ПЕРЕКЛЮЧАТЕЛЬ МОЩНЫХ ИМПУЛЬСОВ ТОКА

Предлагаемая полезная модель относится к области высоковольтной импульсной техники, а именно, к переключателям мощных импульсов тока на основе реверсивно включаемых динисторов, и может быть использована в электроразрядных технологиях для коммутации мощных импульсов тока с микро и субмикросекундным фронтом нарастания.
Как известно [Коротков С.В. Коммутационные возможности реверсивно включаемых динисторов и принципы РВД-схемотехники (обзор) // ПТЭ. 2002. №4. С.5-39], реверсивно включаемые динисторы (РВД) представляют собой кремниевые полупроводниковые приборы тиристорного типа. Они не имеют электрода управления и переключаются в результате реверса исходного напряжения и пропускания в обратном направлении короткого импульса тока управления. При этом в структуре РВД накапливается запускающий заряд, определяемый амплитудой и длительностью тока управления. После восстановления исходной полярности напряжения он инициирует переключение РВД. При достаточной плотности запускающего заряда РВД включается однородно по всей рабочей площади, что обеспечивает очень малые коммутационные потери энергии. Принцип действия РВД определяет возможность переключения высоковольтных блоков последовательно соединенных динисторов общим для всех приборов импульсом тока управления, который формируется одной цепью управления. В процессе переключения на цепь управления блока РВД сильное влияние оказывает силовая цепь. Для отделения силовой цепи в нее вводится дроссель с насыщающимся сердечником, который имеет большую исходную индуктивность и создает задержку быстрого нарастания силового тока. В момент насыщения сердечника дросселя его индуктивность резко уменьшается и силовой ток быстро нарастает. В результате к блоку РВД прикладывается напряжение исходной полярности, обусловливающее прекращение тока управления и переключение динисторов. Основным недостатком силовой цепи с дросселем насыщения является ограничение скорости нарастания силового тока индуктивностью дросселя после насыщения сердечника. Уменьшение индуктивности достигается путем уменьшения габаритов сердечника дросселя и числа витков его обмотки. При этом уменьшается время перемагничивания сердечника дросселя до состояния насыщения и, соответственно, длительность управляющего воздействия. Малая длительность тока управления обусловливает его большую амплитуду. При этом для переключения высоковольтного блока мощных РВД необходима цепь управления с высоковольтным коммутатором, способным переключать быстро нарастающие импульсы тока. Традиционные тиристоры и транзисторы не обладают достаточно малыми потерями энергии в таких режимах. В этой связи, коммутатор цепи управления блока мощных РВД целесообразно выполнять на основе РВД с существенно меньшей рабочей площадью, требующих для однородного переключения значительно меньший ток управления, или на основе новых полупроводниковых приборов - динисторов с глубокими уровнями (ДГУ) [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].
ДГУ являются двухэлектродными кремниевыми полупроводниковыми приборами. Они включаются высоковольтным импульсом управления наносекундной длительности. При этом в структурах динисторов образуется волна ударной ионизации, инициированная электронами с глубоких уровней в запрещенной зоне. Созданная в результате ударной ионизации электронно-дырочная плазма обеспечивает быстрое переключение ДГУ. Импульсы управления ДГУ формируются с помощью дрейфовых диодов с резким восстановлением (ДДРВ) [Грехов И.В., Ефанов В.М., Кардо-Сысоев А.Ф., Шендерей С.В., Формирование высоковольтных наносекундных перепадов напряжения на диодах с дрейфовым механизмом восстановления напряжения // Письма в ЖТФ, 1983, Т.9, №7, С.435]. Принцип их действия заключается в следующем. Сначала через ДДРВ пропускается импульс прямого тока (ток включения), позволяющий накопить заряд электронов и дырок. В момент окончания тока включения в ДДРВ коммутируется обратный тока (ток выключения), обеспечивающий вывод накопленного заряда и выключение ДДРВ. При субмикросекундной длительности управляющего воздействия обеспечиваются условия для быстрого (2-3 нс) прерывания тока выключения и коммутации его в параллельно подключенный ДГУ. При этом осуществляется быстрая зарядка собственной емкости ДГУ и напряжение на нем резко нарастает до запускающего уровня.
