Оценка режима работы емкостного накопителя в высоковольтных генераторах наносекундных импульсов

УДК 621.373

Т. Н. Литвиненко

Оценка режима работы емкостного накопителя в высоковольтных генераторах наносекундных импульсов

Выполнен анализ режима работы емкостного накопителя при раннем отключении полупроводникового прерывателя тока в высоковольтных генераторах наносекундных импульсов и предложены рекомендации по выбору оптимального момента отключения прерывателя.

С обнаружением БОБ-эффекта (наносекундного обрыва сверхплотных токов) появилась возможность разрабатывать генераторы наносекундных импульсов с улучшенными техническими характеристиками (по сравнению с генераторами с использованием магнитных ключей) и более продолжительным сроком службы (по сравнению с генераторами на плазменных приборах) [1]. БОБ-эффект был открыт в 1992 г. в полупроводниковых диодах, и это позволило создавать генераторы импульсов наносекундного диапазона с использованием индуктивного накопителя и полупроводникового прерывателя тока [2]. Такой подход, как отмечено в [3], позволяет технически просто получать значения напряжений порядка сотен киловольт, а также относительно просто обеспечить требуемый уровень изоляции при формировании высоковольтных коротких импульсов. Кроме этого, в индуктивном накопителе обеспечивается более высокая плотность запасаемой энергии, чем в случае емкостного накопителя.

В качестве прерывателя тока индуктивного накопителя в генераторах стали применяться высоковольтные полупроводниковые диоды с БОБ-эффектом (или БОБ-диоды) [4]. Как известно, генераторы на основе БОБ-диодов могут работать с высокой частотой следования импульсов, что обеспечивает достижение высокой удельной средней мощности. Таким образом, генераторы этого типа компактны, надежны и имеют длительный срок службы.

Несмотря на недавнее появление генераторов на основе БОБ-диодов, они нашли широкое применение в разнообразных высокотехнологических приложениях: очистка и дезинфекция воды, накачка газовых лазеров, ионизация воздуха стримерным разрядом для удаления токсичных примесей, электросинтез озона и др. Генераторам на БОБ-диодах посвящено множество публикаций, в которых публикуются экспериментальные данные, полученные при исследовании макетных образцов генераторов наносекундных импульсов, а также результаты испытания полупроводниковых прерывателей (например [1, 2, 4-6]).

Одним из основных факторов, который влияет на величину энергии, отдаваемой из выходного контура генератора в нагрузку, является момент отключения полупроводникового прерывателя. В работе [2] был экспериментально исследован генератор, в котором наблюдался режим раннего отключении тока прерывателем и было установлено, что такой режим повышает значение отдаваемой энергии в нагрузку. Цель уве-

личения энергии, отдаваемой в нагрузку, заставляет осуществлять выбор момента отключения прерывателя на этапе разработки генератора, так как не всегда только подстройкой параметров выходного контура генератора можно добиться оптимального результата. Однако, до настоящего времени процессы отдачи энергии в нагрузку для таких емкостных накопителей и пути повышений их эффективности работы изучены недостаточно. Поэтому в статье предлагается детальное рассмотрение процесса отдачи энергии в нагрузку и разработка рекомендаций по выбору оптимального момента отключения полупроводникового прерывателя тока, что является актуальным и востребованным практикой.

На первом этапе рассмотрим наносекундный обрыв сверхплотных токов полупроводниковым прерывателем. Экспериментальное исследование БОБ-эффекта в работах в [5, 6] показало, что эффект резкого обрыва обратного тока наблюдался в высоковольтных выпрямительных диодах, предназначенных для выпрямления переменного тока, следующих типов: КЦ105Д, КЦ201Е, СДЛ 0,4-500 и др. При этом время обрыва обратного тока было существенно меньше времени жизни дырок в базе диодов.

На рис. 1. изображены зависимости тока через прерыватель и напряжения на нем от времени, которые демонстрируют эффект резкого обрыва тока (БОБ-эффект). Из этого рисунка следует, что ток через прерыватель до момента обрыва изменяется во времени по синусоидальному закону.

