Федеральное государственное бюджетное учреждение наук

и

физико-технический институт им. А.Ф.Иоффе

Российской академии наук

На правах рукописи

КОРОТКОВ Дмитрий Александрович

РАЗРАБОТКА И ИССЛЕДОВАНИЕ ГЕНЕРАТОРОВ МОЩНЫХ

НАНОСЕКУНДНЫХ ИМПУЛЬСОВ НА ОСНОВЕ ДРЕЙФОВЫХ ДИОДОВ

С РЕЗКИМ ВОССТАНОВЛЕНИЕМ И ДИНИСТОРОВ С ГЛУБОКИМИ

УРОВНЯМИ

01.04.13 – Электрофизика, электрофизические установки

ДИССЕРТАЦИЯ

на соискание ученой степени кандидата технических наук

Научный руководитель доктор технических наук Коротков С.В.

Санкт-Петербург –

ОГЛАВЛЕНИЕ

ВВЕДЕНИЕ………………………………………………….……….…….……..…...

ГЛАВА 1. ПРИНЦИПЫ ПОСТРОЕНИЯ ГЕНЕРАТОРОВ МОЩНЫХ

ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ ИМПУЛЬСОВ НАНОСЕКУНДНОЙ ДЛИТЕЛЬНОСТИ

(ЛИТЕРАТУРНЫЙ ОБЗОР)

1.1. Генераторы на основе емкостного накопителя энергии……..…...……..…... 1.2. Генераторы на основе индуктивного накопителя энергии………….......…. 1.3. Выводы ……………………………………….………………………..……....

ГЛАВА 2. РАЗРАБОТКА ГЕНЕРАТОРОВ МОЩНЫХ НАНОСЕКУНДНЫХ

ИМПУЛЬСОВ НА ОСНОВЕ ДРЕЙФОВЫХ ДИОДОВ С РЕЗКИМ

ВОССТАНОВЛЕНИЕМ (ДДРВ)

2.1. Постановка задачи………………………..……..……………………….….….. 2.2. Оптимизация базовой схемы ДДРВ-генератора, разработка и исследование высоковольтных сборок последовательно соединенных ДДРВ с большим диаметром структур…………………………………..…….…………………...…... 2.3. Разработка генераторов мощных наносекундных импульсов на основе ДДРВ 2.3.а. ДДРВ - генератор импульсов накачки азотного лазера ……

2.3.б. ДДРВ-генератор импульсов питания установки электроразрядной очистки воздуха………………………………………..………………………..…....

class='zagtext'>ГЛАВА 3. РАЗРАБОТКА ГЕНЕРАТОРОВ МОЩНЫХ НАНОСЕКУНДНЫХ

ИМПУЛЬСОВ НА ОСНОВЕ ДИНИСТОРОВ С ГЛУБОКИМИ УРОВНЯМИ

(ДГУ) 3.1. Постановка задачи………………………………………….……..…..…...….... 3.2. Оптимизация базовой схемы генератора на основе ДГУ, исследование процесса переключения динисторов с большой рабочей площадью….……..….. 3.3. Оптимизация конструкции ДГУ и исследование коммутационных возможностей оптимизированных ДГУ……………………….……………........... 3.4. Разработка принципов построения высоковольтных коммутаторов на основе блоков последовательно соединенных ДГУ с большой рабочей площадью……………………………………………………………………….….… 3.5. Разработка высоковольтных генераторов на основе ДГУ 3.5.а. ДГУ-генератор импульсов накачки мощного азотного лазера

3.5.б. ДГУ-генератор импульсов управления гигаваттного коммутатора на основе реверсивно включаемых динисторов…………………….…..………... ЗАКЛЮЧЕНИЕ……………………………………………………………………... СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ ……..…………….………...……………..…..….......….

ВВЕДЕНИЕ

В настоящее время генераторы мощных наносекундных импульсов требуются для исследования электрофизических процессов, получения материалов с новыми, заранее заданными свойствами, для питания импульсных лазеров, ускорителей, устройств очистки воды и воздуха.

Для создания мощных наносекундных импульсов обычно используются два подхода: накопление энергии в емкостных накопителях (конденсаторах, формирующих линиях) с последующей коммутацией в нагрузку замыкающим ключом и накопление энергии в магнитном поле индуктивного контура с током с коммутацией прерывателем тока.

Традиционно наносекундная коммутация больших электрических мощностей осуществлялась с помощью разрядников разнообразной конструкции, магнитных ключей, плазменных прерывателей тока, взрывающихся проволочек и т.д. Однако для развития промышленных импульсных технологий такая элементная база неэффективна из-за малого срока службы, нестабильности срабатывания и низких частотных характеристик.

Этих недостатков лишены полупроводниковые приборы, являющиеся наиболее перспективными переключателями в современной импульсной технике.

В этой связи разработка мощных генераторов на основе полупроводниковых приборов с наносекундным быстродействием является важной и актуальной.

высоковольтных генераторов наносекундных импульсов с мегаваттной импульсной мощностью на основе новых двухэлектродных полупроводниковых приборов – дрейфовых диодов с резким восстановлением (ДДРВ) и динисторов с соответственно для коммутации цепей с индуктивными и емкостными накопителями энергии.

