Месяц Г.А. Импульсная энергетика и электроника

Подождите немного. Документ загружается.

380

Глава 19. Газоразрядные коммутаторы

электронным управлением

0 50 100 150 200 250 300

у [мА/см

]

Рис. 19.7. Вольт-амперные характеристики квазистационарного разряда, поддерживаемого

электронным пучком.

- чистый азот; 2 - азот + 3% 0

;

- воздух

Ковальчук и Месяц [15] предложили использовать ИТ в качестве размыкателя в

генераторах с индуктивным накоплением энергии. При работе размыкателя в ре-

комбинационном режиме его сопротивление возрастает по закону:

Л(т) = ^[1 + (\|/р)

1/2

/], (19.20)

где Ко = ^р

1/2

/е*о5у

1/2

Если в цепь с таким размыкателем включить источник напряжения Щ и индук-

тивность Ь (рис. 9), то на индуктивности в процессе обрыва тока появится импульс

напряжения

=С/

(1 + 40 ехр[-(т + 0,5Лт

)], (19.21)

где т = Г/6, 0 = Ь8ек

(р^)"

(у/р)

172

; А =

/15*о (рс^У

1,2

1,0

0,8

|| 0,6

0,4

0,2

-Ю

-8

-7

-6

-5

Г [С]

Рис.

19.8.

Форма напряжения на нагрузке при заполнении инжекционного тиратрона азотом

с примесями кислорода. Содержание

О2,

0,0;

2 -

0,1; 3

- 1

§19.3

Инжекционный тиратрон. Режим обрыва тока

381

Рис.

19.9.

Схема включения инжекционного тиратрона в импульсный генератор с индуктив-

ным накоплением энергии. 1 - источник тока, Ь - индуктивный накопитель энергии, 2 -

нагрузка, 3 - электронный пучок, 4 - анод из фольги, 5 - накаленный катод, 6 - сетка для

управления пучком электронов, А* - коммутатор для подключения накопителя Ь к нагрузке

В момент времени

_ Ь(А

-1)

АКо

напряжение на индуктивности принимает максимальное значение

Первоначальный эксперимент по измерению времени обрыва тока проводился

авторами [15] в газоразрядной камере мощного СС^-лазера с активным объемом

300 л. Использовалась смесь С0

:К

:Не = 1:1:3 при атмосферном давлении. При

инжектируемом токе электронов 15 кА (плотность тока пучка у

= 1,5 А/см

) через

2-Ю

-6

с прекращалась инжекция электронов за счет снятия напряжения с диода

ускорителя. При этом время обрыва тока 150 кА в газе /« 2

• 10~

с.

Следует отметить, что наиболее перспективна работа таких прерывателей в ус-

ловиях сжатых газов (р = 10 атм и более). В этом случае, во-первых, уменьшается

время размывания, так как

~ /г

, а во-вторых, возрастает электрическая проч-

ность размыкателя в процессе отключения тока.

Рассмотрим несколько примеров использования ИТ в импульсной технике.

В [16] ИТ используется для быстрого обрыва тока 5 кА, протекающего в течение

100 мкс. Обрыв тока в ИТ производился в течение -10 мкс при помощи цилиндри-

ческого ИТ с площадью электронного пучка 1,2 м

(рис. 10). Использовался уско-

ритель с плазменным катодом из сетчатого цилиндра (рис. 11). Плазма в него ин-

жектировалась при разряде искусственной линии на коаксиальную плазменную

пушку. Как только инжекция плазмы прекращалась (в течение 1 мкс), прекраща-

лась и эмиссия электронов через сетку в ускоряющий объем. Для ускорения элек-

тронов использовался генератор Маркса с напряжением 300 кВ. Ток ускоренных

электронов составлял 10 А, а после выхода из цилиндрического окна, покрытого

фольгой, - 6 А. Этот ускоритель вставлялся в металлический цилиндр, заполненный

(19.22)

(19.23)

382

Глава 19. Газоразрядные коммутаторы

электронным управлением

1 2

960 мм

Откачка

Рис. 19.10. Схематическое изображение ин-

жекционного тиратрона.

