ПОЛУПРОВОДНИКОВЫЙ ГЕНЕРАТОР ВЫСОКОВОЛЬТНЫХ НАНОСЕКУНДНЫХ ИМПУЛЬСОВ

Предлагаемая полезная модель относится к области сильноточной импульсной техники и может быть использована для генерирования мощных высоковольтных импульсов наносекундной длительности, необходимых для обеспечения эффективной работы газовых лазеров, широкополосных излучателей электромагнитных импульсов и для развития современных плазменных технологий:
очистки промышленных газовых выбросов, нейтрализации отходов вредных производств, стерилизации пищевых продуктов и т.д.
y
y
+
7
Для формирования высоковольтных наносекундных электрических импульсов в настоящее время используются полупроводниковые генераторы на основе дрейфовых диодов с резким восстановлением (ДДРВ) [Грехов И.В., Ефанов В.М., Кардо-Сысоев А.Ф., Коротков С.В. Полупроводниковый генератор наносекундных импульсов // Патент 2009611 РФ. БИ. 1994. №5. С.202.]. Их принцип действия основан на эффекте быстрого восстановления запирающей способности ДДРВ при изменении полярности тока в силовой цепи, состоящей из последовательно включенных ДДРВ, индуктивности и силового конденсатора. Сначала через силовую цепь пропускается короткий (не более 100 наносекунд) импульс прямого тока l с плотностью не более 200 ампер на квадратный сантиметр рабочей площади ДДРВ. Этот ток создает резко неоднородное распределение электронно-дырочной плазмы в n-базе диода и обеспечивает заряд силового конденсатора. Затем через ДДРВ проходит короткий импульс обратного тока, являющийся током разряда силового конденсатора. В момент максимума обратного тока n-база ДДРВ полностью освобождается от заряда неосновных носителей, накопленного в процессе прохождения прямого тока l. При этом рn переход ДДРВ смещается в запорном направлении, и образующаяся область объемного заряда расширяется в n-базе за счет выведения из структуры диода основных носителей (электронов). Соотношение между плотностью обратного тока и концентрацией основных носителей в базе выбирается так, чтобы обеспечить движение электронов с предельно возможной скоростью (10 см/сек). В результате обеспечивается очень быстрый (единицы наносекунд) обрыв тока в ДДРВ и коммутация тока силовой цепи в параллельно подключенную нагрузку.
Недостатком такого генератора является малая энергоемкость коммутируемых в нагрузку электрических импульсов, обусловленная малой величиной заряда Q, накопленного в силовом конденсаторе при прохождении тока
у
у
l. Малая величина заряда Q определяется принципиально малой длительностью тока l и сравнительно малой амплитудой этого тока, обусловленной малой величиной предельно допустимой плотности тока через ДДРВ.
^
Известен также высоковольтный генератор наносекундных импульсов на основе недавно разработанных в ФТИ им. А.Ф.Иоффе кремниевых динисторов с глубокими уровнями (ДГУ) [Аристов Ю.В., Воронков В.Б., Грехов И.В., Козлов А.К., Коротков С. В., Люблинский А. Г.. Мощный полупроводниковый переключатель высоковольтных импульсов с наносекундным фронтом нарастания. // ПТЭ. 2007. №2. С.87-90.], взятый за прототип. Следует отметить, что динисторы с глубокими уровнями в принципе относятся к известным динисторам с быстрой ионизацией [1. Грехов И.В., Кардо-Сысоев А.Ф. // Письма в ЖТФ. 1979. Т.5. №15. С.950; 2. Tuchkevitch V., Grekhov I. // Bulletin of Academy of Sciences of USSR. 1987. №4. P. 18; 3. Efanov V.M, Kardo-Sysoev A.F, Tchashnicov I.G, Karavaev V.V. // Proc. of the 11th IEEE International Pulsed Power Conference. Baltimore.Maryland USA. June 29-July 2. 1997. P.274].
Устройство-прототип схематически изображено на Фиг.1, где
1 - силовой источник питания (СИП);
2 - емкостный накопитель энергии;
3 - сопротивление нагрузки (СН);
4 - статический делитель (СД);
5÷10 - блок динисторов с быстрой ионизацией;
11 - блок дрейфовых диодов с резким восстановлением;
12 - первый запускающий конденсатор;
13 - цепь управления (ЦУ).