Импульс прямого тока !р , протекающего в течение времени , обеспечивает заполнение электронно-дырочной плазмой базы диода и таким образом создает прямую накачку носителями прерывателя;

импульс обратного тока 1К , протекающий в течение

времени , создает обратную накачку прерывателя. При обрыве тока на прерывателе появляется напряжение Пт . Длительность импульса напряжения 1р

(определяемая параметрами выходного контура и нагрузки генератора) соизмерима с длительностью обрыва тока прерывателем .

Экспериментальные исследования из [2] показали, что в полупроводниковом диоде подбором плотности тока и времени накачки удается достичь режима нано-

© Т. Н. Литвиненко 2007 р.

секундного обрыва сверхплотных токов, т. е. в диоде в этом случае наблюдается БОБ-эффект. При этом время обрыва тока может быть на порядок меньше длительности протекания обратного тока . График, который демонстрирует область существования БОБ-эффекта для диодов типа КЦ105Д, представлен на рис. 2 (на нем область БОБ-эффекта выделена в виде прямоугольника). Из графика видно, что для диодов типа КЦ105Д (длина базы 100 мкм, площадь структуры

0,02 см2) резкий обрыв обратного тока, характеризующийся временем обрыва тока t0 = 8 -10 нс , наблюдается в области значений времени прямой накачки tF = 100-200 нс и плотности прямого тока

= 10 - 60 кА/см2.

Рис. 1. Зависимость тока через прерыватель и напряжения на нем от времени

Диод, работающий в области БОБ-эффекта, по характеристике отключения является диодом с «жестким» режимом восстановления. Под коэффициентом жесткости понимается отношение длительности фазы высокой обратной проводимости к времени спада обратного тока. У диодов, работающих в режиме БОБ-эффекта, коэффициент жесткости может достигать 10. При переключении в контуре с индуктивным накопителем в нагрузке перенапряжения могут составить 200-300 %.

Схема из работы [7], которая позволяет осуществить прямую и обратную накачку прерывателя, приведена на рис. 3. По существующей классификации она относится к двухконтурной схеме накачки. В данной расчетной эквивалентной схеме накачки прерывателя используется следующее допущение: нелинейные магнитные самонасыщающиеся ключи заменены идеальными ключами 5 , 52 и линейными индуктив-ностями Ь1, Ь2 соответственно. Таким образом, при анализе не учитываются процессы перемагничивания сердечников магнитных ключей. Такое допущение справедливо при рассмотрении основных электромагнитных процессов в контурах схемы, так как время переключения магнитного ключа гораздо меньше длительности протекания тока через прерыватель.

Схема на рис. 3 состоит из двух контуров: прямой накачки прерывателя и обратной накачки. Конденсатор С1 предварительно заряжен до напряжения и0. При замыкании ключа 5 конденсатор подключается к высоковольтному диоду Уй через индуктивность Ь1. Через диод Уй протекает прямой ток, образуя контур прямой накачки. Прямая накачка диода заканчивается в момент перехода прямого тока через нулевой уровень. При последующем замыкании ключа 52 и размыкании происходит включение в последовательную цепь с диодом Уй и индуктивностью Ь2 конденсатора С2. Через диод Уй протекает обратный ток, образуя контур обратной накачки. Разделение контуров прямой и обратной накачки прерывателя позволяет регулировать длительность протекания обратного тока через прерыватель (независимо от контура прямой накачки).

Рис. 2. Зависимость плотности тока прямой накачки и времени обрыва тока ^ от длительности прямой накачки tF

Рис. 3. Расчетная схема двухконтурной накачки полупроводникового прерывателя тока

При отключении тока прерывателем, когда ток через него достигает амплитудного значения (на рис. 4),

накопительный конденсатор обратной накачки С2 (на рис. 3) подзаряжается (в течение длительности выходного импульса) до напряжения АПС2, которое показано на рис. 4. Таким образом, не вся начальная энергия накопителя поступает в нагрузку. Это наблюдается в том случае, когда длительность формируемого импульса лишь в несколько раз меньше длительности обратной накачки. При раннем отключении тока прерывателем (т. е., когда ток прерывателя не достиг амплитудного значения) практически всю энергию накопителя (без учета активных потерь) удается на практике передать в нагрузку.

