ПОЛУПРОВОДНИКОВЫЙ ГЕНЕРАТОР ВЫСОКОВОЛЬТНЫХ ИМПУЛЬСОВ С НАНОСЕКУНДНЫМ ФРОНТОМ НАРАСТАНИЯ

Предлагаемая полезная модель относится к области импульсной техники, конкретно - к полупроводниковым генераторам высоковольтных импульсов, и может быть использована для создания мощных электрических разрядов в газе и жидкости, используемых для накачки лазеров, очистки сточных вод и промышленных газовых выбросов, стерилизации пищевых продуктов и т.д.
В настоящее время наибольшими перспективами в режимах формирования мощных электрических импульсов с наносекундным фронтом нарастания обладают кремниевые динисторы с глубокими уровнями (ДГУ).
ДГУ были разработаны в Физико-техническом институте им. А.Ф.Иоффе РАН несколько лет назад. Они включаются путем приложения к силовым электродам высоковольтного импульса напряжения, нарастающего со скоростью не менее 1 кВ/нс. При этом в базовой области ДГУ образуется волна ударной ионизации, инициированная электронами с глубоких уровней в запрещенной зоне кремния. Созданные волной ударной ионизации носители тока обеспечивают быстрое переключение динисторов с глубокими уровнями (ДГУ) в хорошо проводящее состояние, что определяет очень малые коммутационные потери энергии в сильноточных импульсных режимах и рекордную для полупроводниковых приборов скорость нарастания тока (более 100 А/нс).
Известен полупроводниковый генератор высоковольтных импульсов с наносекундным фронтом нарастания [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], содержащий емкостной накопитель энергии, сопротивление нагрузки, блок последовательно соединенных ДГУ и запускающий конденсатор. Зарядку емкостного накопителя энергии осуществляет силовой источник питания, выравнивание напряжения между ДГУ до момента их переключения - статический делитель напряжения. Для включения блока ДГУ используются блок дрейфовых диодов с резким восстановлением (ДДРВ) и цепь управления (ЦУ), Они создают импульс запускающего напряжения, обеспечивающий быстрое нарастание напряжения на блоке ДГУ до уровня переключения.
Недостатком этого генератора является недостаточно высокая эффективность его работы вследствие увеличения энергоемкости цепи управления из-за необходимости увеличения амплитуды запускающих импульсов напряжения при уменьшении напряжения, блокируемого блоком ДГУ в исходном состоянии.
Известен также полупроводниковый генератор высоковольтных импульсов с наносекундным фронтом нарастания [Аристов Ю.В., Коротков С.В., Люблинский А.Г., Полупроводниковый генератор высоковольтных наносекундных импульсов // Патент РФ на Полезную модель №84158, БИ и ПМ, №18, 2009 г.], взятый за прототип. Он содержит силовой источник питания, емкостной накопитель энергии, диодный блок, блок динисторов с глубокими уровнями, состоящий из шести последовательно соединенных ДГУ, блок ДДРВ, сопротивление нагрузки, дополнительный источник питания, цепь управления, статический делитель напряжения и три запускающих конденсатора. Цепь управления ЦУ подключена параллельно блоку ДДРВ. Катодный вывод блока ДДРВ, а также первые выводы сопротивления нагрузки, первого запускающего конденсатора и дополнительного источника питания соединены с заземленным выводом силового источника питания. Анодный вывод блока ДДРВ соединен с катодом первого ДГУ, емкостный накопитель включен между положительным выводом силового источника и вторым выводом сопротивления нагрузки. Второй вывод первого запускающего конденсатора соединен с анодом шестого ДГУ, с катодом диодного блока и с положительным выводом дополнительного источника. Анод диодного блока соединен с положительным выводом силового источника. Первый вывод статического делителя заземлен, остальные выводы соединены с анодами ДГУ. Один вывод второго запускающего конденсатора соединен с анодом четвертого ДГУ, второй вывод заземлен, третий запускающий конденсатор подключен между анодом шестого ДГУ и анодом второго ДГУ.
