключения динисторов с большой рабочей площадью 67
3.3. Оптимизация конструкции ДГУ и исследование коммутационных возможностей оптимизированных ДГУ .81
3.4. Разработка принципов построения высоковольтных коммутаторов на основе блоков последовательно соединенных ДГУ с большой рабочей площадью 91
3.5. Разработка высоковольтных генераторов на основе ДГУ
3.5.а. ДГУ-генератор импульсов накачки мощного азотного лазера...99
3.5.б. ДГУ-генератор импульсов управления гигаваттного коммутатора на основе реверсивно включаемых динисторов .103
Заключение .109
Список литературы
- Генераторы на основе индуктивного накопителя энергии
- Оптимизация базовой схемы ДДРВ-генератора, разработка и исследование высоковольтных сборок последовательно соединенных ДДРВ с большим диаметром структур
- ДДРВ - генератор импульсов накачки азотного лазера
- Оптимизация конструкции ДГУ и исследование коммутационных возможностей оптимизированных ДГУ
Генераторы на основе индуктивного накопителя энергии
Быстродействие биполярных транзисторов определяется диффузионной скоростью движения носителей заряда и толщиной базовой области. В наносекундной импульсной технике используются низковольтные транзисторы с рабочим напряжением 10-15 В. Время их включения составляет несколько десятков наносекунд.
С ростом рабочего напряжения увеличивается толщина базы транзистора, что приводит к ухудшению динамических характеристик. При величине рабочего напряжения несколько сотен вольт время включения типичного биполярного транзистора составляет сотни наносекунд.
Недостатком биполярных транзисторов является также и большой ток управления. Полевой транзистор (MOSFET) [18-20] представляет собой полупроводниковую структуру, состоящую из подложки одного типа проводимости, двух областей с другим типом проводимости (сток, исток) и электрода управления (затвор). Его переключение осуществляется в результате образования инверсионного канала, соединяющего области стока и истока.
При отсутствии на затворе управляющего импульса транзистор находится в закрытом состоянии и блокирует приложенное к стоку напряжение. При подаче импульса управления на затвор у границы с окислом возникает индуцированный слой (канал), проводимость которого модулируется при изменении напряжения на затворе. Если к стоку приложено напряжение, через канал будет протекать ток, определяемый величиной приложенного напряжения и сопротивлением канала. При достижении определенной величины напряжения на стоке при фиксированном напряжении на затворе канал входит в режим отсечки – транзистор переходит в режим насыщения, при котором дальнейшее увеличение напряжения на стоке не ведет к пропорциональному увеличению тока через прибор. При снятии управляющего сигнала канал проводимости быстро рассасывается, транзистор выключается. Так как входное сопротивление полевых транзисторов очень велико, то по цепи управления они потребляют существенно меньшую мощность по сравнению с биполярными транзисторами. Малая емкость затвора позволяет работать на частотах несколько десятков килогерц.
При уровне рабочего напряжения менее 100 В сопротивление MOSFET в открытом состоянии составляет сотые доли Ома, а время включения – менее 10 наносекунд, что обеспечивает достаточно высокий КПД в режимах коммутации наносекундных импульсов тока.
Однако при увеличении рабочего напряжения сопротивление канала проводимости MOSFET-транзистора резко возрастает и при рабочем напряжении порядка 1000 В составляет единицы Ом, что ограничивает предельную величину тока стока на уровне 10 А. Это обстоятельство затрудняет использование полевых транзисторов в мощных импульсных генераторах.
С целью увеличения предельной величины коммутируемого тока при рабочих напряжениях более 1 кВ были созданы биполярные транзисторы с изолированным затвором (IGBT) [21-23].
В IGBT объединены достоинства полевых и биполярных транзисторов -высокое быстродействие, большое сопротивление по входу и достаточно малое остаточное сопротивление при большом блокируемом напряжении. Конструктивно они представляют собой интегральную схему, в которой током базы мощного биполярного транзистора управляет полевой транзистор. В одном корпусе может находиться несколько десятков тысяч элементарных ячеек IGBT.
