ВЫСОКОВОЛЬТНЫЙ ПОЛУПРОВОДНИКОВЫЙ КОММУТАТОР ТОКА
HIGH-VOLTAGE SEMICONDUCTING SWITCHING DEVICE

Изобретение относится к элементам конструкции высоковольтных полупроводниковых коммутаторов (ВПК) тока на основе мощных диодов, динисторов, тиристоров и других приборов силовой электроники. Изобретение может использоваться в мощных системах импульсного питания (СИП) различного назначения (электротехнологические установки, экспериментальные физические комплексы и т.п.), где требуется переключение мега- и гигаваттных мощностей в субмиллисекундном диапазоне в моноимпульсном режиме работы.
На сегодняшний день ВПК тока во многом определяют технико-экономические характеристики СИП. Это обусловлено, с одной стороны, ростом числа ВПК тока в составе СИП (их количество может достигать десятков и сотен в одной системе импульсного питания), а с другой стороны, тем, что основные характеристики ВПК: величина удельной коммутируемой мощности, габариты, надежность и стоимость, в значительной степени определяют реализуемость СИП с требуемыми параметрами. В связи с этим разработка компактных, надежных, сравнительно дешевых в производстве и удобных в эксплуатации высоковольтных полупроводниковых коммутаторов тока является чрезвычайно актуальной и важной задачей.
Характерные значения рабочего напряжения современных СИП составляют десятки кВ, а тока - сотни кА. При этом ВПК представляет собой сборку из последовательно соединенных полупроводниковых приборов (ПП) таблеточной конструкции. Электрические и тепловые контакты между ПП внутри сборки, а также между ПП и внешними токоподводящими электродами обеспечиваются с помощью сжимающих усилий, которые создаются стягивающей сборку системой прижима. Рабочее напряжение и коммутируемый ток ВПК определяются соответственно количеством последовательно соединенных полупроводниковых приборов с заданным блокирующим напряжением и их активной площадью. Технико-экономические показатели ВПК зависят как от выбранной конструкции коммутатора, так и от параметров и характеристик используемых ПП.
p
4
3
Традиционно в качестве полупроводниковых приборов в высоковольтных коммутаторах тока СИП используются тиристоры. Известно техническое решение ВПК на основе тиристоров, рассчитанное на рабочее напряжение 24 кВ, импульсный ток 140 кА при длительности импульса (t) 50 мкс [High Power Semiconductors, SHORT FORM CATALOGUE 2008, ABB, №5SYA2018-01]. Высота данного коммутатора 60 см, полезный объем, включая систему прижима, составляет 1,2×10 см. Конструктивно коммутатор состоит из последовательно соединенных таблеточных тиристоров, сжатых друг с другом с помощью системы прижима, которая включает в себя: стальные и пластмассовые опоры, тарельчатые пружины, шарнирный механизм для выравнивания усилия сжатия по контактным поверхностям тиристоров, токоподводящие электроды. Анодная и катодная части коммутатора изолированы друг от друга с помощью пластмассовых опор и стягивающих шпилек прижимного устройства. Полупроводниковый элемент (ПЭ) каждого таблеточного тиристора заключен в отдельный герметичный металлокерамический корпус.
Основным фактором, ограничивающим коммутационные возможности тиристора, является механизм его включения. При подаче на управляющий электрод тиристора запускающего импульса тока в зоне управляющего электрода формируется достаточно узкий плазменный канал, который со временем несколько расширяется, но скорость этого процесса невелика (0,1-0,005 мм/мкс). Такая локализация процесса включения делает практически невозможным создание токопроводящего канала большой площади, что не позволяет коммутировать с помощью тиристоров импульсные токи амплитудой десятки и сотни кА в субмиллисекундном диапазоне длительностей.
6
В настоящее время в России впервые в мире разработаны перспективные ВПК тока на базе реверсивно включаемых динисторов (РВД) (см., например, пат. RU 2107988, «Высоковольтный переключатель», МПК H03K 3/53, опубл. 27.03.1998). РВД - двухэлектродные полупроводниковые приборы таблеточной конструкции, по своим возможностям коммутации мощных импульсных токов субмиллисекундной длительности значительно превосходят тиристоры, поскольку используют для переключения вместо дополнительного управляющего электрода принципиально иной способ - с помощью управляющего плазменного слоя. РВД переключается при кратковременном изменении полярности приложенного напряжения, что обеспечивает равномерное и быстрое включение прибора по всей кремниевой структуре. В результате допустимая скорость нарастания коммутируемого тока для РВД составляет не менее 30 кА/мкс, что более чем на порядок превышает значения di/dt, допустимые для мощных тиристоров. Простота запуска последовательно включенных РВД общим током запуска и высокие значения допустимой скорости нарастания тока предопределяют преимущества ВПК тока на динисторах по сравнению с тиристорным вариантом.