Статический делитель выравнивает напряжение между ДГУ в исходном состоянии. Силовой источник производит зарядку емкостного накопителя. Цепь управления и блок ДДРВ формируют высоковольтный импульс наносекундной длительности, обеспечивающий переключение первой группы динисторов, состоящей из четырех ДГУ. Остальные два включаются волной перенапряжения, образованной запускающими конденсаторами после включения первой группы динисторов. Дополнительный источник питания обеспечивает приложение к динисторам максимально допустимого напряжения при любом напряжении зарядки емкостного накопителя. При этом достигается минимальная энергоемкость цепи управления.
Недостатком этого генератора является недостаточно высокая эффективность процесса формирования высоковольтных импульсов напряжения, обусловленная потерями энергии в блоке ДДРВ при протекании силового тока и потерями энергии в ДГУ в процессе нарастания тока разряда емкостного накопителя.
Таким образом, существующие полупроводниковые генераторы высоковольтных импульсов с наносекундным фронтом нарастания не могут обеспечить формирование мощных электрических импульсов с малыми потерями энергии.
Предлагаемая полезная модель решает задачу повышения эффективности работы мощного полупроводникового генератора высоковольтных импульсов с наносекундным фронтом нарастания.
Задача решается генератором высоковольтных импульсов с наносекундным фронтом нарастания, содержащим силовой источник питания, емкостной накопитель энергии, сопротивление нагрузки, первый диодный блок, статический делитель напряжения, дополнительный источник питания, блок динисторов с глубокими уровнями, блок дрейфовых диодов с резким восстановлением, цепь управления, первый вывод емкостного накопителя энергии подключен к первому выводу силового источника, второй - ко второму выводу сопротивления нагрузки, катодный вывод первого диодного блока соединен с первым выводом дополнительного источника и с анодным выводом блока динисторов с глубокими уровнями, вторые выводы основного и дополнительного источников питания и первые выводы сопротивления нагрузки и статического делителя напряжения заземлены, остальные выводы статического делителя напряжения соединены с анодами динисторов блока динисторов с глубокими уровнями, анодный вывод блока дрейфовых диодов с резким восстановлением соединен с катодным выводом блока динисторов с глубокими уровнями, цепь управления подключена параллельно блоку дрейфовых диодов с резким восстановлением, в который, согласно полезной модели, дополнительно введены дроссель с насыщающимся сердечником и второй диодный блок, причем дроссель включен между анодным выводом первого диодного блока и первым выводом емкостного накопителя энергии, второй диодный блок соединен катодным выводом с анодным выводом блока динисторов с глубокими уровнями, а анодным выводом - с катодным выводом блока дрейфовых диодов с резким восстановлением, анодный вывод которого заземлен.
Полезная модель поясняется электрической схемой на Фиг., где:
1 - силовой источник питания (СИП);
2 - емкостной накопитель энергии;
3 - сопротивление нагрузки (СН);
4 - первый диодный блок;
5 - статический делитель напряжения (СД);
6 - дополнительный источник питания (ДИП);
7 - блок динисторов с глубокими уровнями (ДГУ);
8 - блок дрейфовых диодов с резким восстановлением (ДДРВ);
9 - цепь управления (ЦУ);
10 - дроссель с насыщающимся сердечником;
11 - второй диодный блок.
Силовой источник питания 1 обеспечивает зарядку емкостного накопителя 2 до рабочего напряжения. Величина рабочего напряжения может меняться, но не превосходит величину выходного напряжения дополнительного источника 6. Дополнительный источник питания 6 имеет большое внутреннее сопротивление и мощность, значительно меньшую, чем силовой источник 1. Он обеспечивает приложение к блоку динисторов с глубокими уровнями 7 максимально допустимого напряжения. Статический делитель 5 обеспечивает равномерное распределение напряжения между последовательно соединенными динисторами блока 7. Первый диодный блок 4 блокирует разность выходных напряжений источников 6 и 1. При этом при любом напряжении зарядки емкостного накопителя 2 напряжение на блоке динисторов 7 остается практически неизменным и равным максимально допустимому. В результате достигается максимальный КПД процесса переключения блока 7.
Блок ДДРВ 8 и цепь управления 9 формируют быстронарастающий высоковольтный импульс напряжения, инициирующий переключение блока динисторов 7. Дроссель с насыщающимся сердечником 10 обладает большой исходной индуктивностью и ограничивает скорость нарастания силового тока до момента насыщения сердечника. При этом после переключения блока динисторов 7 через него пропускается небольшой ток цепи управления 9, обеспечивающий существенное увеличение проводимости ДГУ 7 к моменту резкого нарастания силового тока. Второй диодный блок 11 блокирует напряжение, приложенное к блоку динисторов 7. При этом исключается влияние силовой цепи на цепь управления 9 и блок ДДРВ 8.