Процесс включения IGBT можно разделить на два этапа: после подачи положительного напряжения между затвором и истоком происходит открытие полевого транзистора (формируется n - канал между истоком и стоком). Движение зарядов из области n в область p приводит к открытию биполярного транзистора и возникновению тока от эмиттера к коллектору. Таким образом, полевой транзистор управляет работой биполярного. Время выключения IGBT несколько больше, чем у полевых транзисторов. Это связано с необходимостью рассасывания заряда неосновных носителей, накопленного в базе биполярного транзистора.
Современные IGBT с наносекундным быстродействием имеют рабочее напряжение не более 1600 В и способны коммутировать токи с амплитудой не более нескольких сотен ампер за время несколько сотен наносекунд.
Тиристоры [24-27] обладают рядом преимуществ по сравнению с транзисторами: меньшее падение напряжения в открытом состоянии и более высокая перегрузочная способность.
Силовой тиристор представляет собой монокристалл полупроводника, в котором созданы четыре чередующиеся области с различным типом проводимости, имеет 3 электрода – катод, анод и электрод управления, соединенный с р-базой.
В закрытом состоянии тиристор способен блокировать приложенное к нему напряжение, поскольку центральный p-n – переход смещен в обратном направлении. Когда на управляющий электрод подается напряжение, то в p-n-p-n – структуре начинает протекать ток управления. В результате начинает увеличиваться ток через катодный эмиттер, что приводит к росту коэффициентов усиления по току p-n-p и n-p-n. При увеличении тока управления сумма p-n-p и n-p-n становится равной единице. При этом центральный p-n – переход смещается в прямом направлении и тиристор переходит в проводящее состояние. Во включенном состоянии необходимость поддерживать напряжение на электроде управления пропадает благодаря механизму положительной обратной связи. Выключение тиристора происходит во время безтоковой паузы.
Время включения мощных силовых тиристоров составляет доли микросекунды. Их фундаментальным недостатком является локализация процесса включения в узкой области у электрода управления. Локальное тепловыделение в области первоначального включения ограничивает скорость нарастания силового тока на уровне несколько ампер в наносекунду.
Оптимизация базовой схемы ДДРВ-генератора, разработка и исследование высоковольтных сборок последовательно соединенных ДДРВ с большим диаметром структур
Верхнее плечо делителя – малогабаритный резистор (1) ТВО-0,25-450 Ом. Нижнее плечо - коаксиальный кабель РК-50, с помощью которого делитель подключается к входу осциллографа (50 Ом).
Вывод резистора припаян к жиле кабеля (2). Место пайки надежно изолируется тонкой фторопластовой лентой. Оплетка кабеля натягивается на резистор и фиксируется путем обмотки тонкой луженой проволокой. После последующей спайки проволоки и оплетки образуется экран (3), играющий роль компенсирующей емкости.
После изготовления делитель тестировался при помощи стробоскопического осциллографа TRIM TMR8112 с полосой 12ГГц и генератора И1-15, позволяющего получать тестовые импульсы прямоугольной формы с фронтом 250 пс. Достигнутый воспроизводимый фронт ( 0,7 нс) обеспечивался путем плавного изменения линейных размеров экрана (3).
При ресурсных испытаниях ДДРВ–сборок было обнаружено, что в процессе выключения падение напряжения на сборках с малым сроком службы имеет ступенчатый характер (см. осциллограмму на рис. 2.12), свидетельствующий о неодновременном выключении диодов. По мнению автора, это является следствием технологического разброса характеристик. Рис. 2.12. Осциллограмма напряжения на ДДРВ-сборке. 1 нс/кл, 1 кВ/кл.
Это обстоятельство определило необходимость отбраковки структур ДДРВ по величине амплитуды напряжения, возникающего на диодах в процессе их выключения, а так же по времени выключения, которое оценивалось путем измерения задержки момента максимума напряжения относительно синхроимпульса, не зависящего от процесса выключения исследуемых диодов.
Отбраковка выполнялась с помощью ДДРВ-генератора с малым сопротивлением нагрузочного резистора ( 3 Ом), позволяющим ограничить амплитуду выходного напряжения на уровне 1 кВ, что соответствует рабочему напряжению структуры ДДРВ.
На рис. 2.13. показаны осциллограммы падений напряжения на ДДРВ– структурах из одной технологической партии. Рис. 2.13. Осциллограммы падений напряжения на структурах ДДРВ (Uддрв).