Известен переключатель мощных импульсов тока на основе РВД [Грехов И.В., Коротков С.В. Высоковольтный переключатель // Патент РФ №2107988, БИ и ПМ, №9, 1998 г.].
Он состоит из блока мощных РВД с большой площадью полупроводниковых структур и цепи управления, которая содержит высоковольтный конденсатор, подключенный параллельно блоку мощных РВД, а также повышающий трансформатор, коммутатор в виде блока маломощных РВД с малой рабочей площадью и блок запуска блока маломощных РВД на основе тиристора и низковольтного конденсатора.
При включении тиристора низковольтный конденсатор разряжается через первичную обмотку трансформатора. В результате на его вторичной обмотке формируется высоковольтный импульс, обеспечивающий реверс напряжения на блоке маломощных РВД. При этом через блок маломощных РВД протекает небольшой ток управления, необходимый для однородного переключения маломощных динисторов. В момент насыщения сердечника трансформатора к блоку маломощных РВД прикладывается напряжение исходной полярности, он переключается и осуществляет быструю коммутацию тока разряда высоковольтного конденсатора. В момент изменения полярности напряжения на высоковольтном конденсаторе к блоку мощных РВД прикладывается обратное напряжение. При этом в него коммутируется ток управления, являющийся током вторичной обмотки трансформатора. Высокие коммутационные возможности блока маломощных РВД обеспечивают очень малые потери энергии в процессе формирования быстро нарастающего тока управления блока мощных РВД.
Недостатком этого переключателя является недостаточно низкая энергоемкость цепи управления. Она определяется потерями энергии в процессе формирования тока управления блока маломощных РВД, обусловленными сравнительно большой (не менее нескольких сотен наносекунд) длительностью управляющего воздействия. Нецелесообразность использования очень коротких импульсов тока управления обусловлена резким увеличением потерь энергии в реверсивно включаемых динисторах.
Известен также переключатель мощных импульсов тока на основе РВД [Аристов Ю.В., Воронков В.Б., Грехов И.В., Жмодиков А.Л., Козлов А.К., Коротков С.В., Рольник И.А., РВД переключатель микросекундных импульсов гигаваттного диапазона мощности. // ПТЭ. 2007. №2. С.91-95], взятый за прототип.
Он состоит из блока мощных РВД и цепи управления. Цепь управления, содержит первый конденсатор, первый диодный блок, первый и второй динисторные блоки, первый резистор, первый блок запуска, содержащий второй конденсатор, трансформатор и генератор импульсов, а также первый и второй запускающие конденсаторы и катушку индуктивности.
Блок реверсивно включаемых динисторов подключен параллельно первому конденсатору цепи управления и соединен катодом с его первым выводом. Первый диодный блок подключен анодом к катоду первого динисторного блока, а катодом к первому выводу первого конденсатора. Первый блок запуска подключен параллельно первому диодному блоку, причем первый выводом второго конденсатора блока запуска соединен с анодом первого диодного блока, а конец вторичной обмотки трансформатора блока запуска - с его катодом. Второй вывод второго конденсатора соединен с началом вторичной обмотки трансформатора. Генератор импульсов подключен параллельно первичной обмотки трансформатора и соединен положительным выводом с ее началом. Анод первого динисторного блока подключен к катоду второго динисторного блока. Первый запускающий конденсатор подключен между анодом первого динисторного блока и катодом первого диодного блока. Второй запускающий конденсатор подключен между анодом второго динисторного блока и катодом первого диодного блока. Первый вывод первого резистора соединен со вторым выводом первого конденсатора. Катушка индуктивности подключена между вторым выводом первого резистора и анодом второго динисторного блока.
