Полупроводниковый генератор наносекундных импульсов

 

Изобретение относится к сильноточной полупроводниковой электронике и может быть использовано в лазерной и ускорительной технике. Цель изобретения является уменьшение потерь энергии в генераторе наносекундных импульсов на базе дрейфового диода с резким восстановлением. Полупроводниковый генератор наносекундных импульсов содержит дрейфовый диод с резким восстановлением, цепь обратного тока, состоящую из конденсатора, катушки индуктивности и коммутатора: цепь прямого тока, состоящую из конденсатора, катушки индуктивности и коммутатора; цепь нагрузки, зарядное устройство, шунтирующий диод. Коммутатор цепи обратного тока может быть выполнен в виде дросселя с насыщающимся сердечником. 1 з. п. ф-лы, 1 ил.

Изобретение относится к сильноточной полупроводниковой электронике и может быть использовано в лазерной и ускорительной технике.

Известен полупроводниковый генератор наносекундных импульсов на базе дрейфового диода с резким восстановлением (ДДРВ). Он содержит ДДРВ, формирователь обратного тока, подключенный параллельно ДДРВ и соединенный отрицательным выводом с его анодом, цепь нагрузки, подключенную параллельно ДДРВ, а так же формирователь прямого тока, соединенный отрицательным выводом с катодом ДДРВ и LC-фильтр. Индуктивность фильтра L включена между положительным выводом формирователя прямого тока и анодом ДДРВ, емкость фильтра с включена между положительным выводом формирователя прямого тока и катодом ДДРВ.

При включении формирователя прямого тока через ДДРВ проходит короткий импульс прямого тока, обуславливающий накопление в его структуре заряда неосновных носителей в виде тонкого плазменного слоя у p-п-перехода. Затем включается формирователь обратного тока и через ДДРВ проходит быстронарастающий импульс обратного тока. LC-фильтр исключает возможность замыкания обратного тока через формирователь прямого тока. В процессе протекания обратного тока происходит освобождение базовой области ДДРВ от накопленного заряда неосновных носителей. После полного истощения плазменного слоя дальнейшее протекание обратного тока через ДДРВ осуществляется за счет выведения основных носителей и приводит к резкому возрастанию напряжения на ДДРВ и к быстрой коммутации тока в цепь нагрузки.

При обеспечении оптимальной длительности прямого тока (100-300 наносекунд) и оптимальной плотности обратного тока (около 100 А/см²) скорость восстановления обратного напряжения на ДДРВ очень высока и длительность фронта нарастания тока в цепи нагрузки составляет несколько наносекунд. Общая длительность импульса тока в цепи нагрузки определяется формирователем обратного тока и так же находится в наносекундном диапазоне.

Недостатком рассмотренного генератора является неэффективное использование формирователя прямого тока, энергия которого используется только для создания плазменного слоя в структуре ДДРВ и не передается в цепь нагрузки. В результате снижается КПД генератора.

За прототип принят полупроводниковый генератор наносекундных импульсов на базе ДДРВ, имеющий более высокий КПД. Он содержит цепь прямого тока включающую коммутатор, конденсатор, катушку индуктивности и зарядное устройство, а также ДДРВ, цепь нагрузки и цепь обратного тока, включающую катушку индуктивности конденсатор, коммутатор и зарядное устройство.

Целью изобретения является уменьшение потерь энергии.

В предлагаемом полупроводниковом генераторе наносекундных импульсов, содержащем дрейфовый диод с резким восстановлением, цепь обратного тока, подключенную параллельно дрейфовому диоду и состоящую из последовательно соединенных конденсатора, катушки индуктивности и коммутатора, цепь прямого тока подключенную отрицательным выводом к катоду дрейфового диода и состоящую из последовательно соединенных конденсатора, катушки индуктивности и коммутатора, а так же цепь нагрузки, подключенную параллельно дрейфовому диоду и зарядное устройство, подключенное параллельно конденсатору цепи прямого тока, указанная цель достигается тем, что в генератор введен шунтирующий диод, подключенный параллельно конденсатору цепи обратного тока и соединенный анодом с анодом дрейфового диода, а цепь прямого тока подключена параллельно коммутатору цепи обратного тока.

Коммутатор цепи обратного тока может быть выполнен в виде дросселя с насыщающимся сердечником.

На чертеже представлена схема предлагаемого полупроводникового генератора наносекундных импульсов.

Генератор содержит: 1 - цепь прямого тока, 2 - коммутатор цепи прямого тока, 3 - конденсатор цепи прямого тока, 4 - катушка индуктивности цепи прямого тока, 5 - зарядное устройство, 6 - ДДРВ, 7 - цепь нагрузки, 8 - цепь обратного тока, 9 - катушка индуктивности цепи обратного тока, 10 - конденсатор цепи обратного тока, 11 - коммутатор цепи обратного тока, 12 - шунтирующий диод.