С целью получения высоких значений коммутируемой мощности на единицу объема (удельной коммутируемой мощности) современные ВПК тока выполняются на бескорпусных ПП (см., например, Chumakov G.D., Galakhov I.V., et al. “Switching of High-Power Current Pulses up to 250 kA and Submillisecond Duration using New Silicon Devices-Reverse Switched Dinistors” / 10th IEEE International Pulsed Power Conference, Albuguergue, NM, USA, 1995, pp.1103-1108, а также Б.Э. Фридман и др. «Конденсаторная ячейка емкостного накопителя энергии с коммутатором на основе реверсивно-включаемых динисторов». Приборы и техника эксперимента, 2008, №6, с.51-57).
p
3
3
Наиболее близким техническим решением, выбранным в качестве прототипа, является ВПК тока на основе мощных РВД, рассчитанный на напряжение 25 кВ и импульсный ток до 180 кА при t=450 мкс [Т. Bertier, V.G. Bezuglov, I.V. et al. “On the possible use of semiconductor RSD-based switch for flashlamps drive circuits in a Nd-glass laser amplifier of LMJ facility” in Proc. XIIth IEEE International Pulsed Power Conference, Monterey, CA, USA, June 1999]. ВПК тока-прототип содержит сборку из 15 последовательно соединенных бескорпусных РВД таблеточной конструкции с диаметром ПП 76 мм. Все РВД заключены в общий керамический корпус. Система прижима обеспечивает необходимое усилие для стягивания всех РВД в сборке и состоит из тарельчатых пружин и стягивающих шпилек, как показано на рисунке 5 в указанной выше статье. Полезный объем коммутатора прототипа составляет 6,5×10 см.
Недостатками данного коммутатора являются:
- низкая удельная коммутируемая мощность, обусловленная значительными габаритными размерами ВПК тока;
- плохие эксплуатационные характеристики в части ремонтопригодности, а именно невозможность замены вышедших из строя в процессе эксплуатации коммутатора части его полупроводниковых приборов в связи с неразборностью корпуса ВПК.
Задача изобретения - повышение удельной коммутируемой мощности и улучшение эксплуатационных характеристик ВПК тока.
Техническим результатом изобретения является существенное (не менее чем в 1,5-2,0 раза) увеличение удельной коммутируемой мощности ВПК тока при одновременном улучшении его эксплуатационных характеристик.
Указанный технический результат в разработанной конструкции высоковольтного полупроводникового коммутатора тока достигается за счет того, что он, так же как и ВПК тока-прототип, содержит сборку последовательно соединенных бескорпусных полупроводниковых приборов таблеточной конструкции, корпус, систему прижима и токоподводящие электроды.
Новым в разработанной конструкции высоковольтного полупроводникового коммутатора тока является то, что коммутатор изготовлен из подобранных по току утечки полупроводниковых приборов, которые центрированы и изолированы по боковой поверхности с помощью диэлектрических колец и помещены в герметичный корпус, выполненный из изоляционного материала с высокой механической и электрической прочностью, при этом система прижима выполнена в виде жестко закрепленных на обоих торцах корпуса металлических фланцев, имеющих резьбовые отверстия и обеспечивающих при болтовом креплении к ним крышек коммутатора необходимое усилие сжатия полупроводниковых приборов.
В первом частном случае реализации разработанной конструкции высоковольтного полупроводникового коммутатора тока целесообразно корпус выполнить из изоляционного материала, например стеклопластика, армированного стекловолокном, а для герметизации внутреннего объема корпуса уплотнительные кольца из кремнеорганической резины целесообразно расположить между металлическими фланцами и токоподводящими электродами.
Во втором частном случае реализации разработанной конструкции высоковольтного полупроводникового коммутатора тока целесообразно в качестве полупроводниковых приборов использовать силовые диоды.
В третьем частном случае реализации целесообразно в качестве полупроводниковых приборов использовать силовые тиристоры.
В четвертом частном случае реализации разработанной конструкции целесообразно в качестве полупроводниковых приборов использовать реверсивно-включаемые динисторы.
Дополнительным техническим результатом изобретения является также улучшение габаритных и стоимостных характеристик разработанного мощного высоковольтного полупроводникового коммутатора тока.
Корпус предлагаемого коммутатора помимо защиты находящихся внутри полупроводниковых приборов от воздействия окружающей среды, что используется и в ВПК тока-прототипе, выполняет еще дополнительно функции:
- изоляционной системы, обеспечивающей надежную работу ВПК тока при приложении высоких напряжений между анодом и катодом коммутатора (25 кВ и выше);
- стягивающего узла системы прижима коммутатора, через который передается усилие сжатия (до 100 кН) на всю полупроводниковую сборку, необходимое для надежной коммутации токов в сотни кА.