При регистрации процесса выключения ДДРВ осциллограф синхронизировался от опорного сигнала Uсинхр. Измеренное падение напряжения на ДДРВ записывалось в персональный компьютер. Затем все осциллограммы накладывались друг на друга для сравнения и отбраковки.
Экспериментальным образом был определен допустимый разброс структур ДДРВ по амплитуде напряжения и по времени выключения (не более 5%), при котором обеспечивалась надежная работа высоковольтных ДДРВ-сборок.
С целью определения наиболее эффективных режимов коммутации высоковольтные ДДРВ-сборки были исследованы при разной амплитуде и длительности импульсов тока включения и выключения.
Проведенные исследования показали, что при плотности обрываемого тока выше 200 А/см2 значительно возрастает падение напряжения на сборке ДДРВ непосредственно перед резким обрывом тока. Образующийся «пьедестал» существенно увеличивает коммутационные потери энергии.
На рис. 2.14 приведены характерные осциллограммы падения напряжения на ДДРВ-сборке, состоящей из 6 диодных структур диаметром 20 мм при плотности обрываемого тока 200 А/см2 (кривая 1) и 300 А/см2 (кривая 2). Рис. 2.14. Осциллограммы падения напряжения на ДДРВ-сборке при разной плотности обрываемого тока (2 нс/кл, 1 кВ/кл).
В экспериментах при уменьшении длительности импульсов тока включения и выключения ДДРВ от легко реализуемого уровня (450 и 250 нс) до 120 и 60 нс было получено плавное уменьшение времени выключения ДДРВ от 4,5 до 2,5 нс, что определяет возможность повышения эффективности процесса коммутации путем уменьшения длительности импульсов тока цепи коммутации.
Результаты исследований приведены на рис. 2.15. Они соответствуют экспериментам с использованием ДДРВ-сборки из 8 последовательно соединенных диодов диаметром 16 мм. Рис. 2.15. Осциллограммы напряжения на ДДРВ-сборке при разных длительностях импульсов тока включения и выключения.
Как видно из осциллограмм, самая высокая скорость нарастания коммутируемого напряжения соответствует режиму 1 с наименьшими длительностями импульсов тока включения и выключения. Разная скорость спада коммутируемого напряжения обусловлена разной величиной индуктивности вторичной обмотки трансформатора насыщения в цепи коммутации.
В процессе исследования параллельно соединенных ДДРВ - сборок был подтвержден обнаруженный авторами [35] эффект самосинхронизации процессов их выключения. Если одна из сборок начинала выключаться раньше остальных, то ток цепи коммутации перераспределялся в отстающие сборки. В результате происходило ускорение процессов выключения отстающих сборок и практически одновременное выключение всех параллельно соединенных ДДРВ – сборок. Полученный результат позволил эффективно масштабировать коммутируемую мощность путем увеличения количества параллельно соединенных сборок ДДРВ. 2.3. Разработка генераторов мощных наносекундных импульсов на основе ДДРВ
2.3а. ДДРВ - генератор импульсов накачки азотного лазера
Азотные лазеры находят широкое применение во множестве научных приложений, главным образом в спектроскопии. Их основные достоинства – простота конструкции и низкая стоимость.
Азотный лазер имеет длину волны 337 нм [64-67]. Работа лазера возможна в импульсном режиме лишь при условии, что длительность импульса накачки короче времени жизни верхнего уровня или сравнима с ним. Возникнув, лазерная генерация будет продолжаться до тех пор, пока число атомов, накопившихся на нижнем уровне, не станет достаточным для снятия инверсии населенностей. Время жизни носителей на верхнем уровне составляет 40 нс, в то время как время жизни нижнего – порядка 10 мкс. Из этого следует, что генерация возможна только в импульсном режиме и только в том случае, когда длительность возбуждающих электрических импульсов меньше 40 нс.
В этой связи использование наносекундного ДДРВ-генератора является актуальным. Разработка ДДРВ - генератора проводилась по заказу для немецкой фирмы LTB (Laser Technik Berlin) для азотного лазера MNL-330. Он должен был заменить исходно используемый недостаточно надежный импульсный генератор на основе высоковольтной сборки последовательно соединенных тиристоров с полевым управлением (MCT).