Диссертация содержит введение, три главы, заключение и список использованной литературы.

В первой главе рассмотрены традиционные способы построения генераторов высоковольтных импульсов наносекундной длительности. Особое внимание уделено коммутаторам наносекундных импульсов, являющихся наиболее проблемными элементами электрических схем генераторов. Обоснован выбор полупроводниковых коммутаторов (дрейфовых диодов с резким восстановлением перспективами в наносекундной импульсной технике.

Во второй главе описана оптимизированная схема мощного генератора восстановлением (ДДРВ), позволяющая повысить надежность работы на высокой частоте. Проведен анализ элементной базы, необходимой для построения мощных ДДРВ-генераторов. Приведены результаты комплексных исследований высоковольтных сборок последовательно соединенных ДДРВ с большим диаметром структур. Показаны конструкции разработанных широкополосных измерителей тока и напряжения. Приведены результаты расчета переходных процессов в схеме ДДРВ-генератора и результаты расчета тепловыделения в ДДРВ-сборках. Описана конструкция и способ построения мощных коммутаторов на основе параллельно–последовательно соединенных ДДРВ-сборок. Приведены электрические схемы и конструкции ДДРВ-генераторов мегаваттных промышленных загрязнителей и для накачки активной среды газового лазера.

Показаны результаты их испытаний.

В третьей главе приведены результаты комплексного исследования динисторов с глубокими уровнями (ДГУ) в режимах коммутации мощных оптимизированная схема высоковольтного ДГУ-генератора, позволяющая повысить КПД процесса коммутации. Представлены разработанные способы переключения высоковольтных блоков последовательно соединенных ДГУ, обеспечивающие малые коммутационные потери энергии в динисторах и высокую эффективность цепей управления. Описана оптимизированная конструкция ДГУ, позволяющая повысить надежность их работы в частотном режиме. Показаны результаты расчета переходных процессов в схемах ДГУгенераторов и результаты расчета тепловых процессов в системе «ДГУохладитель». Приведены результаты исследования разработанных высоковольтных блоков ДГУ в режимах коммутации килоамперных импульсов тока наносекундной длительности. Показаны электрические схемы и конструкции разработанных наносекундных ДГУ-генераторов с импульсной мощностью в десятки мегаватт и результаты их испытаний при накачке азотного лазера и при переключении гигаваттного коммутатора на основе реверсивно включаемых динисторов.

В заключении сформулированы основные результаты проделанной работы.

Научные положения, выносимые на защиту:

1. Проведенные исследования обеспечивают возможность создания полупроводниковых коммутаторов на основе последовательно соединенных дрейфовых диодов с резким восстановлением (ДДРВ) и динисторов с глубокими уровнями (ДГУ) с рабочим напряжением более 20 кВ, способных коммутировать килоамперные импульсы тока, нарастающие со скоростью более 100 А/нс, недоступной для традиционных транзисторов и тиристоров.

2. Разработанные ДДРВ-генераторы способны за единицы наносекунд на частоте несколько килогерц коммутировать импульсные мощности в несколько мегаватт и могут эффективно использоваться для очистки воздуха от промышленных загрязнителей и для накачки лазеров.

3. Разработанные ДГУ-генераторы способны в наносекундном диапазоне коммутировать импульсные мощности в десятки и сотни мегаватт и могут эффективно использоваться для накачки лазеров и для переключения гигаваттных коммутаторов на основе реверсивно включаемых динисторов.

Научной новизной обладают:

- оптимизированная конструкция ДГУ, позволяющая стабилизировать поверхностные токи утечки;

- результаты экспериментального исследования ДГУ, свидетельствующие об их однородном переключении и снижении коммутационных потерь энергии при нагреве;

- разработанные принципы построения высоковольтных ДДРВ- и ДГУкоммутаторов, обладающих уникальными коммутационными возможностями;

- электрические схемы и конструкции разработанных генераторов на основе ДДРВ и ДГУ, обеспечивающие высокую эффективность процесса коммутации мощных наносекундных импульсов.

высокоэффективных генераторов мегаваттных электрических импульсов полупроводниковых приборов, характеристики которых соответствуют, а в ряде случаев превышают мировой уровень.

Так, разработанные генераторы на основе высоковольтных сборок ДДРВ позволили осуществить эффективную очистку воздуха от промышленных загрязнений и более чем в 2 раза повысить мощность выходного излучения азотного лазера MNL330 фирмы «Laser Technik Berlin».

последовательно соединенных ДГУ показали высокую надежность и эффективность при использовании в мощном лазерном устройстве фирмы «Laser Technik Berlin», а также в лазерной установке мегаджоульного класса, разрабатываемой в РФЯЦ ВНИИЭФ (г. Саров).

Личный вклад автора состоит в том, что все основные результаты диссертационной работы получены лично им или при его непосредственном участии.

Лично автором были разработаны и изготовлены стенды для исследования мощных коммутаторов на основе ДДРВ и ДГУ, проведено их экспериментальное исследование, написана программа–алгоритм для обработки экспериментальных данных, проведено моделирование электромагнитных и тепловых процессов. При непосредственном активном участии автора была оптимизирована конструкция ДГУ и электрические схемы базовых ДДРВ- и ДГУ-генераторов, разработаны и изготовлены опытные образцы генераторов мощных наносекундных импульсов и проведено их экспериментальное исследование.