На рис. 4. пунктирной линией изображен обрыв тока в случае раннего отключения тока прерывателем. Этому случаю отключения тока прерывателем соответствует на рис. 4. значение угла у отключения тока, отсчитываемого (в направлении запаздывания) относительно точки начала процесса обратной накачки прерывателя. При этом значение угла у, исходя из условия раненого отключения тока, должно быть меньше, чем П2, на некоторый угол р . Угол р (который отсчиты-вается влево от точки перехода напряжения на конденсаторе С2 через ноль) в дальнейшем будем называть углом опережения.

Угол опережения связан с углом отключения тока прерывателем следующим соотношением:

п

у = у-Р.

Напряжение на емкостном накопителе С2 до обрыва тока изменяется по косинусоидальному закону:

*C 2

(S) = UC02 cosS

где 9=юя/ - относительное время, ак - круговая частота контура обратной накачки.

Д Uc2

-Д Uc2

1 lVD, llC2 ltd Ш

2 i9

1 1

¡VD 1 4 f i i 0

Подставив в выражении (2) вместо иС2(&) остаточное напряжение АПС2 на конденсаторе С2 и решив тригонометрическое уравнение, запишем зависимость для угла отключения тока прерывателем в виде:

( AUC

у = arccos -

где AUC

V UC02

остаточное напряжение на емкостном на

копителе С2; иС02 - начальное напряжение на емкостном накопителе .

Угол у отключения тока можно регулировать только путем изменения величины тока и времени накачки. Эти два параметра определяют время жизни электронно-дырочной плазмы в структуре прерывателя. Чем выше ток и время накачки, тем быстрее рекомби-нирует плазма и раньше начинается обрыв тока (увеличивается угол р).

Для определения эффективности использования энергии емкостного накопителя С2 в генераторах на-носекундных импульсов при раннем отключении тока (по сравнению с режимом отключения тока при амплитудном значении) необходимо получить зависимость для начальной и остаточной энергии, а затем дать оценку относительной величины энергии, которая остается в емкостном накопителе С2 после формирования выходного импульса.

Начнем с получения соотношений для тока и напряжения на емкостном накопителе (конденсаторе обратной накачки). Так как в момент обрыва тока прерывателем в индуктивности Ь2 запасен некоторый ток 10, то ток через конденсатор С2 рис. 3 будет описываться формулой:

2

+ cos юд t

где юН - круговая частота контура нагрузки.

Соотношение для напряжения на конденсаторе C2 найдем, интегрируя выражение (4):

ис (t)~ (Гjicdt = 77" j V(1 + cosю^)dt =

C2 2

1 1o 1 1o •

— t +-—;-• — sin raHt

C2 2 ЮНС2 2

Энергия, запасенная в конденсаторе C2, определяется соотношением:

Wc 2 =

U(22 • C2 2

Рис. 4. Работа прерывателя VD с учетом угла опережения Р

При расчете остаточной энергии на конденсатре С2 необходимо использовать значение остаточного напря-

с

жения на емкости (в момент юН t = п/ 2), когда основная энергия контура обратной накачки будет выведена в нагрузку (и ток через конденсатор спадет до нуля). С учетом последнего получим из соотношения (5):

AUC 2 --

А

2C2

-• t„

где ^ - длительность протекания тока через конденсатор С2.

Длительность tи протекания тока через накопитель С2 зависит от параметров полупроводникового прерывателя, контура обратной накачки и нагрузки. Поэтому получить точное выражение для длительности трудно. Отметим только то, что для большинства генераторов эта длительность составляет на практике (11,2) от значения длительности выходного импульса, измеренного на уровне половины амплитуды этого импульса.

