Малогабаритные генераторы высоковольтных наносекундных импульсов на основе SOS-диодов
Диссертация
Автор: Словиковский, Борис Германович
Название: Малогабаритные генераторы высоковольтных наносекундных импульсов на основе SOS-диодов
Справка: Словиковский, Борис Германович. Малогабаритные генераторы высоковольтных наносекундных импульсов на основе SOS-диодов : диссертация кандидата технических наук : 01.04.13 Екатеринбург, 2004 126 c. : 61 04-5/4163
Объем: 126 стр.
Информация: Екатеринбург, 2004
Содержание:
ВВЕДЕНИЕ
1 SOS-ДИОДЫ: МОЩНЫЕ НАНОСЕКУНДНЫЕ ПРЕРЫВАТЕЛИ
11 SOS-эффект и его характеристики
12 Принцип работы SOS-диода
13 Характеристики SOS-диодов
Выводы
2 ГЕНЕРАТОРЫ НА SOS-ДИОДАХ
21 Схемный подход
22 Конструкция генераторов
23 Характеристики разработанных генераторов
Выводы
3 ГЕНЕРАТОР КВАЗИПРЯМОУГОЛЬНЫХ ИМПУЛЬСОВ ДЛЯ НИЗКООМНОЙ НАГРУЗКИ
31 Экспериментальная схема
32 Формирование квазипрямоугольного импульса
33 Результаты исследований
Выводы
Введение:
Мощная наносекундная импульсная техника на сегодняшний день имеет две основные тенденции своего развития. Одна из них заключается в проведении различных исследовательских программ в таких областях, как ускорительная техника, лазерная техника, мощная СВЧ-электроника, управляемый термоядерный синтез и т.д. Здесь основные усилия сосредоточены на получении рекордно высоких параметров по выходной мощности, и это приводит к разработке и созданию импульсных источников энергии с максимально высокими величинами напряжения и тока. Это установки, представляющие собой уникальные сооружения, как правило, не особо критичны к таким требованиям, как высокая средняя мощность, частота следования импульсов, компактность и срок службы.
Другая тенденция, получившая наиболее интенсивное развитие в последние 10-15 лет, связана с технологическим применением мощных наносекундных импульсов. Разрабатываются новые перспективные технологии для решения экологических задач по очистке выбросов электрических и тепловых станций, удалению токсичных примесей из воздуха, обработке отходов медицины и вредных производств, очистке питьевой воды, стерилизации различной продукции, в том числе и продуктов питания. Также активно идет создание новых радиационных и радиолокационных технологий. Для разработки такого рода технологических устройств также требуются импульсные источники энергии, наиболее важными характеристиками которых являются высокая частота повторения импульсов и средняя мощность, компактность и надежность в сочетании с ресурсом непрерывной работы в несколько лет.
Основой наносекундной импульсной техники в обоих направлениях являются генераторы мощных импульсов тока и напряжения, энергия которых используется либо непосредственно, либо переводится в энергию соответствующих видов излучения. Наиболее распространенные принципы генерирования мощных наносекундных импульсов электрической энергии подразделяются на два основных направления, отличающиеся друг от друга видом запасаемой энергии и способом передачи энергии в нагрузку. В первом случае происходит накопление энергии электрического поля в высоковольтных емкостных накопителях, таких как низкоиндуктивные конденсаторы и формирующие линии, а затем передача энергии в нагрузку через замыкающие устройства - сильноточные наносекундные коммутаторы [1,2]. Во втором случае происходит накопление энергии в магнитном поле индуктивного контура с током. Последующая передача энергии в нагрузку происходит посредством размыкающих устройств - прерывателей тока [3,4].
