Назначение и ключевые параметры
Быстродействующие высоковольтные твердотельные ключи нужны аппаратуре импульсной энергетики большой мощности — до 109 Вт по шкале, принятой в этой области. Их применяют в лазерной технике, ускорителях электронов, плазменных генераторах, медицинском оборудовании, установках очистки воздуха и воды. Один из самых перспективных силовых приборов для таких ключей — реверсивно-включаемый динистор с обратной проводимостью (РВДД). Он сочетает все достоинства реверсивно-инжекционного включения с возможностью коммутировать в микросекундном диапазоне большие и короткие импульсы тока как прямой, так и обратной полярности.
Включение РВДД носит квазидиодный характер: структура открывается одновременно по всей площади. Отсюда параметры, недостижимые для лучших импульсных тиристоров, — плотность тока до 104 А/см2 и скорость нарастания тока до 105 А/мкс.
Описываемый ключ разрабатывался под плазмотроны, где требуются короткие мощные импульсы с длительностью фронтов до 1 мкс. Это 12-кВ твердотельный ключ на основе РВДД с высоковольтным блоком управления, рассчитанный на импульсно-периодический режим со следующими параметрами:
- амплитуда коммутируемого тока — до 100 кА;
- длительность импульса тока — до 20 мкс;
- скорость нарастания прямого тока — свыше 25 кА/мкс.
Состав ключа
Высоковольтный силовой блок (1) собран из семи последовательно соединённых 2-дюймовых 2,4-кВ реверсивно-включаемых динисторов с обратной проводимостью таблеточной конструкции и дросселя магнитной задержки (2). Между динисторами установлены медные пластины: на них монтируются выравнивающие напряжение резисторы, и они же отводят тепло. Сам блок закреплён на диэлектрическом основании, а в аппаратуре ставится на ребристых изоляторах. Катодный и анодный выводы блока расположены коаксиально — так минимизируется паразитная индуктивность силового контура.
Генератор запуска включает высоковольтный тиристорный ключ (3), RLC-контур (4) и блок управления (5) с оптическим интерфейсом. Оптический запускающий импульс на входе имеет длительность 20 мкс и длину волны 820 нм, допустимый диапазон оптической мощности — 3-120 мкВт. Получив сигнал запуска при поданном напряжении питания, генератор формирует импульс управления амплитудой 2 кА и длительностью 1,5 мкс, которым и включается сборка РВДД.
Блок размагничивания (6) восстанавливает магнитные свойства дросселя насыщения после коммутации предыдущего силового импульса. Для этого он поддерживает в высоковольтном кабеле размагничивания средний ток около 2 А.
Как ключ включается: развязка на дросселе насыщения
Работоспособность ключа проверялась на стенде, где он включён между ёмкостным накопителем и нагрузкой. Эта же схема хорошо показывает логику включения.
Нажмите для увеличения (946x737)В исходном запертом состоянии силовой блок (1) блокирует разрядный ток накопителя C, заряженного от источника напряжения (3). Чтобы открыть блок, генератор запуска (2) подаёт на динисторную сборку короткий управляющий импульс обратного тока. Пока этот ток течёт, управляющая и силовая цепи развязаны дросселем насыщения с большой начальной индуктивностью: на время развязки (1-1,5 мкс) всё напряжение приложено к ненасыщенному дросселю, ток через него нарастает медленно и линейно. Достигнув определённого значения, ток переводит дроссель в состояние с низкой индуктивностью — напряжение накопителя снова прикладывается к силовому блоку, динисторы переключаются, и ключ коммутирует в нагрузку R мощный импульс тока.
Расчёт тока и температуры структуры
Главный критерий при выборе силовых полупроводниковых приборов для такого ключа — максимальная температура в момент протекания импульсного тока. Температуру p-n-переходов считали в программном комплексе TCAD Synopsys. Моделировался разряд накопительной ёмкости 80 мкФ, заряженной до 12 кВ, на коаксиальный кабель длиной 1,5 м с волновым сопротивлением 50 Ом; нагрузкой на выходе кабеля служило активное сопротивление 10 мОм.