Путем подстановки (7) в (6) определяется остаточная энергия конденсатора С2:

WT -=\C • tu

C2 102 • tu" C2 12 • tU

,2 ,2

2

2C22 2

8C2

Соотношение (8) учитывает остаточную энергию на конденсаторе С2, которая накапливается в течение процесса обрыва обратного тока полупроводниковым прерывателем, так как входящее в это соотношение

время tи является функцией времени обрыва обрат-

ного тока t

0

Так как ток /0, накопленный в индуктивности Ь2, зависит от значения начального напряжения на конденсаторе С2, то найдем его следующим образом:

10 = ис02 • С2 • ^ = ис02 • С2 ,

После подстановки (9) в (8) выражение для остаточной энергии на конденсаторе С2 имеет вид:

ост 102 •t2 (UC02 • tu )2 С2

WrV = С 2 8C

8

Начальную энергию на конденсаторе С2 можно определить по формуле (6), подставив в нее начальное напряжение на данном конденсаторе:

Wнач = UC02 • C2 Wc2 = 2

Относительное значение энергии, которая не поступает в нагрузку при формировании выходного им-

пульса, можно найти как отношение остаточной энергии конденсатора С2 к начальной:

А-

wc02т

wcT

R • tu 2

Для генератора наносекундных импульсов, характеризуемого параметрами контура обратной накачки:

С2 = 800 пФ , Ь2 = 30 мкГн (/0 = 270 А) и параметрами нагрузки: ЯН = 1 кОм, СН = 20 пФ , - произведение юя • ^ равно примерно 0,5. С учетом этого, относительное значение энергии, которую не удается отдать в нагрузку при отключении тока прерывателем (при амплитудном значении тока) составит:

0,5

2

А = | - 0,0625 и 0,063 .

Остаточное напряжение на конденсаторе С2 компенсируется поступающей энергией от конденсатора С1 (при разряде конденсатора на конденсатор в процессе прямой накачки прерывателя тока в схеме рис. 3). Как отмечено в [8], для эффективной передачи энергии из конденсатора С1 в конденсатор С2 емкости обоих конденсаторов должны быть одинаковы. Кроме того, на это оказывают влияние активные потери в контуре передачи энергии и остаточное напряжение на конденсаторе . Выражение для коэффициента передачи энергии от конденсатора С1 к конденсатору С2 имеет следующий вид:

C2

(

2

п =

1 + е 2е

\ У

(1+(и/ C2 ))2

1 -J

AU,

2

C2

UC

где иС02 - напряжение на конденсаторе С2 в конце процесса прямой накачки; АПС2 - остаточное напряжение на конденсаторе С2; иС01 - напряжение на конденсаторе С1 в начале процесса прямой накачки; Q -добротность контура прямой накачки.

Из (14) следует, что, чем больше остаточное напряжение АПС 2, тем меньше становится эффективность отдачи энергии из емкости С1. Энергия, которая будет недополучена от конденсатора С1, равна остаточной

энергии конденсаторе С2 и в процентном эквиваленте для генератора с выше упомянутыми параметрами составит 6 %. Теперь можно рассчитать полную энергию потерь в относительных единицах:

Х +

2

2

Таким образом, в случае работы емкостного накопителя С2 при раннем отключении прерывателя тока удается повысить передачу энергии в нагрузку на 12 % от начальной энергии емкостного накопителя С2 .

Предложены рекомендации по выбору оптимального момента отключения прерывателя тока:

1. Исходя из длительности выходных импульсов генератора (заданной тех. заданием), следует оценить

время обрыва обратного тока прерывателем ^. При

этом время ^ приблизительно в (3-4) раза меньше длительности выходного импульса, измеренного на полувысоте. По параметру ^ осуществляется предварительный выбор типа полупроводникового прерывателя (так как в дальнейших расчетах необходимо знать параметры прерывателя).

2. По графикам плотности тока прямой накачки JF и времени обрыва тока t0 в зависимости от длительности прямой накачки tF для выбранного прерывателя (пример которой приведен на рис. 2), исходя из площади полупроводниковой структуры прерывателя, определяются ток ^ и время прямой накачки .

