Введение к работе
АКТУАЛЬНОСТЬ РАБОТЫ. За последнее десятилетие достигнуты значительные успехи в области коммутации больших мощностей полупроводниковыми приборами. Прогресс в этом направлении связан с появлением нового типа переключателей микросекундного диапазона времен - кремниевых реверсивно-включаемых динисторов (РВД), обладающих рядом бесспорных преимуществ по сравнению с использовавшимися ранее для этих целей тиристорами.
В основу работы РВД заложен новый принцип коммутации электрической мощности с помощью управляющего плазменного слоя [1]. Его использование позволяет осуществлять включение прибора одновременно по всей рабочей площади. Длительность процесса включения оказывается в десятки раз короче, чем у обычного тиристо-тора, что значительно снижает коммутационные потери и резко улучшает рабочие характеристики. В настоящее время РВД являются наиболее мощными среди других полупроводниковых переключателей микросекундного диапазона. Так, моноимпульсные приборы с рабочей площадью ~40 см2 могут коммутировать токи амплитудой до ~270 кА при длительности импульса ~25-юо икс и блокировать напряжение в единицы кВ [1]. Рабочий ток в РВД, в отличие от тиристоров, почти не уменьшается с ростом частоты, поэтому частотный предел у них намного выше и определояется в основном временем выключения. Для созданных недавно быстродействующих приборов рабочая частота достигает ~10-15 кГц при амплитуде тока в импульсах до 2 кА [2].
Переключение тока в РВД происходит за счет специальной последовательности переходных процессов двойной ин:кекции электронно-дырочной плазмы в их толстых базах. Анализу этих процессов посвящено большое количество исследований. Однако, в данном случав инжекция плазмы протекает в новых, ранее слабо изученных физических условиях. Их специфика связана с там, что в РВД за короткие вромвна (единицы-десятки икс) достигаются очень большие плотности токов (болис 10 кА/см2). Подобные режимы имеют ряд особенностей. Во-первых, они характеризуются принципиальной нестационарностью всех физических процессов. Во-вторых, из-за перехода в микросекундный диапазон времен резко снижается роль диффузии плазмы, и основным механизмом переноса заряда становит-
ся ее амбшолярный дрейф. В-третьих, вследствие неэффективности охлаждающих систем для микросекундкых импульсов, коммутация энергии происходит в условиях накопления тепла, и температура к концу импульса может подниматься на сотни градусов. В этом случае двойная инжекция сопровождается такими високотемпературними эффектами, как изменение значений кинетических коэффициентов-, межзонная термогенерация плазмы, различные термомеханические явления и т.д. До настоящего времени в научной литературе отсутствовали данные об аналитическом описании подобных быстрых', сильноточных и существенно неизотермических процессов.
Использование РВД в схемах мощных высокочастотных генераторов ставит новые исследовательские задачи, обусловленные отличием условий эксплуатации и характерных параметров быстродействующих высокочастотных приборов от сверхмощных моноимпульсных коммутаторов. При этом особую актуальность приобретает вопрос о максимально возможном снижений мощности управляющих устройств и определении условий, обеспечивающих минимальные коммутационные потери при включении быстродействующих РВД.
Актуальность и новизна исследования инжекционных явлений в новом, ранее мало изученном техническом диапазоне Бремен, токов и температур связаїш с тем,что они представляют собой пример физических процессов на пороге устойчивости и в то же время оказываются типичными для рабочих и аварийных режимов, реализуй емых в новых сверхмощных переключателях. . " '
ЦЕЛЬЮ данной работы является теоретическое исследование ИНЖ6КЦИ0ШШХ, тепловых и термогенерационных явлений в мощных импульсных переключателях нового 'типа - кремниевых реверсивно-включаемых динисторах, построение аналитической модели амбипо-лярного дрейфа плазмы в характерном для этих приборов диапазоне времен, токов и температур, разработка на ее основе методов' расчета как изотермических, так и неиаотермичёских переходных характеристик, изучение физических факторов, ограничивающих коммутационные возмсаності: РВД, я таеже нахождение условий их максимально эффективной работы и определешіе предельных параметров импульсов.
В соответствии с этил задачами работы являлись: і. Построение аналитическое модели неизотермичееккх процессов в
РВД и мощных імпульсних диодах микросекундного диапазона.
-
Исследование и аналитическое описание взаимо-согласОванных дрейфового и термогенерационного механизмов накопления плазмы в условиях нестационарного джоулева разогрева канала двойной ин-жекции.
-
Исследование особенностей процессов включения быстродействующих РВД, выявление факторов, огршшчизакщих эффективность их работы, и определение условий, обеспечивающих минимальные коммутационные потери при включении.
А. Нахождение критериев максимальной тепловой перегрузки сверхмощных РВД и определение предельно-допустимых параметров коммутируемых импульсов.
НАУЧНАЯ НОВИЗНА проведенных исследований представлена в нижеследующих пунктах:
-
Проведено теоретическое исследование особенностей инкекцион-ннх, тепловых и термогенерационных явлений в ранее слабоизу-ченном диапазоне времен, токов и температур, характерном для работы новых мощных полупроводниковых переключателей.
-
Построена аналитическая модель пространственного саморазо--грева канала двойной инжвкции.под действием импульса тока микро-
секундной длительности.
3- впервые сделано теоретическое исследование развития термогенерационных процессов в канале двойной инжекции при его разогреве мощным моноимїі.у чьсом тока микросекундной длительности. 4.Иссладопано влияние различных физических факторов на эффективность управления РВД. Найдены условия , обеспечивающие минимальные коммутационные потери при включении этих приборов.
-
Дан теоретический анализ физических особенностей работы сверхмодных РВД. Предложена методика расчета их неизотермичес-ких переходных характеристик.
-
Установлены предельныо коммутационные возможности РВД- ограничиваемые тешюшми потерями.
ПРАКТИЧЕСКАЯ ЦЕННОСТЬ PABOTIJ. Полученные результаты используются для расчета рабочих режимов и переходных характеристик сверхмощных и быстродействующих РВД, а также позволяют вырабатывать практические рекомендации по их эксплуатации.