МОЩНЫЙ ПОЛУПРОВОДНИКОВЫЙ ГЕНЕРАТОР

МОЩНЫЙ ПОЛУПРОВОДНИКОВЫЙ ГЕНЕРАТОР.
Предлагаемая полезная модель относится к области импульсной техники, точнее - к генерированию электрических импульсов, и может быть использована, например, в системах электроразрядной очистки промышленных газовых выбросов, в которых для надежной и безопасной эксплуатации необходимо формирование мощных импульсов тока большой длительности с малой длительностью нарастания фронта.
Для формирования мощных, но коротких импульсов тока (наносекундного диапазона длительности) в настоящее время существуют мощные полупроводниковые генераторы на основе дрейфовых диодов с резким восстановлением (ДДРВ) 1. Их принцип действия основан на эффекте быстрого восстановления запирающей способности ДДРВ при изменении полярности тока в силовой цепи, состоящей из последовательно включенных ДДРВ, инд5чстивности и силового конденсатора. Сначала через силовую цепь пропускается короткий (не более 300-400 наносекунд) импульс прямого тока 1у с плотностью не более 100 ампер на квадратный сантиметр рабочей площади ДДРВ. Этот ток создает резко неоднородное распределение электроннодырочной плазмы в п-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 п-база ДДРВ полностью освобождается от заряда неосновных носителей, накопленного в процессе прохождения прямого тока 1у. При этом  переход ДДРВ смещается в запорном направлении, и образующаяся область объемного заряда расширяется в п-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) обрью тока в ДДРВ и коммутация тока силовой цепи в параллельно подключенную нагрузку.
Недостатком генератора 1 является малая длительность коммутируемых в нагрузку импульсов силового тока (существенно меньше одной микросекунды), обусловленная малой величиной заряда Q, накопленного в силовом конденсаторе при
прохождении тока ly. Малая величина заряда Q определяется принципиально малой длительностью тока 1у и сравнительно малой амплитудой этого тока, обусловленной малой величиной предельно допустимой плотности тока через ДДРВ.
Известен также мощный полупроводниковый генератор на основе реверсивно включаемого динистора (РВД) 2, взятый за прототип. Он содержит силовую цепь, состоящую из последовательно включенных РВД, силового емкостного накопителя энергии и вторичной обмотки трансформатора с насыщающимся сердечником, а также нагрузку и цепь запуска, подключенную к первичной обмотке трансформатора и состоящую из последовательно соединенных запускающего емкостного накопителя и ключа. При включении ключа цепи запуска на вторичной обмотке трансформатора возникает короткий импульс напряжения, амплитуда которого превышает величину напряжения заряда силового накопителя. При этом через РВД проходит импульс обратного тока 1у, обеспечивающий накопление в его структуре управляющего заряда, необходимого для последующего переключения. В момент насыщения сердечника трансформатора к РВД прикладывается прямое напряжение, он без задержки переключается и коммутирует в нагрузку импульс силового тока, являющийся током разряда силового накопителя. Если величина управляющего заряда достаточно велика, то переключение РВД происходит однородно по площади его структуры и с очень малыми потерями энергии, что обеспечивает высокие коммутационные возможности РВД при коммутации быстронарастающих импульсов силового тока. Так как РВД является прибором тиристорного типа, то длительность силового тока, проходящего через РВД после его переключения, определяется только величиной заряда Q, запасаемого в силовом емкостном накопителе в исходном состоянии. В рассмотренном генераторе, в отличие от устройства-аналога, не существует физических ограничений по длительности процесса зарядки и величине зарядного тока силового емкостного накопителя, и величина заряда Q может быть очень велика. При этом длительность импульса силового тока, коммутируемого в нагрузку, может составлять десятки и сотни микросекунд.
Недостатком устройства-прототипа является сравнительно большая длительность фронта нарастания коммутируемого в нагрузку импульса силового тока не менее нескольких сотен наносекунд. Она определяется достаточно большой длительностью процесса установления стационарной проводимости в РВД вследствие относительно малой скорости диффузии носителей, заполняющих базовые области РВД в процессе коммутации силового тока.
Таким образом, существующие мощные полупроводниковые генераторы не могут обеспечить сочетание короткого (наносекундного) фронта нарастания с большой (микросекзшдной) длительностью импульсов силового тока, коммутируемых в нагрузку, что необходимо при эксплуатации систем электроразрядной очистки промышленных газовых выбросов, в которых используются мощные генераторы импульсов. В этих системах необходимо повышать однородность прохождения тока в коронном разряде газового промежутка для устранения возможности возникновения искрового пробоя, приводящего к аварийной ситуации, для чего нужно повысить эффективность воздействия на нагрузку, т.е. коммутировать импульсы с резким возрастанием фронта и большой длительностью.