В исходном состоянии силовой конденсатор С1 заряжен от источника питания до напряжения 800 В. При подаче на затвор VT1 сигнала управления происходит быстрое переключение тиристора и коммутация силового тока в цепь первичной обмотки трансформатора Т1.
Повышающий трансформатор Т1 изготовлен из 5 ферритовых колец N87 фирмы Epcos размером 25,314,810 мм. Первичная обмотка представляет собой один виток, выполненный на латунном стержне в изоляции. Четыре витка вторичной обмотки выполнены высоковольтным проводом МС16-13.
Ток вторичной обмотки трансформатора Т1 заряжает конденсатор С2 до напряжения 3 кВ и является током включения для сборки ДДРВ. После насыщения сердечника трансформатора Т1 происходит быстрый разряд С2 через вторичную обмотку Т1, обеспечивающий выключение ДДРВ. В процессе выключения ДДРВ накопленная в индуктивности вторичной обмотки энергия передается в конденсаторную сборку С3, подключенную параллельно лазерной трубке. В результате осуществляется быстрая зарядка С3 до напряжения пробоя межэлектродного промежутка лазера. В процессе развития разряда в газовом промежутке происходит генерация лазерного излучения.
Для увеличения эффективности работы лазера непосредственно перед началом коммутации на трубку подавался импульс предионизации микросекундной длительности, который обеспечивал возбуждение газовой среды.
На рис. 2.17 приведены осциллограммы напряжения на лазерной трубке (1) и тока в цепи коммутации (2). Высокая скорость нарастания напряжения (длительность фронта не более 15 нс) обеспечивает высокое напряжение пробоя газового промежутка (12 кВ) и повышает интенсивность излучения.
ДДРВ - генератор импульсов накачки азотного лазера
В настоящее время в России и за рубежом большое внимание уделяется технологии очистки воздуха от промышленных загрязнений коротким электрическим разрядом.
Сущность процесса состоит в следующем: в низкотемпературной газоразрядной плазме происходит генерация активных продуктов плазмохимических реакций - атомных частиц и радикалов. Они вступают в реакцию с молекулами газовых примесей как непосредственно в газовой фазе, так и на поверхности катализатора или адсорбента, применяющегося в качестве второй ступени очистки [68-72].
Главным источником появления электронов и положительных ионов в импульсном разряде в воздухе при атмосферном давлении является ионизация разогнанными в электрическом поле электронами.
Оценки [68] показывают, что характерное время ионизации при напряженности электрического поля Е=30 кВ/см, типичной для начала разрядных процессов в воздухе при атмосферном давлении, составляет единицы наносекунд.
Отрицательные ионы в газовом разряде могут образовываться в результате захвата свободных электронов, вследствие диссоциации нейтральных молекул и в результате передачи одного или нескольких электронов при столкновении тяжелых частиц. При давлении порядка атмосферного отрицательные ионы образуются, в основном, за счет диссоциативного прилипания. Характерное время этого процесса оценивается 10-8 с.
Таким образом, процессы, ответственные за генерацию активных частиц и радикалов (ионизация, прилипание) в воздухе при атмосферном давлении, имеют характерное время порядка 10-8 с. Существенное увеличение длительности разрядного тока (переход к длительностям микросекундного диапазона) ведет к перераспределению энергии, поступающей в разряд, по каналам, непосредственно не связанным с ионизацией.
Многочисленные эксперименты, проведенные в России и за рубежом [71-72], свидетельствуют о высокой эффективности наносекундного разряда. Однако, до настоящего времени его широкое применение сдерживалось из-за низкого КПД и малого срока службы генераторов на основе традиционных коммутаторов.
В этой связи весьма перспективным является использование генераторов на основе ДДРВ. Для проведения исследований по очистке воздуха был разработан ДДРВ-генератор, электрическая схема которого приведена на рис.2.21. С целью увеличения выходной мощности в нем было использовано 6 цепей коммутации ЦК1-ЦК6 на основе IGBT-транзисторов VT1. На элементах С0-L0-VD0-VT1 реализован обратноходовой конвертор, позволяющий регулировать напряжение зарядки конденсаторов С1 в пределах 700-1000 В.