Основные результаты диссертации докладывались на следующих всероссийских и международных конференциях: 8-я научно-техническая конференция молодых специалистов «ПУЛЬСАР-2009» (21-23 октября, 2009, Дубна, Россия), 4nd Euro- Asian Pulsed Power Conference (September 30—October 4, 2012, Karlsruhe, Germany).

По теме диссертации опубликовано 8 научных работ в рецензируемых научных изданиях и журналах, список публикаций приведен в разделе Заключение.

Диссертация содержит 118 страниц машинописного текста, 4 таблицы, рисунков, список использованной литературы из 75 наименований.

ПРИНЦИПЫ ПОСТРОЕНИЯ ГЕНЕРАТОРОВ МОЩНЫХ

ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ ИМПУЛЬСОВ НАНОСЕКУНДНОЙ ДЛИТЕЛЬНОСТИ

(ЛИТЕРАТУРНЫЙ ОБЗОР)

Известны два базовых принципа генерации мощных наносекундных импульсов, отличающиеся способами накопления и коммутации энергии. При накоплении энергии в емкостном накопителе коммутация тока в нагрузку осуществляется с помощью замыкающего коммутатора, при накоплении энергии в индуктивном накопителе - с помощью прерывателя тока.

1.1. Генераторы на основе емкостного накопителя энергии На рис.1.1. приведена базовая схема генератора с емкостным накопителем энергии С.

Рис. 1.1. Схема генератора с емкостным накопителем энергии.

В исходном состоянии конденсатор С заряжен от источника напряжения Е до напряжения U. Это напряжение блокирует коммутатор К, имеющий очень низкую исходную проводимость.

При переключении коммутатора К в состояние с высокой проводимостью в нагрузку Rн коммутируется ток разряда накопителя С. При этом на нагрузке формируется импульс напряжения. Его амплитуда определяется произведением коммутируемого тока на сопротивление нагрузки, длительность фронта нарастания – временем переключения коммутатора К.

При разработке генераторов мощных наносекундных импульсов на основе емкостных накопителей энергии основной проблемой является создание коммутаторов мощных импульсов тока. Они должны иметь наносекундное время переключения в состояние с высокой проводимостью и быть способными блокировать высокое напряжение зарядки емкостного накопителя.

Традиционно в качестве коммутаторов К используются искровые разрядники [1-6].

Они имеют простую конструкцию, позволяющую легко обеспечить высокий уровень блокируемого напряжения, и способны в наносекундном диапазоне коммутировать токи с амплитудой в десятки килоампер.

В наносекундной импульсной технике используются разрядники как низкого, так и высокого давления с различным газовым составом межэлектродной среды.

К недостаткам искровых разрядников относится малый эксплуатационный ресурс.

Это связано с эрозией электродов и загрязнением межэлектродного пространства.

Эрозия электродов приводит со временем к увеличению числа отказов срабатывания, а загрязнение межэлектродного пространства – наоборот, к преждевременному срабатыванию при отсутствии сигналов запуска.

Помимо искровых разрядников в качестве коммутаторов емкостных накопителей применяются водородные тиратроны [2,5], игнитроны [2,6]. Их недостатки такие же, как и у искровых разрядников. Кроме того, тиратроны не обладают мгновенной готовностью к работе из-за необходимости предварительного прогрева генератора водорода. Наличие ртути в игнитронах представляет серьезную опасность для экологии, а привязка к пространственному положению делает невозможным их применение в мобильных установках.

Известные по работам [2,7-9] обостряющие магнитные переключатели в виде дросселей или трансформаторов с ферромагнитным сердечником позволяют снизить требования к коммутатору К и увеличить срок службы и надежность схемы. При их использовании коммутатор К обеспечивает только зарядку накопительной емкости и не участвует в процессе коммутации энергии в нагрузку.

Принцип работы магнитного переключателя основан на эффекте резкого уменьшения индуктивности в момент насыщении сердечника. В качестве материала сердечника для получения импульсов наносекундной длительности чаще всего используется феррит в связи с низкими удельными потерями энергии.

На рис. 1.2. приведена базовая схема генератора с емкостным накопителем С и магнитным переключателем L, выполненным в виде дросселя насыщения.

Рис. 1.2. Схема генератора с магнитным ключом.

Схема работает следующим образом. В исходном состоянии емкостной накопитель С разряжен, сердечник дросселя L переведен в рабочее состояние током Iп, протекающим через обмотку перемагничивания.

При включении коммутатора К происходит зарядка емкостного накопителя С от источника напряжения Е. Так как исходная индуктивность дросселя L велика, то в процессе зарядки скорость нарастания тока через нагрузку пренебрежимо мала. В процессе нарастания напряжения на конденсаторе С сердечник дросселя L намагничивается протекающим током.

При насыщении сердечника индуктивность дросселя резко уменьшается и осуществляется быстрая коммутация энергии емкостного накопителя С в нагрузку Rн.

