12.6. Наносекундные генераторы импульсов с полупроводниковыми прерывателями тока

В начале 90-х годов появился новый класс высоковольтных наносекундных генераторов импульсов на основе индуктивного накопителя энергии, в котором для обрыва тока используются полупроводниковые диоды. Эффект наносекундного обрыва тока обнаружен в полупроводниковой структуре Знак «+» означает более высокую степень легирования полупроводниковой структуры. При плотности обрываемого тока до и выше 1 кА/см² время обрыва тока может составлять 5 – 10 нс при напряжении на одном переходе до 1000 В. Такие диоды получили название дрейфовых диодов с резким восстановлением (ДДРВ). Принцип работы состоит в следующем (см. рисунок 12.13А). При замыкании ключем конденсатор разряжается через индуктивность и диод в прямом направлении. В течение положительной полуволны тока (см. рис. 12.13Б) в базе прибора, возле перехода, накапливается электронно-дырочная плазма высокой плотности.

Рис. 12.13. Получение импульса высокого напряжения: А – схема включения диффузного диода; Б - ток в диоде и напряжение на нагрузке.

После смены полярности на конденсаторе в контуре через диод начинает протекать обратный ток . При токе обратной полярности происходит удаление носителей тока (электронов и дырок ) из базы прибора. Подбором параметров полупроводниковой структуры (длины базы и уровня легирования), а также режима накачки (длительности и плотности прямого тока) можно добиться, что к моменту максимума обратного тока весь объемный заряд будет вынесен из базы и произойдет быстрый обрыв тока в диоде. В индуктивности в момент максимума обратного тока накапливается энергия:

.

(12.17)

Так как ток в индуктивности мгновенно оборваться не может, то на нагрузке возникает большой импульс напряжения с весьма крутым фронтом. Индуктивность разряжается на нагрузку в течение малого интервала времени (см рисунок 12.13Б). Такой генератор может быть выполнен на серийном диоде КЦ105, при этом должен быть выполнен ряд условий. Малое время т. е. быстрый обрыв обратного тока , имеет место при плотности тока прямой накачки более 8 кА/см² и времени накачки мкс. Тогда время обрыва может составить 8 – 12 нс, а напряжение на индуктивности может достигать нескольких киловольт.

Лекция 13 индуктивные накопители энергии

13.1. Общие сведения об индуктивных накопителях энергии

В индуктивных накопителях (ИН) энергия аккумулируется в виде энергии магнитного поля. ИН представляет собой катушку индуктивности L , по которой течет ток I, при этом в индуктивности запасается энергия в виде магнитного поля, которая равна:

(13.1)

Общая схема электрической установки с индуктивным накопителем энергии приведена на рисунке 13.1. Энергоустановка с ИН содержит источник питания ИП (зарядное устройство), коммутаторы К1 и К2, нагрузку и собственно ИН – катушку индуктивностью (рисунок 13.1А).

Рис. 13.1. Схемы простого ИН (А) и графики изменения в нем токов и напряжений (Б).

При включении коммутатора К1 происходит заряд ИН в течение времени (рис.13.1Б). За это время ток в индуктивности нарастает до значения . Напряжение на катушке снижается до некоторого значения . Эти величины: , и определяются параметрами ИП и величиной . При замыкании К2 и размыкании К1 ток не может прерваться и из ИН протекает через нагрузку , при этом основная часть накопленной энергии (13.1) передается нагрузке в течение времени разряда t_р. Обычно реализуются режимы с t_р<<t_з , благодаря чему мощность ИН при разряде существенно больше мощности зарядного цикла. Поэтому ИН, подобно другим типам накопителей, может использоваться как трансформатор мощности – он обеспечивает кратковременное питание мощных потребителей электроэнергии при разряде после относительно длительного периода запасания энергии при заряде.

Особенность ИН заключается также в том, что в момент замыкания К2 и размыкания К1 он может рассматриваться как источник тока, поскольку при переключении ИН на активную нагрузку ток в нем должен сохраняться непрерывным независимо от структуры внешней цепи. Если сопротивление цепи нагрузки велико, то благодаря постоянству тока в момент переключения напряжение на зажимах ИН достигает больших значений, многократно превосходящих напряжение источника питания, заряжающего накопитель.

Таким образом, с помощью ИН можно обеспечить преобразование электрической энергии с существенным повышением мощности и напряжения. Характер изменения токов и напряжений ИН во времени при заряде и разряде показан на рис.13.1Б.

Электрическая схема ИН упрощается, если ветвь с коммутатором К2 отсутствует, а нагрузка с параллельным коммутатором К3 включается последовательно с ИН, как показано пунктиром на рис. 13.2.

Рис. 13.2. Схема одноконтурного индуктивного накопителя энергии.

В такой схеме К1 служит лишь для начального подключения ИП и остается включенным на весь рабочий период с заданным числом циклов, а питание нагрузки осуществляется периодическим замыканием и размыканием К3. При замкнутом К3 ток в индуктивности L нарастает до Imax, при размыкании К3 ток течет через нагрузку и падает до Imin. Разность 0,5L( ) за вычетом потерь определяет энергию, передаваемую нагрузке за один цикл. Такая схема рациональна при циклическом питании нагрузки с частотами f  1 Гц и более. Характер изменения тока и напряжения на индуктивном накопителе и тока в нагрузке показан на рис. 13.3.

Достоинством такого генератора является использование при заряде и разряде только одного коммутатора.

Рис. 13.3. Характер изменения тока и напряжения на индуктивном накопителе и тока в нагрузке.

Достоинствами ИН являются: простота и статичность конструкции, хорошие удельные энергетические показатели (при уровне запасаемой энергии более 10⁵ –10⁶ Дж характерные значения удельной энергии ИН могут достигать 5-10 Дж/г), возможность питания ИН от низковольтных источников, высокая надежность. К недостаткам ИН можно отнести необходимость использования быстродействующих силовых коммутаторов (размыкателей), большие электродинамические усилия в активной зоне и соответственно наличие прочностных элементов, усложненные системы охлаждения.

Области применения ИН следующие.

1. Кратковременное питание мощных потребителей энергии в электрофизических установках, технологическом оборудовании, автономных электроэнергетических системах.

2. Создание электродинамических ускорителей масс, позволяющих разгонять объекты до скоростей порядка десятков километров в секунду. Накопитель подключается к рельсотрону ускорителя и обеспечивает его питание большими токами при высоких напряжениях. Установки такого типа могут служить для вывода объектов в космос.

3. Новые виды применения ИН связаны с работами по управляемому термоядерному синтезу.

Существует много конструктивных исполнений ИН, каждое из которых характеризуется своими массогабаритными, энергетическими и экономическими показателями. При расчете и конструировании ИН необходимо учитывать условия работы, распространение магнитного поля, электродинамические и механические напряжения в активной зоне и конструктивных элементах, тепловые режимы, переходные процессы, зависящие от электрической схемы ИН и типа коммутаторов.