На чертеже представлена конструкция разработанного ВПК тока.
В предложенном коммутаторе цилиндрический корпус 1 выполнен из изоляционного материала с высокой механической и электрической прочностью, высота корпуса 1 определяется исходя из требуемого рабочего напряжения коммутатора. Внутри корпуса 1 расположена высоковольтная сборка последовательно соединенных полупроводниковых приборов 2. Корпус 1 коммутатора, с одной стороны, защищает высоковольтную сборку от внешней среды, с другой стороны, обеспечивает необходимые воздушные изоляционные промежутки и расстояния по поверхности корпуса между катодом и анодом коммутатора. Кроме того, через корпус 1, входящий в систему прижима коммутатора, осуществляется передача сжимающих усилий к полупроводниковым приборам 2. На обоих торцах корпуса 1 штифтами 3 жестко закреплены металлические фланцы 4, имеющие резьбовые отверстия для крепления крышек 5 коммутатора, также входящих в систему прижима. В нижней и верхней крышках 5 коммутатора расположены системы опор шарнирного типа 7, 8, предназначенные для обеспечения равномерного распределения усилия сжатия на рабочие поверхности ПП 2. Эти усилия передаются через токоподводящие электроды 9.
В верхней крышке 5 коммутатора расположены другие элементы системы прижима, а именно тарельчатые пружины 10, винт-опора 11, контрольная шайба 12 и две гайки 13. Данные элементы системы прижима предварительно собираются в верхней крышке 5, при этом производится тарирование пружин 10 на заданное усилие сжатия. Фиксация этого усилия осуществляется гайками 13. Сборка крышки 5 с фланцем 4 системы прижима производится попеременным и равномерным затягиванием крепежных болтов до момента, когда контрольная шайба 12 перестает быть сжатой. При этом данное нормированное усилие сжатия передается на рабочие поверхности полупроводниковых приборов 2 через корпус 1, нижнюю крышку 5, шарнирные опоры 7, 8 и токоподводящие электроды 9. Сжатые ПП 2 соединены друг с другом через медные диски 14, расположенные между анодом одного полупроводникового прибора 2 и катодом соседнего прибора 2. Центрирование полупроводниковых приборов 2, медных дисков 14 и токоподводящих электродов 9 между собой осуществляется с помощью диэлектрических, например фторопластовых, колец 15, которые, кроме того, обеспечивают дополнительную защиту от пробоя по поверхности ПП 2. Коммутатор герметизируется в процессе сборки с помощью уплотнительных колец 16 из кремнеорганической резины, расположенных между токоподводящими электродами 9 и фланцами 4 корпуса 1.
Предлагаемая конструкция высоковольтного полупроводникового коммутатора тока рассчитана на применение мощных полупроводниковых приборов различного типа (диоды, тиристоры, РВД), имеющих бескорпусную таблеточную конструкцию с диаметром полупроводниковых элементов до 100 мм.
3
3
В частности, с помощью разработанного ВПК тока (см. чертеж) на базе 15 последовательно включенных бескорпусных РВД с диаметром элементов 76 мм и допустимым рабочим напряжением 2 кВ можно коммутировать импульсные токи до 400 кА с длительностью до 500 мкс при зарядном напряжении 25 кВ, что более чем в два раза превышает допустимое значение амплитуды коммутируемого тока прототипа ВПК. При этом полезный объем коммутатора за счет исключения отдельной системы прижима составляет не более 4×10 см, что в 3 раза меньше по сравнению с зарубежными аналогами и в 1,5 раза меньше по сравнению с прототипом. Уменьшение полезного объема коммутатора обеспечивает увеличение в 1,5-2 раза удельной коммутируемой мощности при одинаковых технических характеристиках ПП.
Болтовое соединение крышек 5 и фланцев 4 корпуса 1 позволяет в процессе эксплуатации оперативно разбирать коммутатор с целью выявления и замены вышедшей из строя части полупроводниковых приборов коммутатора, что улучшает ремонтопригодность ВПК и с учетом снижения габаритных размеров его эксплуатационные характеристики в целом.
Таким образом, разработанная конструкция ВПК позволяет увеличить удельную коммутируемую мощность и улучшить эксплуатационные характеристики коммутатора, то есть позволяет решить поставленную задачу.
Подобная конструкция коммутатора может быть использована также при изготовлении ВПК на напряжения до 100 кВ и на импульсные токи до 1000 кА при высоких технико-экономических характеристиках.