книги / Новые принципы коммутации больших мощностей полупроводниковыми приборами

(Ndl ~ 1018 см"3). Этот слой должен обеспечивать «за­ держку» пролета дырок на время, равное задержке пролета электронов в р-слое:

откуда следует, учитывая (29), что параметры и'-слоя должны выбираться из соотношения:

туры должен удовлетворять требованиям для тран­ зисторного обострителя.

В заключение интересно отметить, что ДО, ра­ ботающий на основе принципа задержанной ударноионизационной волны, хронологически был первым из новых приборов, описанных в этой книге. Он же оказался первым из этих приборов, воспроизведен­ ным за рубежом. В 1985 г. в Ливерморской нацио­ нальной лаборатории (США) [36] были воспроизве­ дены результаты работы [26], а в 1987 г. там же был получен до с временем коммутации 63 нс [37].

Глава 3

КОММУТАТОРЫ

ИГЕНЕРАТОРЫ МИКРО-, НАНО-

ИПИКОСЕКУНДНОГО ДИАПАЗОНОВ

Врезультате комплекса последовainiii, освещен­ ного в первых двух главах, основной параметр мощ­ ных полупроводниковых переключателей (импульс­ ная мощность, коммутируемая единичным прибором) был увеличен в микросекундном диапазоне почти

на порядок, в наносекундном — на три порядка, в субнано- и пикосекундном — на четыре порядка; почти на порядок поднят частотный предел приборов микросекундного диапазона. По сути была создана элементная база для нового технического направле­ ния — силовой полупроводниковой импульсной и высокочастотной электроники. Это открыло принци­ пиально новые возможности для разработки систем электропитания мощных лазеров и ускорителей, ра­ диопередающих и радиолокационных устройств, вы­ сокочастотных плазмотронов, сверхбыстродействую­ щих электронно-оптических устройств и т. п. Техно­ логически новые приборы оказались весьма про­ стыми, и предприятия, выпускающие мощные полу­ проводниковые приборы, довольно быстро наладили их опытное производство. Основные типы выпускае­ мых приборов показаны на рис. 29. Однако новые принципы, положенные в основу работы приборов, потребовали создания и новой схемотехники. Здесь основные сложности были связаны как с тем, что

практически все новые приборы являются двух­ электродными, так и с тем, что при очень большом быстродействии они имеют чрезвычайно высокий уровень коммутируемой мощности.

В этой главе кратко описаны разработанные к настоящему времени основные схемотехнические решения п опытные образцы коммутаторов и генера­ торов микро-, нано- и пикосекупдпого диапазонов,

1. Микросекупдный диапазон. РВД-коммутаторы и генераторы

Для этого диапазона предназначены два класса приборов — реверсивно-включаемые диннсторы и ре­ версивно-управляемые транзисторы. Ко времени на­ писания книги РВД были исследованы достаточно подробно и несколько модификаций этих приборов (импульсные и высокочастотные) уже выпускались промышленностью, а РУТ находились в стадии ла­ бораторных исследований. Поэтому вся схемотех­ ника была разработана в основном для РВД.

Базовая схема импульсных РВД-генераторов при­ ведена на рис. 30. При включении ключа К формиро­ ватель Ф2 системы управления СУ разряжается через РВД, формируя импульс тока накачки. Дрос­ сель с насыщающимся сердечником Др, находящийся в ненасыщенном состоянии, задерживает нарастание тока, протекающего от силового накопителя Ф2 в Фх. В этот момент к дросселю приложено все напряжение накопителя Ф2. Этот дроссель должен быть рассчи­ тан так, чтобы насыщение его сердечника происхо­ дило после окончания процесса накачки РВД, т. е. через 1—2 мкс после замыкания ключа К. После насыщения к РВД, в котором уже сформирован управляющий плазменный слой, вновь приклады­ вается напряжение формирователя Ф2; РВД пере-

Рлс. 30. Базовая схема импульсных РВД-генераторов.

Ф|, Oj — 1 низковольтный и высоковольтный силовой формирователи Др —’ дроссель; К —•ключ; СУ ~i система управления.