Цепь нагрузки 7 и цепь обратного тока 8, состоящая из последовательно соединенных коммутатора 11, конденсатора 10 и катушки индуктивности 9 подключены параллельно ДДРВ 6. Цепь прямого тока 1, состоящая из последовательно соединенных конденсатора 3, коммутатора 2 и катушки индуктивности 4, подключена параллельно коммутатору 11. Зарядное устройство 5 подключено параллельно конденсатору 3 и соединено отрицательным выводом с катодом ДДРВ 6. Шунтирующий диод 12 подключен параллельно конденсатору 10 и соединен анодом с анодом ДДРВ 6; Схема работает следующим образом.

В исходном состоянии коммутаторы 2, 11 разомкнуты, конденсатор 10 разряжен, конденсатор 3 заряжен от блока заряда 5 в указанной на фиг. 1 полярности. При включении коммутатора 2 через катушки 4, 9, конденсатор 10 и ДДРВ 6 проходит короткий импульс тока разряда конденсатора 3, являющийся прямым для ДДРВ 6. При этом осуществляется заряд конденсатора 10 и накопление неосновных носителей в структуре ДДРВ 6. В момент окончания процесса заряда конденсатора 10 включается коммутатор 11 и через катушку 9 и ДДРВ 6 проходит импульс тока разряда конденсатора 10, являющийся обратным для ДДРВ 6. В процессе прохождения обратного тока из структуры ДДРВ 6 выводится накопленный заряд неосновных носителей, величина которого, вследствие малой длительности процесса накопления фактически равна величине заряда, введенного на этапе пропускания импульса прямого тока. После освобождения базовой области ДДРВ 6 от заряда неосновных носителей обратный ток через ДДРВ 6 поддерживается за счет вывода основных носителей. При этом электрическая проводимость ДДРВ 6 резко уменьшается и становится существенно меньше электрической проводимости цепи нагрузки 7. В результате происходит быстрая коммутация тока из ДДРВ 6 в цепь нагрузки 7. В процессе коммутации диод 12 исключает возможность перезаряда конденсатора 10. При этом практически вся энергия, запасаемая в цепи 8 рассеивается на сопротивлении нагрузки 7. Длительность фронта нарастания коммутируемого тока определяется скоростью уменьшения обратной проводимости ДДРВ 6, которая в свою очередь определяется скоростью вывода основных носителей из базовой области ДДРВ 6. Длительность импульса коммутируемого тока пропорциональна индуктивности катушки 9, которая выполняет роль индуктивного накопителя энергии, поддерживающего ток в цепи нагрузки 7 и обратно пропорциональна электрическому сопротивлению цепи 7. Величина коммутируемого тока фактически равна величине тока, проходящего через катушку 9 в момент коммутации. Вследствие малого сопротивления ДДРВ 6 на этапе вывода неосновных носителей и малого сопротивления цепи 8 мощный импульс тока через катушку 9 формируется при небольшом напряжении на конденсаторе 10, которое существенно меньше напряжения, возникающего в процессе коммутации на высокоомной цепи нагрузки 7. Так как в процессе заряда конденсатора 10 от нулевого до максимального напряжения через него проходит такой же заряд Ω = CU (C - емкость конденсатора 10, U - максимальное напряжение на конденсаторе 10), что и при его разряде от максимального напряжения до нуля, то момент коммутации, определяемый равенством заряда, вводимого и выводимого из структуры ДДРВ 6 током заряда и разряда конденсатора 10, совпадает с моментом полного разряда конденсатора 10, который, вследствие малых потерь энергии в цепи 8 и ДДРВ 6, наступает практически при достижении максимума обратного тока через ДДРВ 6. Наиболее благоприятный режим работы схемы наблюдается в случае равенства емкостей конденсаторов 3 и 10. При этом в момент окончания тока заряда конденсатора 10 конденсатор 3 полностью разряжается и практически вся энергия, предварительно накопленная в конденсаторе 3 передается в конденсатор 10, а затем в цепь нагрузки 7. При равных емкостях конденсаторов 3, 10 соотношение между амплитудами и длительностями токов, проходящих через коммутаторы 2, 11, определяется соотношением между индуктивностями катушек 4, 9. Так как в процессе работы схемы к коммутатору 11 напряжение прикладывается только в течение короткого времени заряда конденсатора 10, то он может быть выполнен в виде дросселя с насыщающимся сердечником, основным преимуществом которого является малая стоимость и малые потери энергии при коммутации коротких быстронарастающих импульсов тока. В исходном состоянии дроссель должен иметь очень большую индуктивность. При этом в процессе заряда конденсатора 10 ток через него пренебрежимо мал. Параметры дросселя выбираются таким образом, чтобы его сердечник насыщался сразу после окончания процесса заряда конденсатора 10. При насыщении сердечника индуктивность дросселя резко уменьшается и он шунтирует цепь прямого тока 1. В результате осуществляется быстрый разряд конденсатора 10 через дроссель насыщения, и по цепи ДДРВ 6 проходит быстро нарастающий импульс обратного тока. Момент насыщения сердечника дросселя можно регулировать путем пропускания небольшого тока через дополнительную обмотку размагничивания.