- опорное кольцо,

2 - фланец, 3, 4 - дисковые изоляторы и их

опора, 5 - крышка, 6 - кожух,

- генератор

Маркса, 8 - схема питания, 9 - высоковольт-

ный электрод, 10- анод, И - сетка плазмен-

ного эмиттера электронов

Т Т

Л.ТТ

—

генератора

з ФЛ з Маркса Маркса

Рис. 19.11. Схематическое изображение ускорителя электронов для инжекционного тира-

трона. 1 - окно для вытягивания электронов, 2 - корпус источника питания, 3 - сеточный

эмиттер электронов, 4 - формирующая линия, 5 - генератор Маркса, б - секционированный

цилиндр,

- полый анод плазменного эмиттера, 8 - изоляторы, 9 - плазменные пушки,

вспомогательные электроды,

- проходные изоляторы из тефлона

метаном (СН4) при атмосферном давлении. Зазор между фольговым электродом и

основным цилиндром был 10 см, а электрическое поле составляло 5 кВ/см. Ток раз-

ряда усиливался почти в 10

раз. Конденсаторная батарея имела емкость 10

мкФ и

могла накапливать энергию до 1 МДж при напряжении 50 кВ. Таким образом, в [16]

была доказана возможность быстрого обрыва при помощи ИТ длительно протекаю-

щего тока > 4 кА. Осциллограммы, демонстрирующие работу инжекционного тира-

трона, приведены на рис. 12.

Второй пример показывает достаточно хорошую эффективность ИТ для систем с

индуктивным накоплением энергии. В работе [17] емкость, заряженная до напряже-

ния 26 кВ, передавала энергию в индуктивность 1,5 мкГн через ИТ, заполненный

смесью СН4 и С

Рб при давлении 5 атм. Накачка индуктивности происходила за

0,7 мкс. После обрыва тока в ИТ за счет прекращения электронного пучка появлялся

импульс напряжения с амплитудой 280 кВ, током 10 кА и длительностью 60 не.

§19.3

Инжекционный тиратрон. Режим обрыва тока

383

О 40 80 120

г [мкс]

Рис. 19.12. Осциллограммы тока электронного пучка (а); тока разряда с напряжением на

промежутке в метане 38 кВ и сопротивлением разрядной цепи 8,3 Ом (б) и тока разряда с

теми же параметрами, когда электронный пучок был отключен через

мкс (в)

Витковицкий [10] предложил использовать гибридную схему генерирования

импульсов, в которой оконечная часть (накопительная линия, замыкающий ИТ и

нагрузка), такая же, как на рис. 6. Однако вместо первоначального накопления

энергии в конденсаторе сначала заряжается индуктор

Ьо

током /

через ключ, воз-

буждаемый взрывом (обозначенный символом К на схеме). Заметим, что для неко-

торых генераторов тока, например для униполярного генератора, могут потребо-

ваться дополнительные ступени первичного сжатия импульса.

Энергия в единичном импульсе для единичного модуля с параметрами 20 кА,

200 кВ и 40 не мала: 160 Дж. Для генерирования пакета из десяти импульсов

требуется, чтобы индуктор запасал как минимум -2 кДж. Если учесть, что эф-

фективность преобразования запасенной энергии в энергию импульса составляет

30%, то система накопления должна иметь запас энергии -6 кДж для зарядки

одного модуля формирующей линии. Для ускорителя, состоящего из многих мо-

дулей («АТА») [10] это выливается в сотни килоджоулей. При конструировании

системы выключателя нужно знать число модулей, которые питаются с помощью

одного ключа. Большинство проблем, возникающих при конструировании, мож-

но решить на примере ключа для десятимодульного генератора пакетов импуль-

сов с числом импульсов в пакете не более пяти. Ниже приведены параметры це-

пи, тока и напряжения для ИТ1 в схеме, показанной на рис. 13.