При соответствующем выборе параметров сердечника дросселя время коммутации может быть в несколько раз меньше времени зарядки емкостного накопителя С, а коммутируемый ток в несколько раз больше тока, протекающего через коммутатор К.

Многозвенные схемы магнитного сжатия [2] позволяют использовать коммутаторы К с микросекундным быстродействием и формировать на нагрузке обеспечивающего уменьшение длительности зарядки конденсатора каждого последующего звена.

В работах [10-13] показано, что использование магнитных переключателей позволяет сформировать высоковольтные импульсы напряжения с фронтом нарастания ~ 10 нс.

Основными недостатками магнитных генераторов наносекундных импульсов являются большие габариты и большие потери энергии при быстром перемагничивании сердечников магнитных переключателей.

В настоящее время уровень развития полупроводниковой техники позволяет полупроводниковые приборы - импульсные тиристоры, а также IGBT (Insulated Gate Bipolar Transistors), MOSFET (metal–oxide–semiconductor field-effect transistor) и биполярные транзисторы.

Исторически первыми управляемыми полупроводниковыми приборами были биполярные транзисторы [14-17]. Они имеют три области с чередующимися типами проводимости – эмиттер, коллектор и базу, через которую пропускается ток управления. При достаточно большом токе управления происходит открытие исходно запертого коллекторного перехода. При этом обеспечивается высокая проводимость биполярного транзистора.

Быстродействие биполярных транзисторов определяется диффузионной скоростью движения носителей заряда и толщиной базовой области. В наносекундной импульсной технике используются низковольтные транзисторы с рабочим напряжением 10-15 В. Время их включения составляет несколько десятков наносекунд.

С ростом рабочего напряжения увеличивается толщина базы транзистора, что приводит к ухудшению динамических характеристик. При величине рабочего напряжения несколько сотен вольт время включения типичного биполярного транзистора составляет сотни наносекунд.

Недостатком биполярных транзисторов является также и большой ток управления.

проводимости, двух областей с другим типом проводимости (сток, исток) и электрода управления (затвор). Его переключение осуществляется в результате образования инверсионного канала, соединяющего области стока и истока.

При отсутствии на затворе управляющего импульса транзистор находится в закрытом состоянии и блокирует приложенное к стоку напряжение. При подаче импульса управления на затвор у границы с окислом возникает индуцированный слой (канал), проводимость которого модулируется при изменении напряжения на затворе. Если к стоку приложено напряжение, через канал будет протекать ток, определяемый величиной приложенного напряжения и сопротивлением канала.

фиксированном напряжении на затворе канал входит в режим отсечки – транзистор переходит в режим насыщения, при котором дальнейшее увеличение напряжения на стоке не ведет к пропорциональному увеличению тока через прибор. При снятии управляющего сигнала канал проводимости быстро рассасывается, транзистор выключается.

Так как входное сопротивление полевых транзисторов очень велико, то по цепи управления они потребляют существенно меньшую мощность по сравнению с биполярными транзисторами. Малая емкость затвора позволяет работать на частотах несколько десятков килогерц.

При уровне рабочего напряжения менее 100 В сопротивление MOSFET в открытом состоянии составляет сотые доли Ома, а время включения – менее наносекунд, что обеспечивает достаточно высокий КПД в режимах коммутации наносекундных импульсов тока.

Однако при увеличении рабочего напряжения сопротивление канала проводимости MOSFET-транзистора резко возрастает и при рабочем напряжении порядка 1000 В составляет единицы Ом, что ограничивает предельную величину тока стока на уровне 10 А. Это обстоятельство затрудняет использование полевых транзисторов в мощных импульсных генераторах.

С целью увеличения предельной величины коммутируемого тока при рабочих напряжениях более 1 кВ были созданы биполярные транзисторы с изолированным затвором (IGBT) [21-23].

В IGBT объединены достоинства полевых и биполярных транзисторов высокое быстродействие, большое сопротивление по входу и достаточно малое остаточное сопротивление при большом блокируемом напряжении.

Конструктивно они представляют собой интегральную схему, в которой током базы мощного биполярного транзистора управляет полевой транзистор. В одном корпусе может находиться несколько десятков тысяч элементарных ячеек IGBT.

Процесс включения IGBT можно разделить на два этапа: после подачи положительного напряжения между затвором и истоком происходит открытие полевого транзистора (формируется n - канал между истоком и стоком).

Движение зарядов из области n в область p приводит к открытию биполярного транзистора и возникновению тока от эмиттера к коллектору. Таким образом, полевой транзистор управляет работой биполярного.

Время выключения IGBT несколько больше, чем у полевых транзисторов.

Это связано с необходимостью рассасывания заряда неосновных носителей, накопленного в базе биполярного транзистора.

Современные IGBT с наносекундным быстродействием имеют рабочее напряжение не более 1600 В и способны коммутировать токи с амплитудой не более нескольких сотен ампер за время несколько сотен наносекунд.

Тиристоры [24-27] обладают рядом преимуществ по сравнению с транзисторами: меньшее падение напряжения в открытом состоянии и более высокая перегрузочная способность.

Силовой тиристор представляет собой монокристалл полупроводника, в котором созданы четыре чередующиеся области с различным типом проводимости, имеет 3 электрода – катод, анод и электрод управления, соединенный с р-базой.