Задачей предлагаемой полезной модели является создание мощного полупроводникового генератора, обеспечивающего повышение надежности и безопасности эксплуатации систем электроразрядной очистки газов путем увеличения эффективности воздействия на физическую нагрузку.
Задача решается тем, что в мощном полупроводниковом генераторе, включающем силовую цепь из последовательно соединенных силового емкостного накопителя энергии, реверсивно включаемого динистора, подключенного анодом к положительному выводу силового емкостного накопителя, а катодом к началу вторичной обмотки трансформатора с насьш ающимся сердечником, и нагрузки, и цепь запуска, подключенную к первичной обмотке трансформатора, содержащую последовательно соединенные запускающий емкостный накопитель энергии, подключенный отрицательным выводом к концу первичной обмотки трансформатора, и ключ, в генератор дополнительно введен дрейфовый диод с резким восстановлением, подключенный параллельно нагрузке так, что его анод соединен с отрицательным выводом упомянутого силового емкостного накопителя.
Электрическая схема предлагаемой полезной модели представлена на Фиг., где:
1-силовой емкостный накопитель энергии;
2- реверсивно включаемый динистор;
3-вторичная обмотка трансформатора;
4-нагрузка;
5- первичная обмотка трансформатора;
6-запускающий емкостной накопитель энергии;
7-ключ;
ИСХОДНОМ состоянии силовой елясостной накопитель энергии 1 и запускающий емкостной накопитель 6 заряжены с указанной на Фиг. полярностью. При включении ключа 7 на вторичной обмотке 3 трансформатора с насыщающимся сердечником возникает короткий (300-400 не.) импульс напряжения, амплитуда которого превышает величину напряжения заряда накопителя 1. В результате через РВД 2 в обратном направлении и через ДДРВ 8 в прямом направлении проходит короткий импульс тока 1у, обеспечивающий накопление заряда электронно-дырочной плазмы в их структурах. В момент насыщения сердечника трансформатора к РВД 2 прикладывается прямое напряжение, он без задержки переключается и коммутирует во вторичную обмотку 3 трансформатора импульс тока разряда накопителя 1, нарастающий за время 200-300 НС. Этот ток проходит через ДДРВ 8 в обратном направлении и обеспечивает полное освобождение п-базы диода от плазмы, накопленной в процессе пропускания импульса тока 1у. В результате ДДРВ 8 очень быстро восстанавливает свою запирающую способность. При этом проходящий через ДДРВ 8 силовой ток резко обрывается и -коммутируется в нагрузку 4. Длительность фронта нарастания тока в нагрузке 4 определяется временем прерывания тока в ДДРВ 8 и составляет единицы наносекунд. После обрыва тока в ДДРВ 8 в схеме осуществляется медленный разряд силового накопителя 1 через РВД 2, вторичную обмотку 3 трансформатора и нагрузку 4. При этом через нагрузку 4 проходит импульс силового тока, длительность которого определяется величиной заряда Q, накопленного в накопителе 1. Так как принцип работы генератора не вносит ограничений на величину заряда Q, то длительность импульса силового тока, коммутируемого в нагрузку, может быть очень велика десятки и сотни микросекунд.
Пример.
Для проведения экспериментов по схеме на Фиг. был изготовлен полупроводниковый импульсный генератор. В качестве накопителей 1 и 6 использовались батареи конденсаторов с емкостью 500 нФ и 6,6 нФ, соответственно, в качестве ключа 7 - водородный тиратрон ТГИ1-270/12, в качестве нагрузки 4 - набор резисторов типа ТВО с общим сопротивлением 10 Ом. Сердечник трансформатора был изготовлен из ферритов типа НМС-2500 и имел размер 40x30x80 мм . Обмотки 3 и 5 трансформатора были выполнены из коаксиального кабеля РК - 50 и имели по 6 витков. Ключ РВД 2 состоял из четырех последовательно соединеннных реверсивно включаемых динисторов с диаметром структуры 10 мм и рабочим напряжением 1000 В. Ключ ДДРВ 8 был выполнен из четьфех последовательно соединенных диодов с диаметром структуры 24 мм и рабочим напряжением 1000 В. Напряжение заряда
)5T
- 4
накопителя 1-3 кВ, накопителя 6-9 кВ. В процессе экспериментов на нагрузке 4 были сформированы импульсы напряжения с амплитудой  3 кВ, фронтом нарастания -12 НС. и длительностью -15 мкс. Частота следования импульсов 100 Гц.
По сравнению с прототипом длительность фронта импульса уменьшилась примерно на порядок величины при той же длительности самого импульса, что доказывает существенное повышение эффективности воздействия на нагрузку и, тем самым, повышение безопасности и надежности эксплуатации систем, содержащих предлагаемый генератор.
ioo-/y &f f
- 5 Литература. 1.Патент № 2009611, Бюлл. Изобретений № 5,1994г.
2.Ж..Электротехника, №3,1986, с.44, рис.2, схема б, Энергоатомиздат.