ключается и коммутирует мощный импульс тока I в нагрузку R a. Таким образом, принципиальной осо­ бенностью базовой схемы РВД-генератора является включенный последовательно с РВД насыщающийся дроссель Др и включенный последовательно с фор­ мирователем Ф2 относительно слаботочный, но высо­ ковольтный ключ К, который должен блокировать суммарное напряжение высоковольтного силового формирователя Ф2 и низковольтного формирова­ теля Фх. В том случае, если энергия формирова­ теля Ф2 не рассеивается полностью в нагрузке и происходит его перезаряд, а повторная накачка РВД нежелательна, последовательно с нагрузкой вклю­ чают мощный диод Д, препятствующий разряду через РВД перезарядившегося формирователя Ф2.

На рис. 31 показана конструкция мощного РВДкоммутатора периодического действия, выполнен­ ного по схеме рис. 30. Коммутатор имеет коаксиальную конструкцию. Сердечник дросселя 1, выполненный из пермаллоя, надет на медную трубу 2 иТохвачен обратным коаксиальным токопроводом 3. Высо­ ковольтный блок из 3—5 включенных последова-

ЧЧЧЧЧЧЧЧЧЧЧЧЧЧ^

I RH

2 СУ

Рис. 31. Конструкция мощного РВД-коммутатора.

1 —Iсердечник дросселя; г —.модная труба; з —. коаксиальный токоировод; 4—.7 —»токосъемы; 8, 9 —>коаксиальные кабели.

тельно РВД и отсекающего диода Д также имеет обратный токопровод выполненный в виде коаксиально расположенных латунных шпилек. Система управления размещена внутри трубы 2, подключение нагрузки R„ и формирователя Ф осуществляется коаксиальными кабелями 5, 0, которые кренятся

по периметру токосъемов 5, 6, 7. Общий вид комму­ татора показан па рис. 32. Блок РВД состоит из трех последовательно соединенных мощных импульсных РВД (5 на рпс. 29) с рабочей площадью 40 см2 и на­ пряжением 2.5 кВ, отсекающим диодом служит кремниевый быстродействующий диод ДЧ-2000-22 с площадью 40 см2. В периодическом режиме такой коммутатор переключает ток до 300 кА при длитель­ ности прямоугольного импульса 100 мкс и напряже­ нии 7.5 кВ, а при двухстороннем водяном охлажде­ нии приборов на частоте 100 Гц коммутирует ток 50 кА при длительности прямоугольного импульса 30 мкс. На рис. 33 показана схема высокочастотного РВД-генератора для накачки лазера на парах меди. Основой схемы является силовая ячейка на генера­ торном РВД (7 на рис. 29), формирующая импульс с амплитудой 1 кА и полушириной 1 мкс на частоте 8—10 кГц; ток накачки при этом имеет амплитуду 50 А и полуширину 0.25 мкс. После трансформации

итрех ступеней магнитного сжатия (дросселя Дрх> 2, з

сферритовыми либо метглассовыми сердечниками) этот импульс на нагрузке имеет полуширину 0.1 мкс и напряжение 10 кВ. Общий вид генератора показан на рис. 34. На переднем плане виден блок всех сило­ вых полупроводниковых элементов, зажатых в одном прижимном устройстве (РВД, диод отсечки Д, тири­ стор накачки Т и тиристор зарядного устройства Т 0); справа от блока — дроссели Дрх> 2, 3. Средняя мощ­

ность генератора 3 кВт на частоте 8—10 кГц при воз­ душном охлаждении. При двухстороннем водяном охлаждении полупроводниковый блок может обеспе­ чить примерно на порядок большую среднюю мощ­ ность. На рис. 35 приведена схема ключевого одно­ ячейкового высокочастотного РВД-генератора сину­ соидальных колебаний [36]. Высокочастотные РВДХ 2 (7, рис. 29) с рабочей площадью 9 см2, рабо-

Рис. 33. Схема высокочастотного РВД-генератора для накачки лазера на парах меди (а) и форма исходного и выходного импульсов (б).