В закрытом состоянии тиристор способен блокировать приложенное к нему напряжение, поскольку центральный p-n – переход смещен в обратном направлении. Когда на управляющий электрод подается напряжение, то в p-n-p-n – структуре начинает протекать ток управления. В результате начинает увеличиваться ток через катодный эмиттер, что приводит к росту коэффициентов усиления по току p-n-p и n-p-n. При увеличении тока управления сумма p-n-p и n-p-n становится равной единице. При этом центральный p-n – переход смещается в прямом направлении и тиристор переходит в проводящее состояние. Во включенном состоянии необходимость поддерживать напряжение на электроде управления пропадает благодаря механизму положительной обратной связи.

Выключение тиристора происходит во время безтоковой паузы.

микросекунды. Их фундаментальным недостатком является локализация процесса включения в узкой области у электрода управления. Локальное тепловыделение в области первоначального включения ограничивает скорость нарастания силового тока на уровне несколько ампер в наносекунду.

Меньшим временем переключения в хорошо проводящее состояние обладают тиристоры с полевым управлением - MCT (MOS-Controlled Thyristor) [28].

Конструктивно MCT представляет собой составной прибор, который является комбинацией быстродействующего управляющего полевого транзистора и тиристора. Объединение этих структур на одной подложке позволяет получить бльшее быстродействие по сравнению с традиционным тиристором и меньшую мощность сигнала управления. Промышленно выпускаются MCT с рабочим напряжением до 2 кВ, способные в моноимпульсном режиме коммутировать ток амплитудой более одного килоампера за время несколько десятков наносекунд.

Основным фактором, сдерживающим широкое использование MCT в генераторах мощных наносекундных импульсов, является очень сложная конструкция. Современная технология не позволяет изготовить структуры с площадью более 1 см2. При этом амплитуда коммутируемого тока на частотах в несколько килогерц составляет менее 100 А.

разработанные в ФТИ им. А.Ф. Иоффе реверсивно-включаемые динисторы (РВД) [29-32].

В отличие от тиристоров у них нет электрода управления. Включение РВД производится путем реверса блокируемого напряжения и пропускания в обратном направлении короткого (~1 мкс) быстро нарастающего тока управления, протекающего через плотную систему встроенных каналов обратной проводимости. В результате у центрального p-n – перехода равномерно по площади накапливаются электроны и дырки.

При восстановлении исходной полярности напряжения они переносятся полем и вызывают встречную инжекцию электронов и дырок из эмиттерных областей. Это в свою очередь приводит к однородному по площади включению РВД за счет механизма положительной обратной связи.

В процессе коммутации на РВД возникает короткий пик напряжения. Его амплитуда зависит от скорости нарастания коммутируемого тока и величины заряда, накопленного при пропускании тока управления. Время спада пикового напряжения до установившегося значения определяется временем дрейфа инжектированных носителей тока через базовые области и составляет несколько сотен наносекунд.

Основными достоинствами РВД являются меньшие, чем в тиристорах, коммутационные потери энергии, обеспечиваемые высокой однородностью процесса переключения, а также потенциальная надежность при последовательном соединении, определяемая синхронным включением РВД при запуске общим импульсом тока управления.

К недостаткам РВД можно отнести высокие потери при коммутации импульсов тока с наносекундным временем нарастания, обусловленные сравнительно небольшой скоростью дрейфа носителей в процессе модуляции проводимости.

Бльшими коммутационными возможностями в наносекундном диапазоне обладают кремниевые динисторы с глубокими уровнями (ДГУ) [33].

ДГУ относятся к классу полупроводниковых приборов, переключаемых в результате формирования и распространения ударно-ионизационной волны в кремнии [34-35].

На рис 1.3. приведена конструкция полупроводниковой структуры ДГУ и эпюры распределения электрического поля и электронно-дырочной плазмы (темный цвет), иллюстрирующие процесс его переключения.

Принцип действия ДГУ заключается в следующем. При блокировании силового напряжения в его структуре создается свободная от носителей тока область объемного заряда WSCR (рис. 1.3 б) с максимальной напряженностью поля у коллекторного р-п перехода. Она занимает значительную часть базовых областей. У эмиттеров формируются узкие нейтральные области, препятствующие статическому пробою.

Рис. 1.3. Конструкция ДГУ, профили электрического поля и концентрации Переключение ДГУ осуществляется в результате приложения импульса напряжения, нарастающего со скоростью более 1 кВ/нс. Большая скорость нарастания запускающего импульса напряжения позволяет получить очень высокую (~ 106 В/см) напряженность электрического поля у р-п перехода (рис.

1.3 в).

В этих условиях напряженность поля в области коллектора резко возрастает, однако пробой не возникает, так как поле не успевает достичь эмиттеров. При достаточно большой напряженности поля (~ 106 В/см) происходит полевая эмиссия электронов с глубоких уровней, расположенных в запрещенной зоне кремния. Они инициируют процесс ударной ионизации.

Образующаяся электронно-дырочная плазма высокой концентрации экранирует поле, которое резко падает в плазме (рис. 1.3 г) и возрастает в соседних областях, что вызывает эмиссию электронов и распространение ударно ионизационной волны.