При синхронном включении цепей коммутации в блок ДДРВ сначала в прямом, а затем в обратном направлении коммутируются импульсы токов включения и выключения. В момент выключения блока ДДРВ общий ток ЦК1-ЦК6 коммутируется в коаксиальный кабель КК, а затем в нагрузку Z.
Цепи коммутации работают следующим образом. При включении транзисторов VT1 конденсаторы С1 быстро разряжаются через одновитковые первичные обмотки повышающих трансформаторов Т1 и индуктивности L1. Индуктивности L1 ограничивают скорость нарастания тока в цепи транзисторов, что приводит к уменьшению коммутационных потерь энергии.
Ток вторичных обмоток Т1 осуществляет быструю зарядку конденсаторов С2. Ток зарядки протекает через блок ДДРВ в прямом направлении и является током его включения. В момент окончания процесса зарядки конденсаторов С2 происходит насыщение сердечников трансформаторов Т1. При этом индуктивность их вторичных обмоток резко уменьшается и в блок ДДРВ коммутируется быстро нарастающий ток разряда конденсаторов С2, являющийся током его выключения.
Выключение блока ДДРВ происходит вблизи максимума тока выключения, когда достигается примерное равенство зарядов, пропускаемых через диоды в прямом и обратном направлениях.
В процессе выключения ДДРВ в нагрузку Z коммутируется суммарный ток, протекающий через индуктивности L2 и вторичные обмотки трансформаторов Т1. Сборки последовательно соединенных диодов VD2 исключают перезарядку конденсаторов С2 и обеспечивают униполярную форму тока в цепи нагрузки. Цепи «R1-VD1» поглощают энергию, остающуюся в конденсаторах С1 после насыщения сердечников Т1.
В процессе коммутации тока в нагрузке выделяется энергия, запасенная в индуктивностях L2 и в индуктивностях вторичных обмоток трансформаторов Т1. Величина напряжения на нагрузке определяется произведением коммутируемого тока на её электрическое сопротивление. Выключение транзисторов VT1 осуществляется спустя некоторое время после окончания тока в цепи нагрузки. В течение этого времени по цепям «С0-L0-VD0-VT1» протекает медленно нарастающий ток разряда конденсаторов С0. После выключения VT1 накопленная в индуктивностях L0 энергия коммутируется в конденсаторы С1. При этом обеспечивается их зарядка. Ток зарядки осуществляет перемагничивание сердечников трансформаторов Т1.
Рассмотренный режим работы позволяет регулировать величину напряжения зарядки С1 и, соответственно, величину коммутируемой энергии путем изменения момента выключения VT1.
Основным достоинством разработанной схемы является пренебрежимо малое влияние модулей друг на друга, достигаемое благодаря использованию автономных трансформаторов Т1 и достаточно больших индуктивностей L0, L2.
Возможность получения требуемой высокой скорости нарастания тока выключения ДДРВ при больших L2 определяется высоким напряжением зарядки конденсаторов С2, определяемым большим коэффициентом трансформации в Т1.
Рассмотренная схема позволяет использовать большое количество цепей коммутации. Так как величина индуктивностей L2 существенно больше величины индуктивности тракта, соединяющего цепи коммутации с блоком ДДРВ, то для всех цепей обеспечиваются практически одинаковые условия коммутации. Возможная небольшая несинхронность работы цепей коммутации не оказывает сильного влияния на процесс коммутации энергии в нагрузку, так как он определяется общим блоком ДДРВ.
Оптимизация конструкции ДГУ и исследование коммутационных возможностей оптимизированных ДГУ
Основной задачей описанных в главе 3 исследований являлась разработка высокоэффективных генераторов наносекундных импульсов с мощностью более 10 МВт на основе динисторов с глубокими уровнями (ДГУ).
При разработке в качестве базовой была использована схема высоковольтного ДГУ - генератора, предложенная авторами работы [33]. Она изображена на рис. 3.1.
Базовая схема высоковольтного ДГУ - генератора. Принцип действия базовой схемы заключается в следующем. В исходном состоянии к блоку ДГУ приложено напряжение зарядки емкостного накопителя энергии С0. Выравнивание напряжения между ДГУ осуществляется статическим делителем СД. Включение ДГУ производится с помощью цепи управления, содержащей цепь коммутации ЦК, сборку ДДРВ и запускающий конденсатор Су.