Если конечные параметры импульса на нагрузке такие, как в таблице 1, то ем-

кость линии, формирующей одиночные импульсы, С = 8 нФ, т.е. при работе десяти

модулей емкость в 80 нФ должна быть заряжена до 200 кВ. Если генерируется па-

кет из пяти импульсов, то полная энергия, запасаемая в десяти импульсных лини-

ях, должна быть 8 кДж. Если интервал между импульсами равен 15 мкс (-70 кГц),

а время зарядки 2 мкс, то энергия, запасаемая в индукторе, составляет 24 кДж с

учетом неэффективности (-70%) цепи. Такое количество энергии предполагает,

384

Глава 19. Газоразрядные коммутаторы

электронным управлением

Рис. 19.13. Схема, иллюстрирующая использование инжекционных тиратронов в качестве

как размыкающего (ИТ1), так и замыкающего (ИТ2) ключей

что в качестве источника тока (показанного на рис. 13) для зарядки индуктора в

лабораторных экспериментах могут быть использованы удобные низковольтные

конденсаторы. Время, необходимое для импульсной зарядки конденсатора С, при-

нято равным 2 мкс. Это соответствует требованиям, предъявляемым к компактным

водяным формирующим линиям. Ток, необходимый для зарядки емкости до задан-

ного напряжения II, равен 8 кА. Накопительная индуктивность = 750 мкГн.

Теперь остановимся коротко на трех типах электронных ускорителей для рабо-

ты ИТ. Первый тип - это ускоритель со взрывной эмиссией электронов, который

может работать в режиме 0,15-И МэВ, 10~

-г 10~

с, частотой следования импульсов

от одиночных до 10

Гц и более. Сейчас уже разработаны ускорители (типа «Си-

нус») со средней энергией до 100 кВт. Первые эксперименты по ИТ проводились с

ускорителями на базе ВЭЭ [2, 3, 15].

Второй тип ускорителей - это ускорители с плазменными катодами, которые

имеют важное преимущество - возможность работать при больших длительностях

тока электронов: от Ю

-6

до непрерывного. Так же, как и в первом типе, в них мож-

но получать пучки электронов в несколько квадратных метров.

Третий тип - это ускорители с накаленным катодом. Описание некоторых из

них дано в монографии [10], среди них описание конструкции ИТ с таким ускори-

телем, встроенного в коаксиальную линию. Предполагают, что для реализации пе-

риодической коммутации с теоретически возможной частотой, которая может дос-

тигать 2 МГц, необходимо использовать в качестве источника электронного пучка

термоэмиссионные катоды.

Термоэлектрические трубки, способные создавать плотности тока порядка

1 А/см

, производятся промышленностью. Источник пучка может быть приведен в

действие с помощью сетки, расположенной близко к катоду, на которую подается

импульсное напряжение амплитудой около 100 В. Это дает возможность управлять

ключом на несколько сотен киловатт, работающим со стандартным твердотельным

пусковым генератором. Корпус длиной 15 см, делающий ключ относительно ком-

пактной трубкой, достаточен для напряжения ключа порядка 200 кВ. ИТ такой

компактной конструкции легко встроить в коаксиальную геометрию обычных ли-

ний, формирующих мощные импульсы.

Описание других типов отрывающих ИТ, генераторов, созданных на их основе,

а также подробное исследование физических процессов в них дано в обзорах [10,

11,13,17].

Литература

главе

19 3 85

Литература к главе 19

Месяц Г.А., Ковальчук Б.М., Поталицын Ю.Ф.

А. с. 356824 СССР. 1970.

2. Коуа1сИик

В.М., Кгетпеу

К К,

МезуаХз

О. А.,

РошШзуп Уи.Е

013сЬаг§е т Шф Ргеззиге Саз

1пШа1её Ьу Раз! Е1ес1гоп Веаш // Ргос. X Ыегп. Соп! оп РЬепошепа т 1ошгеё Оазез.

ОхГогё, 1971.

Р.

175.

Ковальчук

Б.М., Королев Ю.Д., Кремнев В.В., Месяц

Г.А.

Инжекционный тиратрон -

ионный прибор с полным управлением //

РЭ.

1976.

Т.

21, № 7. С. 1513-1516.

Ковальчук

Б.М., Кремнев В.В., Месяц Г.А.,

Поталицын

Ю.Ф. Разряд в газе высокого

давления, инициируемый пучком быстрых электронов // Журнал прикл. механики и

техн. физики. 1971. № 6. С. 21-29.