В емкостных накопителях предельная плотность запасаемой энергии определяется электрической прочностью диэлектрика и его диэлектрической проницаемостью. В современных импульсных конденсаторах электрическое поле, длительно выдерживаемое диэлектриком, достигает значений порядка 106 В/см. При этом плотность энергии составляет около 102 Дж/дм3. Повышение электрической прочности диэлектриков при импульсной зарядке конденсаторов позволяет примерно на порядок увеличить это значение. Плотность запасаемой энергии в индуктивных накопителях определяется предельно допустимыми магнитными полями, которые ограничены механической прочностью материалов индуктивных накопителей. При этом плотность магнитной энергии может достигать величины 105 Дж/дм3. В отношении запасаемой энергии очевидно преимущество индуктивных накопителей энергии по сравнению с емкостными. Но на пути практического использования индуктивных накопителей в мощных импульсных устройствах возникают два серьезных препятствия. Одно из них заключается в том, что постоянная времени саморазряда в системах индуктивного накопления энергии намного меньше этого параметра для емкостного накопителей. Это означает, что индуктивные накопители должны заряжаться гораздо быстрее, откуда вытекает необходимость в более мощных зарядных источниках энергии. Другое препятствие заключается в решении еще более трудной технической проблемы - создании быстродействующего сильноточного размыкателя.
В емкостных накопителях конденсатор разряжается на нагрузку через замыкающий коммутатор, который часто выполняется в виде искрового промежутка. Ток разряда намного превышает зарядный ток, и поэтому емкостную разрядную цепь можно рассматривать как усилитель тока. В индуктивных накопителях передача энергии в нагрузку, запасенной в катушке индуктивности, осуществляется посредством размыкателя, как правило, установленного параллельно цепи нагрузки. Ток в цепи размыкателя падает и переключается в нагрузку. Одновременно из-за уменьшения тока на размыкателе на нагрузке развивается высокое напряжение, пропорциональное величине L(dl/dt). По этой причине индуктивную разрядную цепь можно рассматривать как усилитель напряжения. Развивающееся на катушке и нагрузке напряжение прикладывается и к размыкателю. Таким образом, создание систем индуктивного накопления энергии требует решения двух серьезных технических проблем - построения мощной зарядной цепи и разработки быстро восстанавливающегося размыкателя, способного выдерживать высокое напряжение и пропускать через себя большие токи в проводящем состоянии. Сверхмощные размыкатели тока наносе-кундного диапазона, выдерживающие напряжения мегавольтного уровня и отключающие токи порядка десятков и сотен килоампер за десятки наносекунд, такие как плазменные прерыватели тока [5, 6] и прерыватели тока на основе электрического взрыва проводников [6, 7, 8], обладают рядом существенных недостатков. Основными из них можно назвать малый срок службы из-за эрозии электродов у первых и невозможность работы в частотном режиме из-за изменения проводящей среды размыкателя необратимым образом у вторых.
Разработка и исследование новых типов размыкателей тока, свободных от указанных недостатков и способных выйти на уровень технологических применений, выдвигает еще одно требование - длительный срок службы. В этом направлении наиболее перспективным являются схемы с индуктивными накопителями энергии и твердотельными прерывателями тока, на основе которых возможна разработка мощных импульсных устройств с высокими удельными характеристиками и практически неограниченным (твердотельным) ресурсом. Здесь основная проблема заключается в создании мощного твердотельного частотного размыкателя тока.
Известные физические принципы быстрого отключения тока в твердом теле основаны либо на создании высокой проводимости в собственном полупроводнике под действием лазерного излучения или электронного пучка с последующим быстрым отключением источника ионизации [10, 11], либо на токовой инжекции заряда в базу р - п - п структуры с последующим выводом накопленного заряда обратным током [12-15].
В работе [10] рассмотрен вопрос о возможности создания мощных полупроводниковых коммутаторов на основе облучения кристаллов арсенида галлия пучком электронов. Для этих целей в экспериментах использовался электронный ускоритель с энергией электронов 100 - 150 кэВ. При плотности тока электронного пучка 36 мА/см2 была достигнута плотность коммутируемого тока в кристалле 53 А/см2. Показано, что такие коммутаторы могут обрывать ток с характерным временем рекомбинации носителей порядка нескольких наносекунд.