Оно содержит силовой источник питания (СИП) 1, силовую цепь, состоящую из последовательно соединенных емкостного накопителя энергии 2, блока (5÷10) из шести динисторов с быстрой ионизацией (конкретно, динисторов глубокого уровня - ДГУ), блока 11 дрейфовых диодов с резким восстановлением (ДДРВ) и сопротивления нагрузки (СН) 3, а также первый запускающий конденсатор 12, цепь управления (ЦУ) 13, подключенную параллельно блоку 11 ДДРВ, и статический делитель (СД) 4. Катодный вывод блока 11 ДДРВ, а также первые выводы сопротивления нагрузки 3 и запускающего конденсатора 12 соединены с первым (заземленным) выводом силового источника питания 1. Анодный вывод блока 11 ДДРВ соединен с катодом первого динистора 5. Емкостной накопитель 2 включен между вторым (положительным выводом) силового источника питания 1 и вторым выводом сопротивления нагрузки 3. Второй вывод запускающего конденсатора 12 соединен с анодом шестого динистора 6. Первый вывод статического делителя 4 заземлен, остальные выводы соединены с анодами динисторов 5÷10.
7
Статический делитель выравнивает напряжение между динисторами 5-10 в исходном состоянии. Включение ДГУ происходит в результате формирования и распространения ударно-ионизационной волны в кремнии. Процесс ударно-ионизации инициируется путем приложения к силовым электродам динистора короткого ((0,5-2) нc) импульса прямого напряжения, с амплитудой, значительно превышающей величину напряжения статического пробоя. Ударно-ионизационный фронт формируется в обедненной носителями при коллекторной области и движется в сторону анода со скоростью в 3-5 раз большей насыщенной скорости движения электронов (~10 см/сек). Когда фронт проходит всю базу, она заполняется хорошо проводящей электронно-дырочной плазмой, и динистор переходит во включенное состояние, которое может поддерживаться неограниченно долго за счет обычного для четырехслойных полупроводниковых приборов диффузионно-полевого переноса носителей, заполняющих базовые области прибора в процессе коммутации силового тока. При этом величина коммутируемого заряда и длительность коммутируемых импульсов могут быть очень велики.
Коммутация тока в нагрузку осуществляется следующим образом. При включении цепи управления через ДДРВ пропускается короткие запускающие импульсы прямого и обратного тока. В момент максимума обратного тока происходит быстрое выключение блока 11 ДДРВ. Прерываемый ток коммутируется в цепь запускающего конденсатора 12 и блока 5-10 ДГУ. В результате происходит заряд собственных емкостей ДГУ, и напряжение на ДГУ-блоке резко нарастает. При достижения требуемого для переключения уровня запускающего напряжения происходит синхронное переключение динисторов.
Недостатком этого генератора является недостаточно высокий КПД вследствие большой энергоемкости цепи управления, которая обеспечивает переключение всех последовательно соединенных динисторов в блоке, и резкого увеличения потерь энергии в ДГУ при существенном уменьшении напряжения зарядки емкостного накопителя.
Таким образом, существующие полупроводниковые генераторы высоковольтных наносекундных импульсов не могут обеспечить формирование мощных электрических импульсов с малыми потерями энергии.
Предлагаемая полезная модель решает задачу создания мощного полупроводниковые генератора высоковольтных наносекундных импульсов с малыми потерями энергии.