При включении ЦК через ДДРВ пропускаются импульсы тока включения и выключения. В момент выключения ДДРВ происходит коммутация тока из ЦК в блок ДГУ. При этом осуществляется быстрая подзарядка собственных емкостей динисторов и напряжение на блоке ДГУ резко нарастает. Так как емкость Су достаточно велика, то к блоку ДГУ прикладывается практически все напряжение, возникающее на ДДРВ.
В момент, когда напряжение на ДГУ достигает требуемого для включения уровня, они переключаются и коммутируют в нагрузку Rн ток разряда емкостного накопителя C0.
Базовый ДГУ – генератор обеспечивал коммутацию импульсов тока с амплитудой 1000 A и фронтом нарастания 5 нс. В блоке ДГУ использовались шесть последовательно соединенных ДГУ с диаметром структуры 12 мм и рабочим напряжением 2 кВ.
Определенным недостатком базовой схемы является то, что после переключения ДГУ через сборку ДДРВ протекает коммутируемый силовой ток. Потери энергии в ДДРВ-сборке снижают эффективность процесса коммутации.
Представленные в главе 3 исследования направлены на увеличение коммутируемой мощности и эффективности импульсных генераторов на основе ДГУ. Для осуществления поставленных задач была проведена оптимизация цепи управления, проведены комплексные исследования процесса переключения ДГУ с большой рабочей площадью (диаметр структур 16 и 24 мм), оптимизирована конструкция ДГУ, определены коммутационные возможности мощных ДГУ, разработаны мощные ДГУ-коммутаторы и импульсные генераторы на их основе. 3.2. Оптимизация базовой схемы генератора на основе ДГУ, исследование процесса переключения динисторов с большой рабочей площадью
На рис.3.2 приведена разработанная схема высоковольтного ДГУ-генератора с оптимизированной цепью управления, состоящей из блока разделительных диодов Dр, разделительного дросселя с насыщающимся сердечником Lр и рассмотренного в главе 2 ДДРВ-генератора высоковольтных наносекундных импульсов на основе сборки ДДРВ и цепи коммутации ЦК.
Оптимизированная схема высоковольтного ДГУ-генератора. Принцип действия оптимизированной схемы заключается в следующем. В исходном состоянии к блоку разделительных диодов Dр и к блоку ДГУ приложено напряжение зарядки силового емкостного накопителя энергии С0. ДДРВ-генератор обеспечивает коммутацию тока управления Iу из цепи коммутации ЦК в цепь «Dр – ДГУ». При этом напряжение на блоке ДГУ быстро нарастает, он включается и коммутирует ток разряда силового конденсатора С0.
В процессе переключения блока ДГУ разделительный дроссель Lр имеет большую индуктивность и блокирует напряжение, являющееся разностью между напряжением на блоке ДГУ и напряжением зарядки С0. В результате практически исключается перераспределение тока управления в силовую цепь «L0-Rн-С0».
В момент переключения блока ДГУ напряжение на дросселе Lр меняет знак и становится фактически равным напряжению на конденсаторе С0. При этом сердечник Lр быстро насыщается, его индуктивность резко уменьшается и ток разряда С0 резко нарастает.
Малая длительность запускающего импульса напряжения ( 2 нс) позволяет обеспечить очень малые габариты дросселя Lр и его малую индуктивность после насыщения сердечника. При этом он практически не ограничивает скорость нарастания силового тока.
Целесообразным представляется выполнение дросселя Lр одновитковым с сердечником в виде сборки кольцевых ферритов малого диаметра. При этом обеспечивается его большая исходная индуктивность и малый ток насыщения, определяющие эффективное отделение силовой цепи в процессе переключения ДГУ, а также малая индуктивность в насыщенном состоянии и малые потери энергии, позволяющие быстро и эффективно коммутировать силовой ток.