Первый диодный блок выполнен в виде блока ДДРВ. Первый и второй динисторные блоки выполнены в виде первого блока ДГУ и второго блока ДГУ, трансформатор выполнен в виде трансформатора с насыщающимся сердечником.
При включении динисторных блоков первый конденсатор разряжается через резистор и катушку индуктивности. В момент изменения полярности напряжения на первом конденсаторе этот ток коммутируется в блок мощных РВД и является током его управления. После переключения блока мощных РВД первый резистор ограничивает величину тока, ответвляющегося в цепь управления из силовой цепи. Первый диодный блок формирует наносекундный импульс управления ДГУ. Очень малая длительность управляющего воздействия обеспечивает малую энергоемкость процесса их переключения. Условия для быстрой коммутации тока в первом диодном блоке создает первый блок запуска: генератор импульсов формирует ток включения ДДРВ, второй конденсатор и трансформатор - ток выключения. Первый запускающий конденсатор позволяет переключать с помощью первого диодного блока только первый динисторный блок, состоящий из пяти последовательно соединенных ДГУ. При этом уменьшается выходная мощность первого блока запуска. Второй динисторный блок состоит из трех последовательно соединенных ДГУ и включается волной перенапряжения, образованной вторым запускающим конденсатором после переключения первого динисторного блока. В момент переключения ДГУ в динисторные блоки коммутируются быстронарастающие токи разряда высоковольтных запускающих конденсаторов. При этом из структур ДГУ быстро выносится электронно-дырочная плазма, образованная в процессе управляющего воздействия. В результате проводимость ДГУ уменьшается, что приводит к увеличению потерь энергии в процессе формирования тока управления блока мощных РВД.
Недостатком устройства прототипа является недостаточно малая энергоемкость цепи управления. Она определяется потерями энергии в первом резисторе, обусловленными протеканием через него тока управления блока мощных РВД и части тока силовой цепи, а также потерями энергии в первом и втором динисторном блоке.
Таким образом, существующие переключатели на основе реверсивно включаемых динисторов обладают недостаточно высокой эффективностью вследствие потерь энергии в цепи управления.
Предлагаемая полезная модель решает задачу повышения эффективности переключателя мощных импульсов тока на основе реверсивно включаемых динисторов путем снижения энергоемкости цепи управления за счет уменьшения в ней потерь энергии.
Задача решается переключателем мощных импульсов тока, состоящим из блока мощных реверсивно включаемых динисторов и цепи управления, содержащей первый конденсатор, первый диодный блок, выполненный в виде блока дрейфовых диодов с резким восстановлением, первый и второй динисторные блоки выполненные в виде блоков динисторов с глубокими уровнями, первый резистор, а также первый блок запуска, содержащий второй конденсатор, трансформатор с насыщающимся сердечником и генератор импульсов, блок реверсивно включаемых динисторов подключен параллельно первому конденсатору и соединен катодом с его первым выводом, первый диодный блок подключен анодом к катоду первого динисторного блока, а катодом к первому выводу первого конденсатора, первый блок запуска подключен параллельно первому диодному блоку и соединен первым выводом второго конденсатора с его анодом, а концом вторичной обмотки трансформатора с его катодом, второй вывод второго конденсатора соединен с началом вторичной обмотки трансформатора, генератор импульсов подключен параллельно первичной обмотки трансформатора и соединен положительным выводом с ее началом, в котором, согласно полезной модели, в цепь управления дополнительно введены второй блок запуска, второй диодный блок, выполненный в виде блока дрейфовых диодов с резким восстановлением, третий и четвертый диодные блоки, дроссель с насыщающимся сердечником, третий конденсатор, второй резистор, первый диод и второй диод, введенный в первый блок запуска, второй блок запуска выполнен идентичным первому и подключен параллельно второму диодному блоку, анод и катод третьего диодного блока соединены, соответственно, с катодом первого диодного блока и с анодом первого динисторного блока, анод и катод четвертого диодного блока соединены, соответственно, с катодом второго диодного блока и с анодом второго динисторного блока, третий конденсатор подключен параллельно второму резистору и соединен первым выводом с катодом первого диода и с первым выводом дросселя, а вторым выводом с первым выводом первого резистора и с анодом второго динисторного блока, анод первого диода соединен со вторым выводом первого резистора, второй вывод дросселя подключен к второму выводу первого конденсатора, второй диодный блок подключен анодом к катоду второго динисторного блока, а катодом к аноду первого динисторного блока, второй диод подключен параллельно второму конденсатору и соединен катодом с его вторым выводом.