Задача решается полупроводниковым генератором высоковольтных наносекундных импульсов, содержащим силовой источник питания, силовую цепь, состоящую из последовательно соединенных емкостного накопителя энергии, блока из шести последовательно соединенных динисторов с быстрой ионизацией,
блока дрейфовых диодов с резким восстановлением и сопротивления нагрузки, первый запускающий конденсатор, цепь управления, статический делитель, при этом цепь управления подключена параллельно блоку дрейфовых диодов с резким восстановлением, катодный вывод блока дрейфовых диодов с резким восстановлением, а также первые выводы сопротивления нагрузки и запускающего конденсатора соединены с заземленным выводом источника питания, анодный вывод блока дрейфовых диодов с резким восстановлением соединен с катодом первого динистора с быстрой ионизацией, емкостный накопитель включен между положительным выводом источника питания и вторым выводом сопротивления нагрузки, второй вывод запускающего конденсатора соединен с анодом шестого динистора с быстрой ионизацией, первый вывод статического делителя заземлен, остальные выводы соединены с анодами динисторов с быстрой ионизацией, в который дополнительно введены источник питания, диодный блок, а также второй и третий запускающие конденсаторы, диодный блок подключен анодом к положительному выводу основного источника и катодом к аноду шестого динистора, один вывод второго запускающего конденсатора соединен с анодом четвертого динистора с быстрой ионизацией, второй вывод заземлен, третий запускающий конденсатор подключен между анодом шестого динистора с быстрой ионизацией и анодом второго динистора с быстрой ионизацией, положительный вывод дополнительного источника соединен с анодом шестого динистора с быстрой ионизацией, а второй вывод заземлен.
Сущность полезной модели поясняется электрической схемой на Фиг.2, где:
1 - силовой источник питания (СИП);
2 - емкостной накопитель энергии;
3 - сопротивление нагрузки (СН);
4 - статический делитель (СД);
5÷10 - блок динисторов с быстрой ионизацией;
11 - блок дрейфовых диодов с резким восстановлением;
12 - первый запускающий конденсатор;
13 - цепь управления (ЦУ);
14 - диодный блок;
15 - дополнительный источник питания (ДИП);
16, 17 - соответственно, второй и третий запускающие конденсаторы.
Силовой источник 1 обеспечивает зарядку емкостного накопителя 2. Выходное напряжение источника 1 может меняться, но не превосходит максимально допустимое напряжение блока динисторов с быстрой ионизацией. Дополнительный источник питания должен 15 быть с мощностью значительно меньшей, чем силовой источник 1. Небольшие запускающие конденсаторы 16 и 17
должны быть с емкостью значительно меньшей, чем емкость емкостного накопителя энергии 2 силовой цепи. Дополнительный источник питания 15 (маломощный) обеспечивает зарядку запускающих конденсаторов 12, 16 и 17. Выходное напряжение источника 15 постоянно и равно максимально допустимому напряжению блока динисторов с быстрой ионизацией, состоящего из шести последовательно соединенных динисторов 5-10. Диодный блок 14 блокирует разность выходных напряжений источников 15 и 1. При этом при любом напряжении зарядки емкостного накопителя 2 напряжение на динисторах 5÷10 остается практически неизменным и равным максимально допустимому. В результате достигаются минимальные потери энергии в процессе переключения блока динисторов.
Процесс переключения динисторов инициируется цепью управления 13 и блоком ДДРВ 11. Сначала, с помощью цепи управления 13 через блок ДДРВ 11 в прямом для диодов направлении пропускается ток включения. В результате в структурах диодов накапливаются электроны и дырки. Затем цепь управления 13 формирует короткий импульс тока выключения, протекающий через блок ДДРВ 11 в обратном направлении. В результате обеспечивается вывод из диодных структур накопленной электронно-дырочной плазмы. Последующее быстрое (единицы наносекунд) выключение блока ДДРВ 11 происходит вблизи максимума тока выключения, когда достигается примерное равенство зарядов, пропускаемых через диоды в прямом и обратном направлении. При выключении диодов протекающий через блок ДДРВ 11 ток коммутируется в цепь, состоящую из конденсатора 16 и последовательно соединенных динисторов 7, 8, 9, 10, и является для них током запуска. В процессе запуска происходит подзарядка их собственных емкостей, предварительно заряженных до величины исходного блокируемого напряжения, и напряжение на них быстро нарастает. Наличие конденсатора 17 приводит к тому, что первыми заряжаются емкости динисторов 9 и 10. Так как скорость нарастания тока запуска очень велика, то напряжение на динисторах определяется, в основном, величинами их собственных емкостей, которые в свою очередь определяются величиной исходного блокируемого напряжения. В исходном состоянии напряжение между динисторами выравнивается с помощью статического делителя 4, при этом их емкости практически равны и процесс запуска развивается синхронно. В момент, когда напряжение на динисторах 9, 10 достигает требуемого для включения уровня, они переключаются. После переключения динисторов 9, 10 в схеме происходит подзарядка конденсатора 17. При этом напряжение на динисторах 7, 8 возрастает от воздействия как цепи управления 13, так и цепи конденсатора 17. Динисторы 7, 8 переключаются, когда напряжение на них возрастает до величины напряжения включения. После включения динисторов 7, 8 конденсаторы 12, 17 обеспечивают
резкое нарастание напряжения на динисторах 5, 6, и те эстафетно включаются без воздействия цепи управления 13. После включения всех динисторов блока 5÷10 в нагрузку 3 коммутируется быстро нарастающий импульс тока разряда емкостного накопителя 2, и на нагрузке 3 возникает наносекундный импульс высокого напряжения.
