Сила в импульсе

Сила в импульсе

Как отмечал академик Игорь Грехов, руководитель отделения твёрдотельной электроники Физико-технического института им. А. Ф. Иоффе РАН, в развитых странах вместо трансформаторов широко используются высокоэффективные полупроводниковые преобразователи, через которые проходит свыше 60% вырабатываемой электроэнергии. В России же – вдвое меньше. Грубые оценки показывают, что, доведя этот показатель до мирового уровня, мы сможем экономить больше энергии, чем даёт, например, вся отечественная атомная энергетика.

Около 60% общего потребления электроэнергии приходится на электропривод, перевод которого с нерегулируемого на регулируемый с помощью полупроводниковых преобразователей частоты позволяет экономить в среднем более 25% электроэнергии. На транспорте регулируемый привод с рекуперацией энергии в сеть при торможении даёт примерно 30-процентную экономию. Значительную экономию также обеспечивают полупроводниковые статические компенсаторы реактивной мощности для линий электропередач.

Современные силовые кремниевые приборы можно условно разделить на две большие группы. Первая группа, применяемая в настоящее время в основном в преобразователях больших мощностей (от единиц мегаватт и выше), – это мощные диоды и тиристоры, а также запираемые тиристоры и их модификации. Приборы второй группы – менее мощные, но более быстрые полевые и биполярно-полевые транзисторы (MOSFET и IGBT). Они представляют собой, по сути, силовые интегральные схемы из сотен тысяч элементарных транзисторных ячеек на одном кремниевом кристалле, изготовляемом с применением современных микроэлектронных технологий.

Сила в импульсе

В СССР силовое полупроводниковое приборостроение как отрасль электротехнической промышленности было создано в 1960-1970-е годы. Основные приборы того времени – силовые диоды и тиристоры – по параметрам соответствовали мировому уровню, а их стоимость (во многом благодаря эффективной технологии) была примерно втрое ниже мировой. Производство на пяти специализированных заводах полностью обеспечивало потребности промышленности. В середине 1970 гг. отрасль начала отставать от мирового уровня. В 1990-х, когда в мировой силовой электронике произошли революционные изменения, связанные с началом массового производства мощных полевых и биполярно-полевых транзисторов, отставание стало катастрофическим. В «смутные» 1990-е России было не до развития передовых технологий, в результате чего мы сейчас не имеем собственного производства самых массовых приборов силовой электроники.

НА ПЕРЕДНЕМ КРАЕ

Иная ситуация сложилась в сфере импульсной силовой электроники. Конечно, по объёмам преобразования вырабатываемой электроэнергии эта сфера ничем особенным не выделяется, но она принципиально важна для многих новых промышленных и оборонных технологий, а также для ряда базовых направлений физических исследований, таких, например, как термоядерный синтез с инерциальным удержанием плазмы. Там требуются импульсы мощностью от десятков мегаватт до десятков гигаватт и более со временем нарастания от десятков пикосекунд до десятков микросекунд.

Возможность генерации субнаносекундных импульсов большой мощности с помощью ударно-ионизационных волн в полупроводниках была впервые обнаружена в ФТИ им. Иоффе. Учёные института выяснили, что процесс ударной ионизации кремния приводит к образованию у -перехода узкой области электронно-дырочной плазмы высокой концентрации. Ионизационный фронт пробегает всю базовую область диода, от чего напряжение на нём падает, а ток в цепи резко возрастает. Скорость движения фронта обычно в 3-5 раз превышает предельно возможную скорость движения электронов в кремнии, что и делает возможным сверхбыстрое (субнаносекундное) переключение диода.

Аналогичные процессы протекают в более сложных тиристорных структурах. Например, прибор, названный динистором с быстрой ионизацией, на сегодня – самый эффективный нано- и субнаносекундный переключатель, на основе которого выпускаются экспортируемые практически во все развитые страны мощные генераторы импульсов для многих отраслей науки и техники. На основе таких генераторов в Институте теплофизики экстремальных состояний ОИВТ РАН построены, например, фазированные решётки из сверхмощных электромагнитных излучателей с пиковой мощностью в сотни мегаватт.