Разделительный диодный блок Dр должен иметь достаточно высокое рабочее напряжение и малые потери энергии при протекании наносекундного тока управления ДГУ. С целью выбора типа диодов для блока Dр были исследованы доступные к приобретению недорогие малогабаритные импульсные диоды отечественного и зарубежного производства с достаточно тонкими базовыми областями, обеспечивающими малые потери энергии при протекании тока с высокой скоростью нарастания.
В процессе исследований через диоды пропускались импульсы тока, формируемые с помощью ДДРВ-генератора. По критерию цена/качество были выбраны диоды HER608 с рабочим напряжением 1000 В.
На рис. 3.3. приведена осциллограмма падения напряжения на выбранном диоде (U), полученная при коммутируемом токе (I). Измерения проводились с помощью описанных в главе 2 широкополосных датчиков тока и напряжения.
Электрическая схема стенда для исследования ДГУ. Исследовались ДГУ с предельным блокируемым напряжением не менее 2,5 кВ. В отличие от базовых, они имели существенно больший диаметр структур (16 мм и 24 мм). Исследуемые ДГУ были изготовлены в ОАО «Электровыпрямитель» г. Саранск. Их основные электрофизические характеристики приведены в табл. 3.1. Таблица 3.1. Основные электрофизические характеристики ДГУ.
В схеме на рис.3.4 формирование необходимых для переключения ДГУ наносекундных импульсов высокого напряжения осуществляется сборкой ДДРВ и цепью коммутации ЦК, выполненной аналогично рассмотренной в главе 2. Большая площадь структур исследуемых динисторов определила необходимость мощного управляющего воздействия. Оно обеспечивается при использовании в ЦК блока VТ1, состоящего из двух параллельно соединенных транзисторов IRGPS60B120KD с рабочим напряжением 1200 В.
В исходном состоянии к VТ1 приложено напряжение зарядки конденсатора С1, к исследуемому ДГУ - напряжение зарядки силового конденсатора С0. Конденсатор С2 разряжен. Сердечник трансформатора Т1 перемагничен до рабочего состояния небольшим постоянным током Iп, протекающим через индуктивность L2 и первичную обмотку w1.
При включении VТ1 через вторичную обмотку w2 трансформатора Т1 и блок ДДРВ в прямом направлении протекает короткий ( 250 нс) ток зарядки конденсатора С2, обеспечивающий накопление заряда в структурах диодов. После насыщения сердечника Т1 конденсатор С2 быстро ( 80 нс) разряжается через обмотку w2 и блок ДДРВ. Протекающий через диодные структуры обратный ток осуществляет вынос накопленного заряда.
В момент максимума обратного тока конденсатор С2 практически полностью разряжается и величина вынесенного заряда достигает величины заряда, накопленного при протекании прямого тока. В результате базовые области диодов освобождаются от накопленной плазмы и проводимость блока ДДРВ резко уменьшается. При этом протекающий через обмотку w2 ток цепи ЦК очень быстро (за 1,5-2 нс) коммутируется в цепь ДГУ и напряжение на нем быстро нарастает. В момент достижения запускающего уровня напряжения динистор переключается. После переключения через него протекает ток цепи ЦК, ток разряда собственной емкости блока ДДРВ и ток разряда конденсатора С0.
Шунтирующий диодный блок VD2 определяет униполярную форму тока цепи ЦК после переключения ДГУ. В цепи «R1-VD1» рассеивается энергия, остающаяся в конденсаторе С1 после насыщения сердечника Т1.
В процессе исследований осциллограммы регистрировались с помощью цифрового осциллографа Tektronix TDS 3052B со временем установления 0,7 нс. Напряжение на ДГУ измерялось с помощью описанного в главе 2 низкоомного скомпенсированного делителя напряжения Rд с нижним плечом в виде 50-омного коаксиального кабеля КК. Делитель подключался к ДГУ через сборку керамических конденсаторов Сд (6,6 нФ). Ток цепи коммутации измерялся разработанным широкополосным поясом Роговского ПР (см. раздел 2.2.). Для измерения наносекундных импульсов силового тока был разработан малогабаритный измеритель тока (шунт) с воспроизводимым фронтом 3 нс. Его конструкция приведена на рис 3.5.
Похожие диссертации на Разработка и исследование генераторов мощных наносекундных импульсов на основе дрейфовых диодов с резким восстановлением и динисторов с глубокими уровнями
