Высоковольтный коммутатор мощных двуполярных импульсов тока

Предлагаемая полезная модель относится к высоковольтным сильноточным полупроводниковым ключам, используемым в импульсной энергетике для коммутации мощных импульсов тока в субмилли- и микросекундном диапазонах в системах питания лазеров, ускорителей, токамаков.
Известна конструкция коммутатора на основе реверсивно-включаемых динисторов (РВД) [1], представляющего собой блок запуска 1 и коммутирующее устройство, состоящее из высоковольтного динисторного блока 2 последовательно соединенных реверсивно-включаемых динисторов 3, 4, зашунтированных варисторами 5, 6, 7, 8, блокирующего диода 9, зашунтированного резистором 10, и высоковольтного диодного блока 11, состоящего из последовательно соединенных диодов 12, 13, зашунтированных варисторами 14, 15, 16, 17, дросселя насыщения 18 (Фиг. 1). Причем диодный блок подключен к блоку РВД встречно-параллельно, его рабочее напряжение равно рабочему напряжению динисторного блока. Анод блока РВД и катод диодного блока соединены друг с другом медными шинами через дроссель насыщения 18, а катод блока РВД и анод диодного блока соединены непосредственно через шину.
Высоковольтный диодный блок 11 шунтирует высоковольтный блок 2 и предназначен для защиты блока РВД от пробоя, поскольку динисторный блок имеет высокие падения напряжения и большие потери электрической энергии при протекании обратного тока. Подключенные параллельно каждому РВД и диоду защитные цепи, состоящие из двух соединенных последовательно варисторов, предназначены для выравнивания напряжения на последовательно соединенных РВД 3, 4 и диодах 12, 13 и ограничения коротких импульсов перенапряжений, возникающих в силовых цепях при прохождении знакопеременных токовых импульсов через коммутатор. Общее количество варисторов в коммутаторе равно удвоенному суммарному числу РВД и диодов. Блок РВД защищен от протекания обратного тока блокирующей цепью «диод 9 - резистор 10». Диод 9 служит для блокировки протекания обратного тока через РВД на время задержки нарастания прямого тока через блок диодов. Резистор 10 служит для шунтирования диода 9 во время переходных процессов в диодах обратного тока в момент смены полярности коммутируемого импульса тока. В результате в цепи нагрузки реализуется режим коммутации мощных двуполярных импульсов тока.
Недостатком данной конструкции коммутатора является относительно сложная электрическая схема с большим количеством основных и вспомогательных компонентов. Это увеличивает его стоимость и усложняет обслуживание, а высокая внутренняя паразитная индуктивность, связанная с большим количеством межэлементных соединений, дросселем насыщения и силовыми шинами, приводит к увеличению коммутационных перенапряжений и снижению эксплуатационной надежности коммутатора.
Данные недостатки устранены в предлагаемой конструкции высоковольтного коммутатора, состоящего из блока запуска и коммутирующего блока, выполненного в виде последовательно соединенных реверсивно-включаемых динисторов с обратной проводимостью, к каждому из которых параллельно подключен резистор.
Реверсивно-включаемый динистор с обратной проводимостью (РВДД) - это новая силовая интегральная схема, объединяющая в одном полупроводниковом кристалле силовой РВД переключатель и мощный диод обратного тока, размещенные в одном низкоиндуктивном металлокерамическом корпусе. Применение в качестве коммутирующего устройства блока РВДД позволяет переключать мощные двуполярные импульсы тока не двумя высоковольтными блоками (РВД и диодным, как у прототипа), а всего лишь одним высоковольтным блоком РВДД, обладающим по сравнению с прототипом низкой внутренней индуктивностью и низкими потерями энергии при коммутации импульсов тока в прямом и обратном направлениях.
Основные отличия нового коммутатора в сравнении с прототипом следующие:
1. Отсутствует высоковольтный диодный блок и дроссель насыщения, поскольку ток управления от блока запуска и обратная полуволна коммутируемого силового тока протекают через встроенные в РВДД диоды обратного тока с малыми потерями мощности.
2. Отсутствует блокирующая цепь, состоящая из силового диода и шунтирующего резистора, так как РВДД обладает высокой обратной проводимостью и может коммутировать достаточно высокие обратные токи.