Полезная модель поясняется Фиг. электрической схемы переключателя с силовой цепью, где:
1 - блок мощных реверсивно включаемых динисторов (РВД)
2 - цепь управления (ЦУ)
3 - первый конденсатор
4 - первый диодный блок
5 - первый динисторный блок
6 - второй динисторный блок
7 - первый резистор
8 - первый блок запуска (Б1)
9 - второй конденсатор
10 - трансформатор
11 - генератор импульсов
12 - второй блок запуска (Б2)
13 - второй диодный блок
14 - третий диодный блок
15 - четвертый диодный блок
16 - дроссель
17 - третий конденсатор
18 - второй резистор
19 - первый диод
20 - второй диод
21 - силовая цепь (СЦ)
22 - силовой дроссель
23 - обмотка размагничивания силового дросселя
24 - силовой конденсатор
25 - сопротивление нагрузки
Как и в прототипе, первый 4 диодный блок выполнен в виде блока дрейфовых диодов с резким восстановлением (ДДРВ), первый 5 и второй 6 динисторные блоки выполнены в виде блоков динисторов с глубокими уровнями (ДГУ), трансформатор 10 выполнен в виде трансформатора с насыщающимся сердечником.
В предлагаемом переключателе второй 13 диодный блок выполнен в виде блока ДДРВ, третий 14 и четвертый 15 диодные блоки выполнены в виде блоков низковольтных кремниевых диодов, обладающих малыми потерями энергии при коммутации импульсов тока наносекундной длительности, дроссель 16 - в виде дросселя с насыщающимся сердечником.
Первый конденсатор 3 обеспечивает накопление энергии, требуемой для эффективного переключения блока мощных РВД 1. Первый 5 и второй 6 динисторные блоки осуществляют коммутацию тока управления блока мощных РВД 1. Первый 4, второй 13, третий 14 и четвертый 15 диодные блоки, а также первый 8 и второй 12 блоки запуска, дроссель 16 и второй диод 20 обеспечивают переключение первого 5 и второго 6 динисторного блока и протекание через них токов предварительного включения, увеличивающих проводимость ДГУ к моменту коммутации тока управления. Первый диод 19 и третий конденсатор 17 исключает потери энергии в первом резисторе 7 в процессе формирования тока управления блока мощных РВД 1 и в процессе коммутации силового тока. Второй резистор 18 исключает потери энергии в цепи управления 2, обусловленные возможностью зарядки третьего конденсатора 17 в исходном состоянии. Третий конденсатор 17, третий 14 и четвертый 15 диодный блок обеспечивают размагничивание сердечника дросселя 16 после коммутации тока управления блока мощных РВД 1, обеспечивающее уменьшение габаритов дросселя 16 и потерь энергии в его сердечнике.
Таким образом, введение в схему переключателя второго блока запуска 12, второго 13, третьего 14 и четвертого 15 диодных блоков, дросселя 16, третьего конденсатора 17, второго резистора 18, а также первого 19 и второго 20 диодов позволяет значительно уменьшить потери энергии в цепи управления 2, и увеличить эффективность работы устройства.
Переключатель работает следующим образом.