Ковальчук

Б.М., Кремнев В.В., Месяц Г.А.,

Поталицын

Ю.Ф. Разряд в газе высокого

давления, инициируемый пучком быстрых электронов // Тр. II Всесоюз. конф. по уско-

рителям заряженных частиц. М., 1972.

Т.

6. Нитег К. О. Е1ес*гоп Веаш СоШгоИеё 8АУЙСЫП§ // Ргос. I ШЕЕ Ри1зеё Ро^ег СопГ.

ЬиЬЬоск, 1976.

Р.

(1С-8) 1-6.

Ефремов

А.М.,

Ковальчук Б.М.

Исследование несамостоятельного разряда, контролиру-

емого электронным пучком в метане //

Изв.

вузов. Физика.

1982. № 4.

С. 65-68.

Левингитейн М.Е., Пожела

Ю.К,

ШурМ.С.

Эффект

Ганна.

М.: Сов. радио, 1975.

Лопанцева Г.Б.,

Паль А.Ф.,

Персианцев И.Г.

и др. Неустойчивость несамостоятельного

разряда в смесях аргона с молекулярными газами // Физика плазмы. 1979. Т. 5, вып. 6.

С.1370-1379.

10.

УикоуИзку I.

НщЬ Ро^ег 8^ксЫп§.

Ы.У.: Уап

Ыозйапё КеМоШ, 1987.

11.

Месяц Г.А.

Инжекционные коммутаторы большой мощности // Инжекционная газовая

электроника /

Отв.

ред. О.Б. Евдокимов. Новосибирск: Наука, 1982.

12. Орешп§ 8\уйсЬез / Её. Ьу А. СиеШЬег, М. Кпзйапзеп, апё Т. МаПт. Ы.У.: Р1епит ргезз,

1987.

13.

Ковальчук Б.М., Кремнев В.В., Поталицын Ю.Ф.

Сильноточные наносекундные комму-

таторы / Отв. ред.

Г.

А. Месяц. Новосибирск: Наука, 1979.

14.

Регпз1ег

К.Е,

СоШе

П.,

\ЪкоуИзку 1.М.

КерегШуе Е1ес*гоп Веаш СотгоПеё 8\уксЫп§ //

Ргос. II ШЕЕ Ри1зеё Ро^ег

СопГ.

ЬиЬЬоск, 1979.

Р.

368-371.

15.

Ковальчук Б.М.

Месяц Г.А.

О возможности быстрого обрыва большого тока в объемном

разряде, возбуждаемом электронным пучком // Письма в ЖТФ. 1976. Т. 2, вып. 14.

С. 644-648.

16.

Е/гетоу А.М., КоуаНсНик В.М., МезуаХз С.А.

А Соах1а11п)ес1юп ТЬугайоп // Ргос. XVIII

ШЕЕ

1п*егп. Ри1зес1

Ро\уег

СопГ.

8ап 01е§о, 1991.

Р.

356-358.

17.

8сНоепЪасН К.Н., 8скае/ег О.

01йизе 01зсЬаг§е Орешп§ 8\уксЬез // Орепт§

8\У11сЬез

/ Её.

Ьу А.

СиепЛег, М. Кпзйапзеп, апё

Т.

МаПт.

Ы.У.:

Р1епит ргезз, 1987.

Р.

49-91.

25. Месяц Г.А.

Часть VII ГЕНЕРАТОРЫ МОЩНЫХ ИМПУЛЬСОВ

С ТВЕРДОТЕЛЬНОЙ КОММУТАЦИЕЙ

Глава 20

ПОЛУПРОВОДНИКОВЫЕ ИМПУЛЬСНЫЕ

ВКЛЮЧАЮЩИЕ КОММУТАТОРЫ

§ 20.1 Тиристоры микросекундного диапазона

Процесс переключения любого мощного полупроводникового прибора за-

ключается в заполнении хорошо проводящей электронно-дырочной плазмой об-

ласти, которая до этого не содержала в значительном количестве свободных но-

сителей заряда и вследствие этого блокировала приложенное к прибору внешнее

напряжение. Такой областью служит, как правило, область объемного заряда (003)