В результате получены синусоидальные затухающие колебания тока с периодом около 40 мкс. Амплитуда первой положительной полуволны — 135 кА, первой отрицательной — 70 кА. Максимальная температура полупроводниковой структуры составила +110 °С на положительной полуволне и +160 °С на отрицательной. Оба значения ниже предельно допустимой температуры перехода для этого типа приборов (Tjmax = +200 °С), что и обеспечивает надёжную работу в импульсном режиме.
Нажмите для увеличения (938x825)Тепловой режим и охлаждение силового блока
Рост плотности компонентов и коммутируемой мощности неизбежно увеличивает тепловыделение, а вместе с ним и вероятность отказа устройства. Поэтому конструкцию проверяли ещё и тепловым расчётом в ANSYS — для длительного режима работы. Исходными данными служила средняя мощность тепловыделения на полупроводниковой структуре, соответствующая импульсам тока амплитудой 100 кА и длительностью 20 мкс с частотой коммутации 1 Гц при температуре окружающего воздуха +40 °С.
Конструкция силового блока намеренно сделана максимально открытой для доступа охлаждающего воздуха, так что эффективно работает и конвекционное, и принудительное охлаждение. Расчёт естественной конвекции показывает: линии потока беспрепятственно огибают стягивающие шпильки блока и обеспечивают отвод тепла и от медных пластин, и от динисторной сборки в целом. Средняя температура корпуса каждого из семи приборов при этом около +70 °С — в пределах допустимого для длительного режима.
Нажмите для увеличения (996x1066)При принудительном обдуве небольшим вентилятором, установленным перед блоком (на иллюстрации — справа от него), со скоростью потока около 1 м/с и температурой воздуха +40 °С средняя температура корпусов падает примерно до +54 °С, то есть на 15 °С ниже. Обдув таблеток РВДД и медных шин между ними позволяет рассеять на 50% больше тепла. Расчётные тепловые сопротивления «переход — окружающая среда» Rth(j-a) динисторной сборки составили 0,43 °С/Вт при естественном охлаждении и 0,20 °С/Вт при принудительном.
Нажмите для увеличения (943x1063)По этим значениям Rth(j-a) построены максимальные нагрузочные характеристики ключа в зависимости от частоты коммутации полусинусоидального импульса тока длительностью 20 мкс. Во всём рассмотренном диапазоне частот принудительное охлаждение поднимает допустимый ток нагрузки примерно на 40%. Такой выигрыш даёт сочетание открытой конструкции и низкой энергии потерь в самом РВДД — благодаря этому ключ пригоден для коммутации как одиночных, так и повторяющихся одно- и двуполярных импульсов тока.
Нажмите для увеличения (947x850)Результаты испытаний
Стендовая проверка макета подтвердила расчётные параметры. Снятые осциллограммы тока генератора запуска и коммутируемого тока соответствуют разряду ёмкостного накопителя на резистивный эквивалент при напряжении 10 кВ: амплитуда около 100 кА, tp ~ 30 мкс, di/dt на начальном участке фронта около 20 кА/мкс.
Нажмите для увеличения (1098x650)Итог
Прототип высоковольтного твердотельного ключа с драйвером управления переключает импульсы тока микросекундной длительности амплитудой до 100 кА с ультравысокими скоростями включения. Плотность мощности устройства — 22,5 МВт/дм3 (или 31 МВт/кг), что заметно превосходит современный уровень. Результат достигнут за счёт инновационного реверсивно-включаемого динистора с обратной проводимостью с рекордно низкими потерями при коммутации больших и коротких импульсов, компактной компоновки силового блока и эффективного отвода тепла от полупроводниковых элементов. Полученные наработки — платформа для создания надёжных твердотельных импульсных энергетических систем на 5-30 кВ мегаамперного диапазона.
Литература
- Месяц Г. А. Импульсная энергетика и электроника. М.: Наука, 2004.
- Grishanin A., Khapugin A., Martynenko V., Muskatinev V., Eliseev V., Korotkov S., Galakhov I., Osin V. High Voltage Semiconductor Switch on the Base of RCRSD for Bipolar Power Current Pulse Commutation. PCIM Europe 2018, 5-7 June 2018, Nuremberg, Germany.
- Тучкевич В. М., Грехов И. В. Новые принципы коммутации больших мощностей полупроводниковыми приборами. Л.: Наука, 1988.
Файлы к статье