В работе [И] в качестве твердотельного размыкателя тока исследовался образец из кристалла арсенида галлия, легированного кремнием и компенсированного медью. В качестве источника ионизации использовался лазер. При облучении кристалла первым лазерным импульсом с длиной волны А.=1,06 мкм происходит переход кристалла в проводящее состояние, что дает возможность пропустить через кристалл ток накачки индуктивного накопителя энергии. При облучении кристалла вторым лазерным импульсом с Х=1,7 мкм происходит высвобождение дырок из глубоких центров атомов меди. Рекомбинация избыточных электронов и дырок с характерным для арсенида галлия временем порядка 1 не приводит к переключению тока индуктивного накопителя из кристалла в нагрузку. На 200-омной нагрузке в работе были получены импульсы с напряжением 6,2 кВ длительностью 20 не при обрыве тока величиной 100 А за время 5 не. Очевидные технические сложности первого метода, связанные с необходимостью применения ускорителя заряженных частиц или лазеров для управления работой размыкателя тока, наряду с низкими параметрами отключаемых токов и выдерживаемых напряжений, практически исключают возможность его использования в мощной импульсной технике.
Метод токовой инжекции заряда для резкого обрыва обратного тока в полупроводниковых диодах был основан в 50-е годы, когда интенсивно развивались работы по созданию быстродействующих импульсных диодов. Диоды с эффектом резкого обрыва тока получили название диодов с накоплением заряда (ДНЗ) [12]. Принцип работы ДНЗ основан на существовании встроенного тормозящего поля в базе диффузионного диода, образованного градиентом концентраций донорных атомов. На стадии накопления заряда прямым током встроенное электрическое поле, направленное из «-базы в /^-область, препятствует распространению инжектируемых дырок в глубь базы и удерживает заряд вблизи р-п - перехода. За счет этого при прохождении обратного тока практически весь накопленный заряд успевает выйти из базы диода на стадии высокой обратной проводимости. Малая величина остаточного заряда в базе к моменту образования объемного заряда у р-п — перехода приводит к резкому обрыву обратного тока за время 10"9 - Ю"10 с. Работа диода в режиме ДНЗ возможна только при низком уровне инжекции и при высоком уровне легирования базы донорной примесью. Переход к сильноточному режиму работы (высокий и сверхвысокий уровень инжекции), а также снижение уровня легирования и-базы для увеличения обратного напряжения диода приводит к исчезновению встроенного электрического поля и эффекта резкого обрыва тока. В связи с чем характерные для ДНЗ со встроенным полем величины рабочих токов составляют 10 - 100 мА, обратных напряжений-10-50 В.
В работе [17] сообщается о разработке нового полупроводникового прерывателя тока, принцип работы которого основан на инверсном механизме восстановления диода. Специальная структура диода позволяет увеличить длительность прямой накачки, а также поднять плотность обрываемого тока. Однако работа такого диода также основана на принципе удаления избыточной плазмы из базы на стадии высокой обратной проводимости. На основе такого диода разработан генератор с напряжением 30 кВ, током 600 А и частотой следования импульсов 1 кГц. В работе [18] представлен более мощный генератор, формирующий на нагрузке в десятки Ом импульсы напряжения в десятки кВ.
Таким образом, вышеописанные методы обрыва тока в полупроводниках характеризуются относительно скромными достигнутыми параметрами по импульсной мощности (десятки МВт), току (сотни А) и напряжению (десятки кВ), которые недостаточны для многих приложений мощной импульсной техники.