обратносмещенного р-и-перехода, а процесс заполнения ее плазмой осуществля-

ется различными методами в зависимости от требований к параметрам коммута-

ции. Вообще говоря, существует всего две практически используемых возможно-

сти создания электронно-дырочной плазмы в полупроводнике - это инжекция

носителей через барьеры /?-и-переходов и ионизация, которая, в свою очередь,

осуществляется либо носителями, разгоняемыми электрическим полем, либо

ионизирующим излучением. Энергетически более выгодна инжекция, поскольку

для введения носителей в базовую область прибора через р-л-переход достаточ-

но уменьшить его барьер на доли электрон-вольта, в то время как для ионизации

необходима энергия, превышающая ширину запрещенной зоны полупроводнико-

вого материала (1,12 эВ для кремния). Однако при инжекции носители вводятся с

краев заполняемой области, в то время как ионизация позволяет создать плазму

непосредственно в объеме, т.е. является принципиально более быстрым процес-

сом. Поэтому мощные полупроводниковые переключатели микросекундного и

наносекундного диапазонов являются приборами инжекционного типа, а в более

быстродействующих приборах для создания плазмы необходимо применять раз-

личные виды ионизации [1].

Тиристор - это полупроводниковый управляемый коммутатор, созданный на

основе четырехслойной структуры типа /?-л-р-л-перехода (рис. 1). Тиристоры с

рабочим напряжением в несколько киловольт с микросекундным временем ком-

мутации стали разрабатывать еще в 60-е годы XX в. [1]. Кроме напряжения и

времени нарастания тока тиристора, важным параметром является его рабочий ток.

20.1 Тиристоры микросекундного диапазона

387

(а)

Управляющий

электрод

Анод о

Катод о

(б)

Анод

Управляющий

электрод

Г)

Катод

Рис.

20.1.

Условное обозначение

(а)

и структура (б) тиристора

В [2] сообщалось о получении фирмой «Вестингаус» тока до 2 кА при напряжении

2 кВ и скорости роста тока

сШЖ

=10

А/с. Дрисколл [3] сообщил об усовершен-

ствовании тиристора с целью повышения сШЖ до 10

А/с при плотности тока

А/см

Схематически сильноточный тиристор показан на рис. 2 [1]. Он представляет

собой полупроводниковую структуру, состоящую из четырех слоев чередующе-

гося типа проводимости л-структура), образующих три расположенных

друг над другом р-л-перехода. При приложении к клеммам АВ напряжения ука-

занной на рис. 2 полярности переходы 1 и 3 смещены в прямом направлении

(эмиттеры), а переход 2- в запорном (коллектор). Практически все внешнее на-

пряжение приложено к 003 коллектора; большая часть этой области лежит в

широком слаболегированном Ы-слое. Для включения прибора в цепи АС пропус-

кается импульс тока управления. Протекание тока сопровождается инжекцией

электронов из сильнолегированного и

-слоя через барьер и

-р-перехода 1 в р-

слой (р-базу); вследствие довольно большого сопротивления этого слоя в про-

дольном направлении заметная инжекция происходит лишь в области 8

шири-

ной 0,1-0,2 мм, прилегающей к границе л

-слоя с управляющим электродом.

Инжектируемые электроны, диффундируя через /?-базу, доходят до 003 и выбра-

сываются полем в АГ-базу уже в качестве основных носителей, что вызывает со-

ответствующее понижение барьера р

-перехода 3 и инжекцию дырок в И-базу.

Рис.

20.2.

Конструкция полупроводниковой структуры тиристора. 1,3- эмиттерные перехо-

ды; 2 - коллекторный переход; 4 - область объемного заряда (003); 5 - область первона-

чального включения (ОПВ)

