12-кВ твердотельный ключ с ультравысокими скоростями нарастания тока и высокой плотностью мощности для работы в микросекундном диапазоне

Высоковольтные твердотельные ключи с высоким быстродействием востребованы в аппаратуре импульсной энергетики большой мощности (до 10⁹ Вт) [1]. Они используются в лазерной технике, ускорителях электронов, плазменных генераторах, медицинской технике, оборудовании для очистки воздуха и воды и многих других импульсных применениях. Одним из перспективных силовых полупроводниковых приборов для таких ключей является реверсивно-включаемый динистор с обратной проводимостью (РВДД) [1], который обладает всеми преимуществами реверсивно-инжекционного включения [2] с возможностью коммутации в микро­секундном диапазоне больших и коротких импульсов тока прямой и обратной полярности. Обладая квазидиодным характером включения (одновременно по всей площади), РВДД способны коммутировать плотности тока до 10⁴ А/см² и выдерживать скорости нарастания тока до 10⁵ A/мкс, недостижимые для лучших импульсных тиристоров.

Схема и конструкция ключа

Для одного из перечисленных применений (плазмотроны), где требуются короткие мощные импульсы тока с длительностью фронтов до 1 мкс, разработан 12-кВ твердотельный ключ на основе РВДД с высоковольтным блоком управления для коммутации импульсов тока в импульсно-периодическом режиме амплитудой до 100 кА длительностью импульса тока до 20 мкс, скоростью нарастания прямого тока свыше 25 кА/мкс. На рис. 1 представлена принципиальная электрическая схема, а на рис. 2 — фотография прототипа этого ключа.

Рис. 1. Схема электрическая функциональная РВДД ключа

Рис. 2. 100 кА/12 кВ/20 мкс РВДД-ключ с высоковольтным блоком управления

Состав твердотельного РВДД-ключа:

1. Высоковольтный силовой блок 1 (рис. 2). Он состоит из семи последовательно соединенных 2-дюймовых 2,4-кВ реверсивно-включаемых динисторов с обратной проводимостью таблеточной конструкции и дросселя магнитной задержки (2). Между динисторами расположены медные пластины, служащие для монтажа выравнивающих напряжение резисторов и отвода тепла. Блок крепится на основание из диэлектрика и устанавливается в аппаратуре с помощью ребристых изоляторов.

Для минимизации паразитной индуктивности взаимное расположение катодного и анодного выводов силового блока выполнено коаксиально. Блок может работать в режимах коммутации одиночных и повторяющихся одно- и двуполярных импульсов тока. Поэтому конструкция силового блока выполнена максимально открытой для доступа охлаждающего воздуха, что позволяет эффективно реализовывать как конвекционное, так и принудительное охлаждение. В последнем случае принудительный поток воздуха от небольшого вентилятора, охлаждающий таблетки РВДД и медные шины между ними, может увеличить количество рассеиваемого тепла на 50%.

2. Генератор запуска. В состав генератора входят высоковольтный тиристорный ключ (3), RLC-контур (4) и блок управления (5) с оптическим интерфейсом. Параметры оптического входного запускающего импульса: длительность 20 мкс, длина волны 820 нм, диапазон оптической мощности 3–120 мкВт. При поступлении сигнала запуска на оптический вход и наличии напряжения питания ключа генератор формирует импульс управления амплитудой 2 кА, длительностью 1,5 мкс для включения сборки РВДД.
3. Блок размагничивания 6. Данное устройство предназначено для восстановления магнитных свойств дросселя насыщения после коммутации предыдущего импульса силового тока. Для этого блок поддерживает в высоковольтном кабеле размагничивания средний ток около 2 А.

Результаты расчетов

Критерием выбора силовых полупроводниковых приборов для твердотельного ключа является величина максимальной температуры в момент протекания импульсного тока. Расчеты максимальной температуры p-n-переходов РВДД-ключа были проведены с помощью программного комплекса TCAD Synopsys. На рис. 3 представлены результаты моделирования работы РВДД при разряде накопительной емкости 80 мкФ на коаксиальный кабель длиной 1,5 м с волновым сопротивлением 50 Ом. Нагрузкой на выходе коаксиального кабеля являлось активное сопротивление 10 мОм. Напряжение заряда емкости 12 кВ. В результате моделирования разряда емкости с помощью РВДД-ключа на нагрузку были получены синусоидальные затухающие колебания тока с периодом около 40 мкс. Амплитуда тока первой положительной полуволны составила 135 кА, первой отрицательной полуволны 70 кА. Максимальная температура полупроводниковой структуры РВДД в момент прохождения положительной полуволны составила +110 °С, в момент прохождения отрицательной полуволны тока +160 °С. В обоих случаях она ниже предельно допустимой температуры перехода для данного типа прибора (T_jmax = +200 °С), что обеспечит надежную работу при эксплуатации в импульсном режиме.

Рис. 3. Расчетные осциллограммы тока (синий цвет) и температуры (красный цвет) РВДД

Увеличение плотности электронных компонентов и их коммутируемой мощности приводит к росту тепловыделения, что значительно повышает вероятность сбоя электронных устройств и систем. Поэтому для анализа эффективности выбранной конструкции выполнен тепловой расчет РВДД-ключа в программном комплексе ANSYS. Расчет проводился с учетом длительного режима работы ключа при условии естественного конвекционного охлаждения. В качестве исходных данных задавалась средняя мощность тепловыделения на полупроводниковой структуре, соответствующая амплитуде импульса тока 100 кА, длительностью 20 мкс и частотой коммутации 1 Гц. Температура окружающего воздуха равна +40 °С.