Таким образом, в результате введения двух дополнительных конденсаторов 16, 17 цепь управления 13 устройства обеспечивает запуск только небольшой группы динисторов блока 5÷10. При этом энергоемкость цепи 13 значительно уменьшается по сравнению с устройством-прототипом, в котором она осуществляет запуск всех динисторов блока. В результате введения в генератор диодного блока 14 и дополнительного маломощного источника 15 исходное напряжение на динисторах поддерживается равным предельно допустимому при любом напряжении зарядки емкостного накопителя энергии 2. При этом обеспечиваются малые потери энергии в динисторах 5÷10 при коммутации силового тока и малая энергоемкость цепи управления 13, обеспечивающей быструю подзарядку собственных емкостей динисторов до требуемого для включения уровня - примерно удвоенное значение напряжения пробоя в статике.
Пример исполнения.
По предлагаемому в полезной модели решению был изготовлен экспериментальный образец полупроводникового генератора высоковольтных наносекундных импульсов. Величина емкости накопителя энергии 2 (2 нФ) и сопротивление нагрузки 3 (8 Oм) соответствовали устройству-прототипу. В блоке динисторов 5÷10, также как и в устройстве-прототипе, использовались динисторы с глубокими уровнями с диаметром структур 12 мм, в блоке ДДРВ 11 - диоды с диаметром структур 12 мм. Цепь управления 13 была собрана по схеме устройства-прототипа. В качестве делителя 4 использовался резистивно-варисторный делитель, аналогичный делителю устройства-прототипа. В отличие от устройства-прототипа емкость первого запускающего конденсатора 12 была уменьшена до 15 пФ, емкости дополнительных конденсаторов 16 и 17 были выбраны, соответственно, 25 пФ и 15 пФ (конкретно для приведенного примера - примерно в 150 раз меньше емкости накопителя энергии 2). В диодном блоке 14 использовалось 8 последовательно соединенных кремниевых диодов с диаметром структур 12 мм и рабочим напряжением 1500 В. Выходное напряжение дополнительного (маломощного) источника 15 поддерживалось постоянным (12 кВ) (конкретно для приведенного примера - примерно в 150 раз меньше, чем у силового источника 1), выходное напряжения силового источника 1 могло изменяться в широком диапазоне. В процессе исследований была осуществлена частотная коммутация наносекундных импульсов тока с амплитудой до 1200 А и фронтом нарастания 4 нс, и
показаны следующие преимущества полезной модели относительно устройства-прототипа:
- была получена надежная работа блока динисторов при изменении напряжения силового источника питания - от 0 до 12 кВ, тогда как устройство-прототип не могло эффективно работать при силовом напряжении менее 8кВ вследствие резкого увеличения потерь энергии в динисторах;
- включение блока динисторов полезной модели происходило при напряжении цепи управления примерно в 1,5 раза меньшем, чем в устройстве-прототипе. При этом соответственно уменьшилась мощность и энергоемкость цепи управления. Так как величина энергии, запасаемой в запускающих конденсаторах полезной модели, была практически такой же, как в устройстве-прототипе, то уменьшение энергоемкости цепи управления обеспечило соответственное снижение общих потерь энергии.