Ситуация в области мощной полупроводниковой электроники изменилась кардинальным образом, когда в 1992 году в Институте электрофизики УрО РАН был обнаружен эффект наносекундного обрыва сверхплотных токов в полупроводниках (SOS-эффект) [19]. Было показано, что эффект наблюдается в р - р - п - п - структурах при времени накачки порядка 10"8 — 10"6 с и плотности обратного тока до 60 кА/см2, а время обрыва тока при этих условиях лежит в диапазоне от десятых долей до единиц наносекунд. Очевидно, что применение данного эффекта для разработки мощных твердотельных прерывателей тока и генераторов на их основе представляет собой актуальную научно-техническую задачу.
Целями диссертационной работы явились:
• Разработка новых полупроводниковых наносекундных прерывателей тока, работающих на основе SOS-эффекта, для мощных импульсных генераторов частотного режима работы;
• Разработка схемного подхода для построения наносекундных генераторов с полностью твердотельной системой коммутации энергии на основе промежуточного индуктивного накопителя и полупроводникового прерывателя тока;
• Создание мощных компактных генераторов наносекундного диапазона с высокой частотой повторения импульсов для научных и практических целей.
Научная новизна
Основные результаты работы относятся к категории полученных впервые. Наиболее важные из них:
1. Исследовано влияние параметров структуры на процесс обрыва тока в режиме SOS-эффекта. Установлено, что увеличение глубины залегания р-п - перехода от 100 до 200 мкм приводит к существенному увеличению жесткости процесса отключения тока: время обрыва сокращается до единиц наносекунд, а перенапряжение возрастает до 6-кратного.
2. Созданы высоковольтные полупроводниковые приборы нового класса - SOS-диоды, представляющие собой твердотельные наносекундные прерыватели тока. Разработанные SOS-диоды имеют увеличенную глубину залегания р-п - перехода и развитую поверхность охладителей. При рабочем напряжении более 100 кВ и плотности обрываемого тока до 10 кА/см2 достигнуто время отключения тока в единицы не. При частоте следования импульсов 1-2 кГц получена удельная средняя мощность, переключаемая SOS-диодом в нагрузку, величиной 10 кВт/кг.
3. Показано, что SOS-диод, содержащий до нескольких сотен последовательно соединенных полупроводниковых структур, на стадии обрыва тока и генерирования импульса характеризуется равномерным распределением напряжения по последовательным структурам, что позволяет его эксплуатацию без применения дополнительных внешних делителей.
4. На основе SOS-диодов разработана серия малогабаритных наносекундных генераторов с твердотельной системой коммутации. Получены следующие выходные параметры: напряжение - 100 450 кВ, ток - 0.2 ^ 1.5 кА, длительность импульса -20 60 не, энергия импульса -1 10 Дж, частота следования импульсов до 1 кГц постоянно и до 5 кГц в пачке импульсов.
5. Проведены эксперименты по формированию с помощью SOS-диода квазипрямоугольного импульса напряжения на низкоомной нагрузке, величиной 4.5 Ом. Получены импульсы длительностью 100 не, амплитудой 50 кВ и током 11 кА.
Практическая ценность работы определена созданием мощных наносекундных генераторов нового класса с промежуточным индуктивным накопителем и полупроводниковым прерывателем тока на основе SOS-диодов. Разработанные устройства имеют полностью твердотельную систему коммутации энергии, в связи с чем сочетают высокую частоту следования импульсов и среднюю мощность, компактность, надежность и имеют практически неограниченный срок службы. Именно эти качества позволяют устройствам данного класса получить широкое практическое применение в различных электрофизических промышленных технологиях.