25*

388

Глава 20. Полупроводниковые импульсные включающие коммутаторы

Эти дырки, попадая в /?-базу, вызывают инжекцию электронов и т.д. Когда

потери носителей вследствие рекомбинации и ухода через барьеры р-п-пере-

ходов становятся меньше поступления, тиристор переходит во включенное со-

стояние и включенная область заполняется электронно-дырочной плазмой (8о,

рис. 2). Из этой области (называемой областью первоначального включения -

ОПВ) включенное состояние сравнительно медленно (V 0,1-5-0,01 мм/мкс) рас-

пространяется по всей площади прибора. Если внешняя цепь не ограничивает

достаточно сильно скорость нарастания тока, то в области 8

происходит разру-

шение прибора вследствие большой плотности тепловыделения. Естественным

путем увеличения коммутируемой тиристором мощности и допустимой скорости

ее коммутации является увеличение площади ОПВ. Исследования показали

[4, 1], что ее ширина 8

не может быть существенно увеличена и единственным

путем для увеличения площади является увеличение длины Ь границы эмиттер-

ного л

-слоя с управляющим электродом. При этом оказалось, что для однород-

ного включения вдоль этой границы линейная плотность тока управления долж-

на быть довольно высокой - более 3 А/см [5].

Поэтому в современных импульсных тиристорах микросекундного диапазона

с Ь = 5-5-50 см для того, чтобы обеспечить требуемую линейную плотность этого

тока и в то же время не слишком большую амплитуду запускающего импульса,

применяется так называемое регенеративное управление [1]. Конструкция тири-

стора с регенеративным управлением показана на рис. 3. Запускающий импульс

тока, протекающий по цепи

АС,

вызывает включение вспомогательного тиристо-

ра 1 в области 2. Анодный ток этого тиристора, ограниченный тангенциальным

сопротивлением ^-базы, является током управления для основного тиристора 5.

Таким образом удается обеспечить нужную линейную плотность тока управле-

ния для основного тиристора даже при очень больших Ь и сравнительно малом

запускающем токе. Импульсный тиристор с двойным регенеративным управле-

нием, описанный в [6], имеет Ь = 40 см и линейную плотность тока управления

около 8 А/см, несмотря на то что амплитуда запускающего импульса - всего

1,5 А. Тиристор обеспечивает коммутацию тока 5 кА с

сШЖ

= 1 кА/мкс при рабочем

Рис. 20.3. Тиристор с регенеративным управлением:

- вспомогательный тиристор; 2 - об-

ласть первоначального включения;

- основной тиристор

20.1 Тиристоры микросекундного диапазона

3 89

напряжении С/

= 2 кВ и частоте 250 Гц. Приборы такого типа являются очень

хорошими коммутаторами для работы на импульсах, длительность которых

существенно больше, чем время распространения включенного состояния по

всей площади прибора. Для микросекундного тиристора это время составляет

80-100 мкс.

При работе на более коротких импульсах значительная часть площади

р-п-р-п-структуры просто не успевает включаться, и эффективность прибора

снижается. Естественным кажется дальнейшее увеличение длины границы Ь и

уменьшение линейного размера эмитгерных участков, но при этом возрастают по-

тери рабочей площади, занятой под электрод управления; проблематичной стано-

вится возможность однородного включения вдоль всей границы, и существенно

усложняется технология изготовления.

Радикальным решением вопроса является одновременное и однородное

включение всей рабочей площади прибора, что требует однородного и одновре-

менного введения в базовые слои избыточных носителей, инициирующих про-

цесс включения. Концентрация вводимых носителей должна значительно пре-

вышать минимально необходимую для инициации процесса, поскольку при этом

резко уменьшается возможность шнурования тока из-за неоднородности свойств

прибора по площади. Этот принцип инициации включения достаточно просто

реализуется в новом полупроводниковом приборе - реверсивно включаемом ди-

нисторе (РВД) [1]. Прибор (рис. 4) представляет собой силовую интегральную

схему, состоящую из нескольких десятков тысяч чередующихся тиристорных и

транзисторных секций с характерным размером около 100 мкм. Секции имеют

общий высоковольтный р

-л-переход, являющийся коллектором тиристорных

секций и блокирующий внешнее напряжение. Для включения РВД, находящегося

под напряжением прямого смещения (относительно тиристорных секций), к нему

на короткое время прикладывается импульс напряжения с полярностью, проти-

воположной блокируемому. При этом низковольтный и

-р-переход пробивается,

и через транзисторные секции протекает импульс тока накопления 1

аС9

т.е. идет

инжекция электронно-дырочной плазмы в базовые области транзисторных и

транзисторные секции