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

№ 3’2021
PDF версия
В статье представлены результаты разработки 12-кВ ключа на основе реверсивно-включаемых динисторов с обратной проводимостью c блоком управления для коммутации импульсов тока амплитудой до 100 кА длительностью 20 мкс со скоростью нарастания прямого тока свыше 25 кА/мкс. Ключ разработан в концепции мультисборки коаксиальной конструкции для достижения минимальных размеров, низкой индуктивности, без критических осцилляций при коммутации мощных импульсов тока с высокими скоростями переключения. В данной конструкции ключа реализована высокая плотность мощности на единицу объема (22,5 МВт/дм3) и массы (31 МВт/кг).

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.

Схема электрическая функциональная РВДД ключа

Рис. 1. Схема электрическая функциональная РВДД ключа

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

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%.

  1. 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.
  2. 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 (Tjmax = +200 °С), что обеспечит надежную работу при эксплуатации в импульсном режиме.

Расчетные осциллограммы тока (синий цвет) и температуры (красный цвет) РВДД

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.

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

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 Rth(j-a)» динисторной сборки силового блока для естественного и принудительного охлаждения равны 0,43 °С/Вт и 0,20 °C/Вт соответственно.

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

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

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

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.

Схема испытательного стенда

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, tp ≈ 30 мкс, di/dt на начальном участке фронта около 20 кА/мкс.

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

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.

Литература
  1. Месяц Г. А. Импульсная энергетика и электроника. М.: Наука, 2004.
  2. 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.
  3. Тучкевич В. М., Грехов И. В. Новые принципы коммутации больших мощностей полупроводниковыми приборами. Л.: Наука, 1988.

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован.

hentao pornnporn.com telugu chatting west indies open sex youpornhindi.com first night xxnx maja mallika tamil dirty story xxxfiretube.com teen xxnx xxxxu indianpornsearch.com pooja kumar sex 喉奥性感イラマ痴女 浜崎真緒 javsextube.com 君嶋真由 i love porn sexxxymovs.com mallusexvideos tomcat doujinshi bluhentai.com tiny boobs giant tits history sequel black dog hentai mobhentai.com hentai onee chan jammu blue film indiananalfuck.com indian incest xvideos mugen fc2 javwhores.mobi 巨乳 あげ افلام نيك مترجم cyberpornvideos.com طيذ momteachessex indianxxxonline.com house wife x videos 君嶋真由 freejavonline.mobi クローゼット 寝取られ sexx tamil indianfuckass.com bengali milf mia khalifa hard fuck pelisporno.org newsexstory