В исходном состоянии к первому 5 и второму 6 динисторным блокам и к третьему 14 и четвертому 15 диодным блокам приложено напряжение силовой цепи 21. Так как первый 5 и второй 6 динисторные блоки содержат одинаковое количество ДГУ, а третий 14 и четвертый 15 диодные блоки - одинаковое количество диодов, то они блокируют одинаковое исходное напряжение. Второй резистор 18 имеет большое сопротивление и рассеивает пренебрежимо малую мощность, определяемую током, протекающим через диоды и динисторы цепи управления 2 в исходном блокирующем состоянии. При одновременном включении первого 8 и второго 12 блоков запуска через ДДРВ первого 4 и второго 13 диодных блоков сначала в прямом, а затем в обратном направлении пропускаются короткие импульсы тока включения и выключения. В момент выключения первого 4 и второго 13 диодных блоков токи первого 8 и второго 12 блоков запуска коммутируются в цепи «третий диодный блок 14 - первый динисторный блок 5» и «четвертый диодный блок 15 - второй динисторный блок 6». В результате происходит зарядка собственных емкостей ДГУ, и напряжение на первом 5 и втором 6 динисторных блоках резко нарастает. При достижении требуемого для переключения ДГУ уровня напряжения происходит синхронное включение этих блоков. В момент переключения первого 5 и второго 6 динисторного блока дроссель 16 обладает большой индуктивностью и создает задержку резкого нарастания тока разряда первого конденсатора 3. При этом по цепям «третий диодный блок 14 - первый динисторный блок 5» и «четвертый диодный блок 15 - второй динисторный блок 6» протекают небольшие токи предварительного включения, формируемые первым 8 и вторым 12 блоками запуска. В результате обеспечивается модуляция проводимости ДГУ. В момент существенного увеличения проводимости ДГУ первого 5 и второго 6 динисторных блоков происходит насыщение сердечника дросселя 16, его индуктивность резко уменьшается и первый конденсатор 3 быстро разряжается через цепь «третий конденсатор 17 - второй динисторный блок 6 - второй диодный блок 13 -первый динисторный блок 5 - первый диодный блок 4». Так как емкость третьего конденсатора 17 значительно превосходит емкость первого конденсатора 3, то он очень слабо ограничивает амплитуду разрядного тока. Первый диод 19 исключает ответвление тока разряда первого конденсатора 3 в низкоомный первый резистор 7. При изменении полярности напряжения на первом конденсаторе 3 к блоку мощных РВД 1 прикладывается обратное напряжение и в него коммутируется ток, протекающий через дроссель 16. Этот ток является током управления блока мощных РВД 1. Так как коммутационные потери энергии в первом 5 и втором 6 динисторных блоках и в первом 4 и втором 13 диодных блоках малы, то в процессе формирования тока управления блока мощных РВД 1 значительная часть накопленной в первом конденсаторе 3 энергии передается в третий конденсатор 17, обеспечивая его зарядку. Длительность протекающего через блок мощных РВД 1 тока управления фактически равна длительности процесса перемагничивания сердечника силового дросселя 22 из исходного состояния, определяемого током обмотки размагничивания 23, в состояние насыщения. В момент насыщения сердечника силового дросселя 22 его индуктивность резко уменьшается. При этом силовой ток быстро нарастает, к блоку мощных РВД 1 прикладывается напряжение исходной полярности, он переключается и коммутирует ток разряда силового конденсатора 24 в сопротивление нагрузки 25. В момент коммутации силового тока третий конденсатор 17 заряжен до напряжения, превышающего падение напряжение на блоке мощных РВД 1. При этом исключается ответвление силового тока в цепь управления 2. Разряд третьего конденсатора 17 осуществляется по цепи «дроссель 16 - блок мощных РВД 1 - третий диодный блок 14 - четвертый диодный блок 15». В результате обеспечивается перемагничивание сердечника дросселя 16 до исходного состояния. В момент изменения полярности напряжения на третьем конденсаторе 17 включается первый диод 19 и обеспечивает протекание тока через первый резистор 7. При этом на первом резисторе 7 рассеивается энергия, остающаяся в цепи управления 2. Принцип действия первого блока запуска 8 заключается в следующем. При включении генератора импульсов 11 через вторичную обмотку трансформатора 10 протекает ток, являющийся током зарядки второго конденсатора 9 и током включения ДДРВ первого диодного блока 4. В момент окончания процесса зарядки второго конденсатора 9 происходит насыщение сердечника трансформатора 10. В результате второй конденсатор 9 быстро разряжается через вторичную обмотку трансформатора 10, имеющую после насыщения сердечника очень малую индуктивность. При этом в ДДРВ первого диодного блока 4 коммутируется ток выключения. В момент выключения первого диодного блока 4 ток вторичной обмотки трансформатора 10 переключается в цепь «третий диодный блок 14 - первый динисторный блок 5» и обеспечивает включение ДГУ первого динисторного блока 5, а затем модуляцию их проводимости. Второй диод 20 формирует медленный спад тока вторичной обмотки трансформатора 10, необходимый для эффективной модуляции проводимости ДГУ. Принцип действия второго блока запуска 12 аналогичен принципу действия первого блока запуска 8.