Одновременно ток смещения, протекающий через область объемного заряда, вызывает инжекцию электронов и дырок из n+ и p+ - эмиттерных слоев. Они движутся внутрь прибора в условиях биполярного дрейфа. Через доли наносекунды прибор переходит во включенное состояние с остаточным напряжением несколько десятков вольт, которое спадает по мере поступления плазмы со стороны инжекторов (рис. 1.3 д).

Быстрое переключение и малые потери энергии в проводящем состоянии обеспечивают уникальные коммутационные возможности ДГУ: приборы с рабочей площадью 1 см2 способны коммутировать наносекундные импульсы тока с амплитудой несколько килоампер, нарастающие со скоростью до 150 А/нс.

Принцип действия ДГУ определяет возможность переключения сборок последовательно соединенных динисторов общим для всех приборов импульсом перенапряжения.

1.2. Генераторы на основе индуктивного накопителя энергии На рис. 1.4. приведена схема генератора с индуктивным накопителем энергии.

Рис. 1.4. Схема генератора с индуктивным накопителем энергии.

В исходном состоянии через индуктивный накопитель L и прерыватель тока К протекает ток, формируемый источником I. Ток через нагрузку RН пренебрежимо мал, так как сопротивление прерывателя К пренебрежимо мало по сравнению с сопротивлением нагрузки.

При выключении прерывателя К его сопротивление резко возрастает и становится много больше сопротивления нагрузки. В результате осуществляется коммутация тока индуктивного накопителя L в нагрузку RН. Амплитуда импульса напряжения на нагрузке определяется произведением коммутируемого тока на сопротивление нагрузки, длительность фронта нарастания – временем выключения прерывателя К.

При разработке генераторов мощных наносекундных импульсов на основе индуктивных накопителей энергии основной проблемой является создание мощных прерывателей тока. Они должны иметь очень низкое исходное сопротивление, наносекундное время выключения и быть способными блокировать высокое напряжение, прикладываемое к нагрузке.

Традиционно в качестве прерывателей К используются взрывающиеся проволочки [36-38]. Данный эффект может быть получен путем превышения критического значения плотности тока в проводнике. Иногда для разрушения проводника используется заряд взрывчатого вещества. Такие прерыватели позволяют коммутировать в нагрузку импульсы тока амплитудой в несколько килоампер с фронтом несколько десятков наносекунд. Основной недостаток таких прерывателей – принципиально однократный режим работы.

В мощной наносекундной импульсной технике широко используются плазменные прерыватели тока (ППТ) [39].

При образовании плазменного канала в ППТ между земляным и потенциальным электродами протекает ток разряда емкостного накопителя энергии. В результате происходит частичная (или полная) передача энергии из емкостного накопителя в индуктивный. При определенных условиях [39] проводимость плазменного канала резко уменьшается и накопленная в индуктивности энергия переключается в нагрузку.

Сложность обеспечения строгой повторяемости процессов коммутации ограничивают перспективы использования ППТ. Другим недостатком ППТ является то, что они не обеспечивают полного обрыва тока, рост сопротивления плазменного канала ограничивается током ионов.

Для формирования и прерывания тока индуктивного накопителя энергии применяются также инжекционные тиратроны (ИТ) [2, 40-41].

Их включение происходит в результате инжекции электронов в газовый промежуток. Снятие сигнала управления приводит к быстрому уменьшению концентрации плазмы в объеме в процессе рекомбинации и прилипания к молекулам газа, что приводит к прекращению разряда.

Главные недостатки ИТ - малый срок службы, большие габариты и наличие радиационного фона.

В настоящее время в качестве низковольтных наносекундных прерывателей тока широко используются MOSFET- и IGBT – транзисторы.

При снятии потенциала с электрода управления они способны выключаться за время менее 10 нс. Однако низкое рабочее напряжение транзисторов и малая допустимая амплитуда выключаемого тока не позволяют получать на нагрузке пиковые мощности более чем 20-30 кВт.

В работах [42, 43] рассмотрены полупроводниковые прерыватели тока с рабочим напряжением несколько киловольт на основе арсенида галлия, принцип действия которых основан на создании высокой проводимости в GaS электронным пучком или лазерным излучением с последующим быстрым отключением источника ионизации. Такие прерыватели могут обрывать ток с амплитудой в сотни ампер за время несколько наносекунд, определяемое временем рекомбинации носителей заряда в полупроводнике.

Технические сложности, связанные с необходимостью применения ускорителей заряженных частиц или лазеров для управления работой прерывателя тока затрудняют их использование в мощной импульсной технике.

В наносекундной импульсной технике также используются диодные прерыватели тока. В диодном прерывателе при протекании прямого тока в базе накапливается заряд, который затем выводится на стадии протекания обратного тока. При этом прибор быстро выключается, восстанавливая блокирующую способность p-n – перехода.

К таким прерывателям относится диод с накоплением заряда (ДНЗ) [44-45].

Конструктивно этот прибор достаточно прост: в пластине кремния n – типа проводимости, благодаря диффузии бора с поверхности, создается p+n – переход.