Таким образом, введение в схему генератора второго диодного блока 11 позволило вывести блок ДДРВ 8 из силовой цепи. При этом через блок 8 протекает только ток цепи управления 9, и потери энергии в нем малы. В результате введения дросселя с насыщающимся сердечником 10 быстрый разряд емкостного накопителя 2 осуществляется с задержкой после включения блока динисторов 7. При этом в момент резкого нарастания силового тока проводимость ДГУ 7 достаточно высока, и потери энергии в блоке динисторов 7 невелики.
Устройство работает следующим образом.
Сначала, с помощью цепи управления 9 через блок ДДРВ 8 в прямом для диодов направлении пропускается ток включения. В результате в структурах диодов накапливаются электроны и дырки. Затем цепь управления 9 формирует короткий импульс тока выключения, протекающий через блок ДДРВ 8 в обратном направлении. При этом обеспечивается вывод из диодных структур накопленной электронно-дырочной плазмы. Последующее быстрое (единицы наносекунд) выключение блока ДДРВ 8 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 8 ток цепи управления 9 коммутируется в блок динисторов 7. В результате происходит зарядка собственных емкостей ДГУ, и напряжение на блоке 7 резко нарастает. При достижении требуемого для переключения уровня напряжения происходит синхронное включение динисторов блока 7. В процессе формирования запускающего уровня напряжения первый диодный блок 4 и дроссель 10 препятствуют ответвлению тока цепи управления 9 в цепь емкостного накопителя 2. После переключения динисторов через блок 7 протекает фактически только ток цепи управления 9, так как ток разряда накопителя 2 ограничен большой исходной индуктивностью дросселя 10. При этом осуществляется модуляция проводимости динисторов блока 7. В момент насыщения сердечника дросселя 10 его индуктивность резко уменьшается, В результате в блок динисторов 7 и в сопротивление нагрузки 3 коммутируется мощный быстронарастающий ток разряда накопителя 2. Параметры дросселя 10 выбираются таким образом, чтобы в момент насыщения его сердечника проводимость динисторов блока 7 была достаточно высока, и обеспечивались бы малые потери энергии при резком нарастании силового тока. В процессе разряда накопителя 2 блок диодов 11 препятствует ответвлению силового тока в цепь управления 9.
Пример исполнения.
По предлагаемому в полезной модели решению был изготовлен экспериментальный образец полупроводникового генератора высоковольтных импульсов с наносекундным фронтом нарастания. Так же как и в устройстве-прототипе в блоке динисторов 7 использовалось шесть последовательно соединенных ДГУ с диаметром структур 12 мм. Делитель 5, источники питания 1 и 6, блок ДДРВ 8 и первый диодный блок 4 были выполнены аналогично устройству-прототипу. Выходное напряжение дополнительного источника 6 поддерживалось постоянным (12кВ). Во втором диодном блоке 11 использовалось восемь последовательно соединенных кремниевых диодов с диаметром структур 10 мм и рабочим напряжением 1500 В. Дроссель 10 имел шесть витков и кольцевой ферритовый сердечник размером 25,3×14,8×10 мм.
В процессе исследований были показаны следующие преимущества полезной модели относительно устройства-прототипа: при одинаковой емкости накопителя 2 (250 нФ), одинаковом сопротивлении нагрузки 3 (2 Ом) и одинаковом напряжении зарядки емкостного накопителя 2 амплитуда силового тока в полезной модели была на 10% больше, чем в устройстве-прототипе. Это свидетельствует о соответствующем уменьшении потерь энергии и увеличении эффективности работы полезной модели.
В полезной модели цепь управления 9 была собрана по схеме устройства-прототипа, но имела примерно в 1,5 раза большую энергоемкость. Однако, в отличие от устройства-прототипа, в полезной модели нет высоковольтных запускающих конденсаторов и нет потерь энергии при их зарядке и разряде. Так как энергоемкость силовой цепи более чем на порядок выше энергоемкости цепи управления, то при сравнении эффективности полезной модели и устройства-прототипа небольшими отличиями КПД процессов переключении блока динисторов 7 можно пренебречь.