Таким образом, благодаря подключению цепи прямого тока 1 параллельно коммутатору 11 и введению в схему шунтирующего диода 12 в предлагаемом генераторе практически исключены потери энергии в процессе коммутации тока из цепи ДДРВ 6 в цепь нагрузки 7. При этом общие потери энергии существенно уменьшаются и определяются только потерями энергии в цепях 1, 8 в процессе формирования прямого и обратного тока через ДДРВ 6.

По предлагаемой схеме был собран наносекундный генератор ультразвукового диапазона с пиковой мощностью ≈ 80 кВт.

Высоковольтный блок ДДРВ 6 состоял из 2 последовательно включенных диодов. Приборы имели рабочую площадь 0,3 см² и рабочее напряжение 1500 В. В качестве шунтирующего диода 12 использовался диод ДЛ112-10. Коммутатор 2 был выполнен на базе высокочастотных тиристоров КУ221. В качестве коммутатора 11 использовался дроссель насыщения, собранный на ферритовых кольцах марки 600НН. Дроссель имел площадь сечения ≈ 0,4 см² и 3 витка. Размагничивание сердечника дросселя осуществлялось током 0,5 А, проходящим через дополнительную обмотку размагничивания. Величина индуктивности катушек 4, 9 - 1 : 0,5 мкГн, величина емкостей конденсаторов 3, 10 - 1 нФ. Катушки 4, 9 имели однослойную обмотку и использовались без сердечников, марка конденсаторов 3, 10 - КСO. Зарядное устройство 5 питалось от сети 220 В, 50 Гц и состояло из трансформатора мостового выпрямителя, емкости фильтра и зарядного дросселя. Выходное напряжение устройства 5 - 1000 В. Цепь нагрузки представляла собой набор малоиндуктивных резисторов с суммарным сопротивлением 50 Ом. Величина потерь энергии в генераторе не превышала 20% от величины энергии, коммутируемой в цепь нагрузки, что примерно в 1,5 раза меньше, чем в генераторе прототипе.

Так как величины напряжения и тока, коммутируемого в цепь нагрузки 7 может быть легко увеличены путем увеличения количества последовательно соединенных диодов в блоке ДДРВ 6 и увеличения рабочей площади этих диодов, то при использовании предлагаемой схемы оказывается возможным создание полупроводниковых генераторов наносекундного диапазона с пиковой мощностью свыше 1 МВт. Необходимость создания таких устройств диктуется современным уровнем развития лазерной и ускорительной техники. (56) 1. Тучкевич В. М. , Грехов И. В. Новые принципы коммутации больших мощностей полупроводниковыми приборами. Л. , Наука, 1988, с. 103.

2. Тучков В. М. и др. Новые принципы коммутации больших мощностей полупроводниковыми приборами. Л. , Наука, 1988, с. 50-66.

3. Тучков В. М. и др. Новые принципы коммутации больших мощностей полупроводниковыми приборами. Л. , Наука, 1988, с. 106.

4. Грехов И. В. , Ефанов В. М. , Кардо-Сысоев А. Ф. , Шендерей С. В. Формирование высоковольтных наносекундных перепадов напряжения на диодах с дрейфовым механизмом восстановления напряжения. Письма в ЖТФ. 1983, т. 9, вып. 7, с. 435-439.

Формула изобретения

1. ПОЛУПРОВОДНИКОВЫЙ ГЕНЕРАТОР НАНОСЕКУНДНЫХ ИМПУЛЬСОВ, содержащий дрейфовый диод с резким восстановлением, цепь обратного тока, подключенную параллельно дрейфовому диоду и состоящую из последовательно соединенных конденсатора, катушки индуктивности и коммутатора, цепь прямого тока, подключенную отрицательным выводом к катоду дрейфового диода и состоящую из последовательно соединенных конденсатора, катушки индуктивности и коммутатора, а также цепь нагрузки, подключенную параллельно дрейфовому диоду, и зарядное устройство, подключенное параллельно конденсатору цепи прямого тока, отличающийся тем, что, с целью уменьшения потерь энергии, в генератор введен шунтирующий диод, подключенный параллельно конденсатору цепи обратного тока и соединенный анодом с анодом дрейфового диода, а цепь прямого тока подключена параллельно коммутатору цепи обратного тока.

2. Генератор по п. 1, отличающийся тем, что коммутатор цепи обратного тока выполнен в виде дросселя с насыщающимся сердечником.

РИСУНКИ

Рисунок 1