Образующиеся концентрационные профили акцепторов в p – области и доноров в n – области способствуют созданию встроенного тормозящего электрического поля. При малых уровнях инжекции (когда концентрация основных носителей заряда в состоянии термодинамического равновесия много больше концентрации неосновных носителей заряда) поле значительно уменьшает диффузионное распространение неосновных носителей заряда и концентрирует их в области p-n – перехода. При смене полярности тока, накопленные дырки практически полностью выводятся на стадии высокой обратной проводимости, после чего ток через диод резко обрывается и переключается в параллельно подключенную цепь нагрузки. Время переключения составляет единицы и доли наносекунды.

Однако при увеличении плотности рабочего тока увеличивается уровень инжекции, что приводит к исчезновению встроенного электрического поля и эффекта резкого обрыва тока. Напряжение лавинного пробоя p+n – перехода у ДНЗ лежит, как правило, в пределах 10-50 В, а рабочий ток составляет сотни миллиампер, что недостаточно для создания генераторов мощных импульсов.

Значительно большую мощность могут коммутировать SOS-диоды (Semiconductor Opening Switch), известные по работам [46-51].

В отличие от ДНЗ, развитие процесса обрыва тока в SOS-диодах происходит высоколегированных областях. Такой режим обусловлен очень высокой плотностью обрываемого тока - несколько килоампер на квадратный сантиметр.

При прохождении через SOS - диод короткого импульса прямого тока происходит инжекция дырок и электронов и накопление заряда электроннодырочной плазмы в структуре. Короткие времена накачки (300 – 400 нс) снижают потери на рекомбинацию носителей и за счет диффузионного механизма не позволяют электронам и дыркам продвинуться глубоко к p-n – переходу.

При приложении к SOS-диоду быстро нарастающего обратного тока большой плотности (6-8 кА/см2) осуществляется быстрый вынос носителей из p+n – структуры. В результате еще до границы p-n–перехода возникает область сильного электрического поля, обусловленная ионизацией части акцепторной примеси в p – базе, расширяющаяся со скоростью движения фронта плазмы. При этом формируется область с высоким сопротивлением, что приводит к резкому увеличению сопротивления SOS – диода. В режиме с длительностью обратного тока менее 100 нс характерное время выключения SOS – диода составляет единицы наносекунд.

На основе SOS – диодов собираются высоковольтные сборки, которые характеризуются высокой надежностью. Поскольку обрыв тока создается вне плоскости p-n – перехода, структура защищена от пробоя по перенапряжению, что и позволяет при создании высоковольтных сборок SOS – диодов обходиться без их подбора по электрофизическим характеристикам.

Недостаток SOS – диодов: большие потери энергии, обусловленные большой плотностью прямого и обратного токов, ограничивающие предельную частоту коммутаций. Характерная частота следования импульсов в генераторах на основе SOS-диодов составляет 1-2 кГц.

Меньшие коммутационные потери энергии и более высокую допустимую частоту следования коммутируемых импульсов позволяют обеспечить прерыватели на основе разработанных в ФТИ им. А.Ф.Иоффе дрейфовых диодов с резким восстановлением (ДДРВ) [52-59].

Принцип работы ДДРВ состоит в следующем. При протекании импульса прямого тока в структуре ДДРВ происходит накопление заряда. На стадии высокой проводимости к диоду прикладывается импульс напряжения обратной полярности, обеспечивающий вынос накопленного заряда. В результате блокирующие свойства p-n – перехода восстанавливаются, что приводит к резкому обрыву тока в ДДРВ и передаче в нагрузку энергии, запасенной в индуктивности.

Длительность импульса прямого тока составляет не более 200-300 нс. За это время в структуре ДДРВ создаются диффузионные плазменные слои в результате инжекции носителей тока из высоколегированных p+ и п+ областей.

Форма распределения концентрации плазмы показана на рис. 1.5, а (штриховая линия).

Рис. 1.5. Структура ДДРВ, профили легирования примесей и концентрации Как видно из рисунка, большая часть накопленного заряда приходится на диффузионный p+-p слой. Если теперь к диоду приложить обратное напряжение, то происходит удаление дырок из p+-p слоя. Концентрация плазмы у перехода p+-p спадает до нуля, и образующийся концентрационный фронт начинает двигаться к p-n переходу. С другой стороны навстречу ему двигается концентрационный фронт от n+ инжектора за счет выноса электронов из n - слоя (рис. 1.5, б).

Плазменные фронты смыкаются в области p-n перехода, в результате чего образуется область объемного заряда, которая со скоростью VS распространяется до n+ - слоя (рис. 1.5, в). Образование ООЗ приводит к резкому обрыву тока через диод и возрастанию на нем напряжения.

При уровне рабочих напряжений 1-1,2 кВ ДДРВ выключаются за время 2нс и могут работать на частоте в десятки килогерц. При использовании сборок последовательно соединенных ДДРВ обеспечивается наносекундная коммутация импульсов напряжения с амплитудой несколько десятков киловольт.

1.3. Выводы Представленный обзор определяет высокие перспективы генераторов мощных наносекундных импульсов на основе динисторов с глубокими уровнями (ДГУ) и дрейфовых диодов с резким восстановлением (ДДРВ).