МОМЕНТАЛЬНО РАЗМЫКАТЬ

Приборы, о которых до сих пор шла речь, обычно используются как замыкатели в системах с ёмкостными накопителями. В системах с индуктивным накоплением энергии мощные наносекундные импульсы генерируются с помощью быстрых размыкателей тока. Современные мощные наносекундные полупроводниковые размыкатели базируются на двух явлениях, открытых в академических институтах России: эффекте сверхбыстрого восстановления мощного диода (ФТИ им. Иоффе) и так называемом SOS-эффекте (Институт электрофизики УрО РАН).

Читайте также:  Как звучат черные дыры?

В контурах с индуктивным характером нагрузки при переключении тока через силовые полупроводниковые диоды с прямого направления на обратное на них возникают перенапряжения, связанные с тем, что при восстановлении диода длительность спада обратного тока в определённых условиях может быть меньше длительности фазы высокой обратной проводимости. Для традиционного применения диодов в качестве выпрямителей переменного тока этот эффект нежелателен, поскольку он снижает надёжность работы диода и других элементов электрической схемы. Неудивительно, что разработано множество способов подавления этого эффекта.

Сила в импульсе

Учёные-исследователи из ИЭФ УрО РАН задались противоположным вопросом: нельзя ли, наоборот, усилить этот эффект – например, для того, чтобы использовать высоковольтные полупроводниковые диоды в качестве прерывателей тока в мощных импульсных системах с индуктивным накопителем энергии? Эксперименты показали, что при определённом сочетании плотностей прямого и обратного тока и определённом времени его протекания через полупроводниковую структуру время спада обратного тока уменьшается до десятков и единиц наносекунд. Характерные значения плотности тока, протекающего через полупроводниковую структуру, при этом составляют десятки кА/см2. Обнаруженное таким образом явление наносекундного обрыва сверхплотных токов в полупроводниках получило название SOS-эффекта (Semiconductor Opening Switch).

РАБОТАЕТ ПЛАЗМА

SOS-эффект предоставил конструкторам импульсной техники качественно новый способ коммутации тока в полупроводниковых приборах. Его основное отличие от традиционных состоит в том, что процесс обрыва тока развивается не в низколегированной базе структуры, как в других приборах, а в её узких высоколегированных областях. База и -переход структуры при этом остаются заполненными плотной избыточной электронно-дырочной плазмой, концентрация которой примерно на два порядка превышает ту, которую даёт исходный уровень легирования полупроводника. Эти два обстоятельства и приводят к сочетанию таких важных факторов, как высокая плотность обрываемого тока и наносекундное время его отключения.

Читайте также:  Игра "Верю-не-верю": интересные факты из мира кино

Другая очень важная особенность SOS-эффекта – на стадии обрыва тока напряжение автоматически равномерно распределяется по последовательно соединённым структурам (полупроводниковым приборам). Это даёт возможность создавать прерыватели тока с напряжением мегавольтного уровня путём простого последовательного соединения структур без использования внешних делителей напряжения. Механизм равномерного распределения напряжения связан с процессами интенсивного лавинного размножения носителей в узкой области высокого электрического поля в структуре на стадии отключения тока. В структурах, где по тем или иным причинам электрическое поле превысило среднее значение, происходит очень быстрая (десятые доли наносекунды) наработка добавочной плазмы за счёт ударной ионизации. Увеличение концентрации плазмы приводит к снижению величины электрического поля и выравниванию напряжения по структурам.

Сила в импульсе

Благодаря перечисленным особенностям SOS-эффекта уже через два-три года после его обнаружения учёные смогли разработать мощные наносекундные генераторы с рекордными для полупроводниковых коммутаторов параметрами. На его основе были созданы эффективные, надёжные и недорогие генераторы наносекундных импульсов с мощностью в импульсе более гигаватта при напряжении 1 МВ.

ОТ ПРОСТОГО К СЛОЖНОМУ

Микросекундная коммутация очень больших токов, в сотни тысяч и даже миллионы ампер, полупроводниковыми приборами стала возможной после создания в ФТИ РАН реверсивно включаемого динистора (РВД). Это прибор тиристорного типа, полупроводниковая структура которого состоит из нескольких десятков тысяч чередующихся тиристорных и транзисторных секций с общим коллектором. РВД на основе кремниевой пластины диаметром 140 мм, может коммутировать ток около 1 млн ампер.

__________________________________

Еще больше интересных материалов ищите на нашем портале Энерговектор.com или подписывайтесь на наш канал.

Энерговектор

Источник

Оцените статью
YouTesla.ru
Добавить комментарий

  1. hgejtqyysf

    Muchas gracias. ?Como puedo iniciar sesion?

    Ответить