3. Защитные варисторы заменены более простыми и надежными резисторами, выравнивающими напряжение на сборке РВДД в статическом режиме, поскольку в блоке РВДД исключены перенапряжения, возникающие при коммутации токов в диодном блоке и в блокирующем диоде.
4. Снижены динамические потери при коммутации двуполярных импульсов тока за счет эффективной накачки РВДД обратным током.
Конструкция полезной модели поясняется на следующей электрической схеме (Фиг. 2):
1 - блок запуска;
2 - высоковольтный блок последовательно соединенных реверсивно-включаемых динисторов с обратной проводимостью;
3, 4- реверсивно-включаемые динисторы с обратной проводимостью;
5, 6 - шунтирующие резисторы
В данной конструкции переключение высоковольтного блока РВДД производится с помощью блока запуска 1. В процессе переключения сначала от блока запуска на блок РВДД 2 кратковременно прикладывается напряжение обратной полярности и через динисторы 3, 4 протекает импульс тока управления. В результате в структуру динисторов вносится запускающий электрический заряд, обеспечивающий образование у коллекторного перехода слоя электронно-дырочной плазмы высокой концентрации. Затем от внешней силовой цепи (емкостного накопителя электрической энергии, не показанного на схеме) на блок РВДД прикладывается прямое напряжение, при этом плазменный слой вызывает встречную инжекцию эмиттерных переходов. РВДД 3, 4 переключаются и коммутируют в нагрузку ток разряда внешней силовой цепи (емкостного накопителя). После протекания прямого тока через блок РВДД во внешней цепи формируется силовой ток обратной полярности, который затем беспрепятственно коммутируется в блок РВДД через интегрированные в кремниевые структуры РВДД 3 и 4 диоды обратного тока. Величина обратного тока определяется только собственной индуктивностью блока РВДД и накопленным зарядом во внешней цепи. При этом силовой обратный ток служит эффективным током управления РВДД к моменту коммутации повторного импульса прямого тока. В результате с помощью высоковольтного блока РВДД в цепь нагрузки коммутируются мощные слабозатухающие двуполярные импульсы тока.
Конкретное исполнение предложенного решения рассмотрим на примере коммутатора мощных двуполярных импульсов тока КПИ2-50-25 на импульсный ток 50 кА, напряжение 24 кВ. Коммутатор КПИ2-50-25 изготавливается на базе реверсивно-включаемых динисторов с обратной проводимостью (РВДД) диаметром полупроводниковых элементов 50 мм, собранных в низкопрофильные металлокерамические корпуса таблеточной конструкции высотой 14 мм. Высоковольтный блок коммутатора состоит из 15 последовательно соединенных РВДД, между которыми проложены контактные медные шины толщиной 1 мм для крепления шунтирующих резисторов. Со стороны анода и катода высоковольтного блока расположены одноименные шины толщиной 2 мм, предназначенные для подключения коммутатора к внешней силовой цепи и блоку запуска. Параллельно каждому РВДД подключены шунтирующие резисторы. Полупроводниковые приборы и шины в высоковольтном блоке РВДД коммутатора сжимаются с усилием 25 кН с помощью устройства прижима.
Результаты сравнительных испытаний показали, что РВДД коммутатор переключает знакопеременные импульсы тока той же мощности, что и РВД коммутатор (прототип). Испытания были проведены в разрядном контуре предионизации ламп накачки мощного лазера в штатном режиме коммутации двуполярных импульсов тока: прямой ток амплитудой 20 кА, длительностью 200 мкс и следующий сразу за ним обратный ток амплитудой 18 кА, длительностью 250 мкс. Результаты испытаний положительные. При этом габаритные размеры и стоимость РВДД коммутатора по сравнению с прототипом меньше в 2,5 раза за счет исключения высоковольтного диодного блока и 11 элементов, входящих в состав прототипа.
Список литературы:
[1] С.В. Короткое, Ю.В. Аристов и др. «Высоковольтные диодно-тиристорные коммутаторы мощных знакопеременных импульсов тока» ПРИБОРЫ И ТЕХНИКА ЭКСПЕРИМЕНТА, 2014, №4, с. 61-66.