Работа посвящена разработке мощных ДГУ - и ДДРВ - генераторов. В процессе разработок особое внимание уделено исследованиям ДГУ и ДДРВ с целью их наиболее эффективного использования.

РАЗРАБОТКА ГЕНЕРАТОРОВ МОЩНЫХ НАНОСЕКУНДНЫХ

ИМПУЛЬСОВ НА ОСНОВЕ ДРЕЙФОВЫХ ДИОДОВ С РЕЗКИМ

ВОССТАНОВЛЕНИЕМ (ДДРВ)

2.1. Постановка задачи Основной задачей описанных в главе 2 исследований являлась разработка генераторов высоковольтных наносекундных импульсов с импульсной мощностью более 1 МВт и рабочей частотой несколько килогерц на основе сборок последовательно соединенных дрейфовых диодов с резким восстановлением (ДДРВ).

При разработке в качестве базовой была использована схема ДДРВ – генератора, предложенная авторами работы [59]. Она изображена на рис. 2.1.

В представленной схеме режим работы ДДРВ создается цепью коммутации ЦК. В исходном состоянии ключ К выключен, конденсатор С2 разряжен. При включении К в первичную обмотку импульсного трансформатора Т коммутируется ток разряда конденсатора С1. При этом по цепи вторичной обмотки трансформатора протекает ток, являющийся прямым для ДДРВ (ток включения ДДРВ). В результате осуществляется зарядка конденсатора С2 и накопление неосновных носителей заряда в структуре ДДРВ.

В момент окончания процесса зарядки конденсатора С2 происходит насыщение сердечника трансформатора Т1, что приводит к резкому уменьшению индуктивности его вторичной обмотки. Конденсатор С2 быстро разряжается, при этом протекающий в цепи «С2 – ДДРВ» ток является обратным для ДДРВ (ток выключения). В процессе протекания тока выключения из структуры ДДРВ выводится накопленный заряд неосновных носителей, величина которого, вследствие малой длительности процесса накопления, фактически равна величине заряда, введенного на этапе пропускания импульса тока включения.

После освобождения базовой области ДДРВ от заряда неосновных носителей ток выключения поддерживается за счет вывода основных носителей. При этом электрическая проводимость ДДРВ резко уменьшается и становится существенно меньше электрической проводимости сопротивления нагрузки RН. В результате происходит быстрая коммутация тока из ДДРВ в нагрузку RН.

Основным недостатком базовой схемы является нестабильность процесса коммутации при работе на высокой частоте в характерных для многих электроразрядых импульсных технологий режимах с достаточно большой энергией, отраженной от нагрузки.

При наличии отраженной энергии происходит перезарядка конденсаторов С1, С2 и в цепи трансформатора Т1 возникают длительные колебания тока, приводящие к изменению магнитного состояния сердечника. В результате изменяется исходное состояние сердечника к моменту очередного включения ключа Кл, вызывающее нестабильность момента его насыщения и разброс моментов коммутации тока в нагрузку Rн.

Представленные в главе 2 исследования направлены на увеличение коммутируемой мощности и эффективности импульсных генераторов на основе ДДРВ. Для осуществления поставленных задач была оптимизирована цепь коммутации, проведены комплексные исследования ДДРВ, разработана конструкция высоковольтных ДДРВ-сборок, определены наиболее эффективные режимы их использования.

2.2. Оптимизация базовой схемы ДДРВ-генератора, разработка и исследование высоковольтных сборок последовательно соединенных ДДРВ с большим диаметром структур На рис.2.2 приведена оптимизированная схема ДДРВ-генератора.

Рис.2.2. Оптимизированная электрическая схема ДДРВ-генератора.

В ней используются основные элементы базовой цепи коммутации (ЦК):

замыкающий ключ K, трансформатор с насыщающимся сердечником Т1, индуктивность L1, конденсаторы С1, С2.

Введенный в схему диодный блок VD2 исключает перезарядку конденсатора С2 и обеспечивает униполярную форму тока в цепи нагрузки Z. Введенная демпфирующая цепь «R2-VD1» с низкоомным резистором R2 ограничивает напряжение перезарядки конденсатора С1 и позволяет рассеять остающуюся в С энергию при униполярном токе в цепи ключа К. Таким образом, в результате введения в ЦК элементов R2, VD1, VD2 повышается надежность конденсаторов С1, С2 и ключа К, а также устраняются контурные токи после выключения ДДРВ, весьма опасные при высокочастотной коммутации больших электрических мощностей.

С помощью введенной цепи «R1-L2» после окончания процесса коммутации осуществляется перемагничивание сердечника Т1 до состояния, обеспечивающего максимальное изменение индукции в процессе перемагничивания в рабочем режиме. При этом уменьшаются габариты и стабилизируется режим работы трансформатора Т1. Благодаря использованию одного витка в первичной обмотке трансформатора Т1 достаточно просто обеспечивается высокая электрическая прочность межобмоточной изоляции, определяющая высокую надежность генератора при большой амплитуде выходного напряжения.

В исходном состоянии конденсатор С1 заряжен до напряжения U1 в указанной на рисунке полярности. Через обмотку w1 протекает небольшой ток