3. Находится оптимальный момент времени отключения прерывателя, который задается согласно (3) величиной времени обратной накачки прерывателя для случая раннего отключения тока:

tR =

roR

1

-arcco:

/-AU

C 2

'v U

C 02

При этом значение остаточного напряжения АПС 2 на накопителе С2 определяется из соотношения (7).

4. Вычисляется коэффициент сжатия, под которым понимается отношение времени прямой накачки к времени обратной накачки (обычно коэффициент находится в пределах от 3 до 5) [2].

5. Определяется величина тока обратной накачки,

исходя из величины тока прямой накачки 1р. и значения коэффициента сжатия:

!r = ^сж ' ^F

При этом начальное значение тока в контуре обратной накачки 10 в момент начала отключения тока прерывателем должно быть равным амплитуде тока обратной накачки !н.

Выводы

1. Из проведенного анализа режима работы емкостного накопителя следует, что случай раннего отключения тока полупроводниковым прерывателем является более эффективным (по сравнению с отключением тока при амплитудном значении). При раннем отключении тока практически вся начальная энергия емкостного накопителя (без учета активных потерь) передается в нагрузку в течение длительности формирования выходного импульса.

2. Предложенные рекомендации по выбору момента отключения прерывателя оптимальны с точки зрения максимальной отдачи энергии, накопленной емкостным накопителем, в нагрузку.

Перечень ссылок

1. Рукин С. Н. Генераторы мощных наносекундных импульсов с полупроводниковыми прерывателями тока. // Приборы и техника эксперимента, 1999. -№ 4. - С. 5-36.

2. Любутин С. К., Рукин С. Н., Тимошенков С. П. Исследование полупроводникового размытеля тока в мощных импульсных генераторах с промежуточным индуктивным накопителем // IX Симпозиум по сильноточной электронике. Тезисы докладов 21 -30 июля 1992. - Томск. - С. 218-219.

3. Кремнев В. В., Месяц Г. А. Методы умножения и трансформации импульсов в сильноточной электронике. - Новосибирск: Наука, 1987. - 223 с.

4. БОБ-диоды: наносекундные прерыватели сверхплотных токов. С. А. Дарзнек, С. К. Любутин, С. Н. Рукин и др. // Электротехника, 1999. - № 4. - С. 20-28.

5. Твердотельный прерыватель тока для генерирования мощных наносекундных импульсов. Ю. А. Котов, Г. А. Месяц, С. Н. Рукин, А. Л. Филатов // Доклады международной академической издательской компании. - М.: Наука, 1993. - Т. 330. - № 3. -С. 315-317.

6. БОБ-эффект: наносекундный обрыв сверхплотных токов в полупроводниках. С. А. Дарзнек, Ю. А. Котов, Г. А. Месяц, С. Н. Рукин // Доклады международной академической издательской компании. -М.: Наука, 1994. - Т. 334. - № 3. - С. 304-306.

7. Дарзнек С. А., Месяц Г. А., Рукин С. Н. Динамика электронно-дырочной плазмы в полупроводниковых прерывателях сверхплотных токов. // Журнал технической физики, 1997. - Т. 67. - Вып. 10. - С. 64-70.

8. Литвиненко Т. Н., Семенов В. В. Генератор высоковольтных субмикросекундных импульсов. // Техн. електродинамка. Тем. випуск: Проблеми сучасноТ електротехшки. Ч.4. - 2004. - С. 49-54.

Поступила в редакцию 23.10.06 г.

После доработки 15.02.07г. Виконано SHani3 режиму роботи емнюного накопичувача при ранньому eidiMKHeHHi HanienpoeidHUKO-вого переривача струму в високовольтних генераторах наносекундних ÎMnynboie та зaпpoпoнoвaнi рекомендацИ' що до вибору оптимальноï митi вiдiмкнeння переривача.

The operation mode analyses of the capacitance accumulation for early switch-on of the semiconductor opening switch in the high-voltage nanosecond generator is performed and some guidelines for the optimal moment switch-off choice is proposed.