На рис. 4 представлены результаты расчета конвекционного потока охлаждающего воздуха и температуры всех греющихся деталей и узлов силового блока РВДД-ключа. Как видно из рисунка, линии конвекционного потока воздуха беспрепятственно огибают стягивающие шпильки блока и обеспечивают эффективный отвод тепла от медных пластин и динисторной сборки в целом. При этом средняя температура корпуса каждого из семи последовательно соединенных полупроводниковых приборов составляет около +70 °С, что не превышает предельно допустимое значение температуры приборов в длительном режиме работы.

Рис. 4. Конвекционный поток охлаждающего воздуха и температура силового блока РВДД-ключа при естественном охлаждении

На рис. 5 представлены результаты расчета потока охлаждающего воздуха и температуры деталей и узлов силового блока РВДД-ключа при принудительной конвекции. Здесь охлаждение улучшается за счет использования вентилятора, расположенного перед блоком (для приведенного рисунка — вентилятор расположен справа от блока). Скорость потока воздуха около 1 м/с, температура охлаждающего воздуха +40 °С. В расчетах температуры средняя мощность тепловыделения в ключе принималась той же, что и при естественном охлаждении.

На рис. 5 видно, что средняя температура корпуса каждого из семи последовательно соединенных полупроводниковых приборов при принудительном охлаждении составляет около +54 °С, что примерно на 15 °С меньше по сравнению с естественным охлаждением. Это позволяет значительно увеличить коммутирующую способность РВДД-ключа. Расчетные тепловые сопротивления «переход — окружающая среда R_th(j-a)» динисторной сборки силового блока для естественного и принудительного охлаждения равны 0,43 °С/Вт и 0,20 °C/Вт соответственно.

Рис. 5. Распределение потока воздуха и температуры силового блока РВДД-ключа при принудительном охлаждении со скоростью 1 м/с

На основании полученных значений R_th(j-a) построены максимальные нагрузочные характеристики РВДД-ключа в зависимости от частоты коммутации полусинусоидального импульса тока длительностью 20 мкс (рис. 6).

Рис. 6. Зависимость тока нагрузки РВДД-ключа от частоты следования импульсов тока и охлаждения силового блока при естественном и принудительном охлаждении 1 м/с, температура воздуха +25 °С

На рис. 6 видно, что при принудительном охлаждении силового блока ток нагрузки РВДД-ключа возрастает примерно на 40% по сравнению с естественным охлаждением во всем указанном диапазоне частот. Положительные результаты получены за счет максимально открытой конструкции ключа и низкой энергии потерь в РВДД, поэтому он может работать в режимах коммутации одиночных и повторяющихся одно- и двуполярных импульсов тока.

Результаты испытаний

На рис. 7 представлена схема испытательного стенда, на котором проводилась проверка работоспособности РВДД-ключа. Ключ подсоединен между емкостным накопителем и нагрузкой.

Находясь в исходном запертом состоянии в силовом контуре (цепи) с емкостным накопителем C, заряженным от источника напряжения (3), силовой блок (1) блокирует разрядный ток. Для включения силового блока к динисторной сборке от генератора запуска (2) подается короткий управляющий импульс обратного тока. Электрическая развязка управляющей и силовой цепей во время протекания тока управления осуществляется за счет дросселя насыщения, имеющего большую начальную индуктивность. За время развязки (1–1,5 мкс) к ненасыщенному дросселю приложено все напряжение. Ток через дроссель нарастает медленно и линейно, а после достижения определенного значения переводит дроссель в состояние с низкой индуктивностью. После этого к силовому блоку вновь прикладывается напряжение накопителя С, динисторы переключаются и ключ коммутирует в нагрузку R мощный импульс тока.

Рис. 7. Схема испытательного стенда

Проведенные испытания на стенде (рис. 7) подтвердили работоспособность макета РВДД-ключа с его расчетными параметрами. На рис. 8 представлены осциллограммы тока генератора запуска и коммутируемого тока (разряд емкостного накопителя на резистивный эквивалент при напряжении 10 кВ) амплитудой около 100 кА, t_p ≈ 30 мкс, di/dt на начальном участке фронта около 20 кА/мкс.

Рис. 8. Осциллограммы силового тока (синий) и импульсов тока от генератора запуска (желтый). М: 0,5 кА/дел. (желтый), 20 кА/дел. (синий), 5 мкс/дел.

Заключение

В статье представлен прототип высоковольтного твердотельного ключа с драйвером управления, способного переключать импульсы тока микросекундной длительности амплитудой до 100 кА с ультравысокими скоростями включения. Разработанное устройство имеет исключительно высокую плотность мощности 22,5 МВт/дм³ (или 31 МВт/кг), которая значительно превосходит современное состояние. Это достигнуто за счет использования в силовом блоке инновационного реверсивно-включаемого динистора с обратной проводимостью, имеющего рекордно низкие потери мощности при коммутации больших и коротких импульсов тока; компактного дизайна силового блока и эффективного отвода тепла от полупроводниковых элементов. Полученные результаты являются платформой для создания 5–30-кВ высокомощных и надежных твердотельных импульсных энергетических систем мегаамперного диапазона.