Пример исполнения.
По предлагаемому в полезной модели решению был изготовлен переключатель на основе РВД. В нем был использован тот же, что и в устройстве-прототипе блок мощных РВД 1, состоящий из 9 последовательно соединенных РВД с диаметром структур 76 мм. В цепи управления 2 использовались такие же, как и в устройстве-прототипе ДГУ и ДДРВ с диаметром структур 12 мм. В первом 5 и втором 6 динисторных блоках использовалось по 4 последовательно соединенных ДГУ. В первом 4 и втором 13 диодных блоках - по 10 последовательно соединенных ДДРВ. Дроссель 16 имел кольцевой ферритовый сердечник из материала №87 размером 41,8×26,2×12,5 мм и 20 витков в обмотке. Сопротивление первого резистора 7 составляло 0,2 Ом, сопротивление второго резистора 18-10 кОм, емкость третьего конденсатора 17-1 мкФ. Третий 14 и четвертый 15 диодные блоки состояли из 10 последовательно соединенных кремниевых диодов с диаметром структур 12 мм и рабочим напряжением 1200 В. Первый 8 и второй 12 блоки запуска имели такую же энергоемкость, как и блок запуска в устройстве-прототипе (~35 мДж). Генератор импульсов 11 был собран на основе низковольтного (800 В) коммутирующего конденсатора с емкостью 100 нФ и коммутатора в виде сборки из двух параллельно соединенных IGBT-транзисторов (IRG4PF50WD). В качестве второго 20 и третьего 21 диодов использовались 80EPF12PBF. Емкость второго конденсатора 9-6,8 нФ. Трансформатор 10 имел кольцевой сердечник из феррита N87 размером 25,3×14,8×50 мм, один виток в первичной обмотке и четыре витка во вторичной обмотке. Испытания устройства полезной модели проводились в той же силовой цепи 21, при том же силовом напряжении (16 кВ), что и испытания устройства-прототипа.
В процессе экспериментов были показаны следующие преимущества предлагаемой полезной модели относительно устройства-прототипа. Такой же ток управления блока мощных РВД 1 и такой же силовой ток были получены при уменьшении в 1.4 раза емкости первого конденсатора 3 (с 50 нФ до 35 нФ). В результате почти на 2 Дж уменьшилась запасаемая в нем энергия. Так как потери энергии при введении в схему полезной модели второго блока запуска 12, второго 13, третьего 14 и четвертого 15 диодных блоков, дросселя 16, третьего конденсатора 17, второго резистора 18, первого 19 и второго 20 диодов составляют не более 0,1 Дж, то энергоемкость цепи управления 2 уменьшились почти на 40%. Так как силовой ток, а, следовательно, и потери энергии в блоке мощных РВД остались без изменения, то полученный результат свидетельствует о существенном повышении эффективности предлагаемого переключателя.