Реализация результатов работы
Разработанные SOS-диоды и мощные наносекундные генераторы на их основе применялись при проведении прикладных исследований в различных областях электрофизики: для генерирования сильноточных электронных пучков и импульсов рентгеновского излучения, исследования электрических свойств полупроводников и диэлектриков, накачки газовых лазеров, ионизации воздуха стримерным коронным разрядом для удаления токсичных примесей, а также в качестве источников питания широкополосных электромагнитных излучателей. Ниже перечислены российские и зарубежные организации, использующие результаты диссертационной работы и эксплуатирующие коммерческие образцы разработанных устройств и приборов:
1. Институт электрофизики УрО РАН, Екатеринбург
2. Институт сильноточной электроники СО РАН, Томск
3. Институт ядерной физики им. Г.И. Будкера СО РАН, Новосибирск
4. Всероссийский НИИ технической физики, Снежинск
5. НИИ Машиностроения Федеральное космическое агентство, Н.Салда
6. Компания Britsh Aerospace Defence, Ltd., Бристоль, Великобритания
7. Ливерморская национальная лаборатория, Ливермор, США
8. Компания Vitronics, Inc., Итентаун, США
9. Исследовательский центр Карлсруэ, Карлсруэ, Германия
10. Техасский технический университет, Лаббок, США
11. Военно-морская исследовательская лаборатория, Вашингтон, США
12. Компания LG Industrial Systems, Ltd., Аниянг, Южная Корея
13. Ядерный исследовательский центр SOREQ NRC, Йавне, Израиль
14. Компания Exion Technologies, Ltd, Реховот, Израиль
15. Университет Кумамото, Кумамото, Япония
16. Технологический университет, Нагаока, Ниигата, Япония
17. Северо-западный Институт ядерной техники, Сиань, Китай
18. Институт прикладной электроники, Миньян, Китай
Вклад автора в представленную работу состоит в проведении расчетов, моделировании, разработке конструкций и проектировании экспериментальной техники, непосредственном проведении экспериментов и анализе полученных результатов. Апробация работы и публикации
Материалы работы докладывались на следующих Международных конференциях, симпозиумах и семинарах: Международная конференция по мощной импульсной технике (США - 1995, 1997, 1999, 2001), Международная конференция по мощным пучкам частиц (США - 1994, Чешская Республика - 1996, Япония - 2000), Международный симпозиум по сильноточной электронике (Томск - 2000), Международная конференция по мощным импульсным модуляторам (США - 2002), Семинар по мощной импульсной технике (Великобритания - 2003).
По теме диссертации опубликовано 35 печатных работ [53-87].
Положения, выносимые на защиту
1. В полупроводниковой структуре р - р - п - п - типа, работающей в режиме SOS-эффекта, увеличение глубины залегания р-п - перехода от 100 до 200 мкм приводит к существенному увеличению жесткости процесса отключения тока: время обрыва сокращается до единиц наносекунд, а перенапряжение возрастает до 6-кратного.
2. Разработанные SOS-диоды с увеличенной глубиной залегания р-п - перехода и развитой поверхностью охладителей при рабочем напряжении более 100 кВ способны отключать обратный ток, плотностью до 10 кА/см2 за время единицы не. При частоте следования импульсов 1-2 кГц удельная средняя мощность, переключаемая SOS-диодом в нагрузку, достигает величины 10 кВт/кг.
3. Для увеличения импульсной мощности генератора SOS-диоды допускают параллельно-последовательное соединение без применения вспомогательных элементов для выравнивания распределения тока и напряжения. При этом общая сборка прерывателя тока выполняется в виде отдельных параллельных ветвей, каждая из которых содержит равное количество SOS-диодов.
4. На основе SOS-диодов возможна разработка малогабаритных наносекундных генераторов с твердотельной системой коммутации со следующим диапазоном выходных параметров: напряжение — 100 450 кВ, ток - 0.2 1.5 кА, длительность импульса -20 -ь 60 не, энергия импульса - 1 -МО Дж, частота следования импульсов до 1 кГц постоянно и до 5 кГц в пачке импульсов.
5. При работе на низкоомную нагрузку, величиной несколько Ом, SOS-диоды с параллельными корректирующими цепями способны формировать квазипрямоугольные импульсы напряжения, длительностью 100 не, амплитудой 50 кВ и током 11 кА.
Основное содержание работы
Диссертация состоит из введения, трех глав и заключения, содержит 126 страниц,
|