SOS-диоды: новые мощные приборы для наносекундного обрыва тока

SOS-эффект был обнаружен в обычных высоковольтных полупроводниковых диодах, предназначенных для выпрямления переменного тока, подбором определенного сочетания плотности тока и времени накачки. В дальнейшем для работы в условиях SOS-эффекта была разработана специальная полупроводниковая структура, имеющая сверхжесткий режим восстановления, на основе которой созданы высоковольтные полупроводниковые приборы нового класса - SOS-диоды, представляющие собой твердотельные наносекундные прерыватели тока высокой плотности и имеющие рабочее напряжение в сотни кВ, обрываемый ток - единицы и десятки кА, время обрыва тока - единицы наносекунд и частоту следования импульсов килогерцового диапазона [9, 13, 16, 20, 21, 22, 28].

Рис. 1

Типичная конструкция SOS-диода приведена на рис. 1. Прерыватель представляет собой последовательную сборку элементарных диодов, стянутых между собой диэлектрическими шпильками между двумя выходными пластинами-электродами. Каждый элементарный диод состоит из охладителя, на который напаяно несколько последовательных полупроводниковых структур.

Рис. 2

На рис. 2 приведена типичная осциллограмма обратного тока через SOS-диод с площадью структуры 1 см2. Величина обрываемого тока - 5,5 кА, время обрыва тока по уровню 0,1-0,9 от амплитуды - 4,5 нс. Скорость коммутации - 1200 кА/мкс, что примерно на 3 порядка превышает скорость нарастания тока в обычных быстродействующих тиристорах.

Рис. 3

Рис. 3 демонстрирует внешний вид, а в Таблице I приведены характеристики разработанных SOS-диодов. Самый мощный прибор (поз. 1 на рис. 3) при площади структуры 4 см2 имеет рабочее напряжение 200 кВ и обрывает ток величиной 32 кА, что соответствует разрывной мощности 6 ГВт. На поз. 3 показан прибор, разработанный для высокой частоты следования импульсов в постоянном режиме. Прибор имеет более развитую систему охладителей и при обрываемом токе 1-2 кА и напряжении 100-120 кВ работает с частотой следования импульсов 2 кГц.Прибор на поз. 5 разработан для формирования импульсов длительностью несколько нс. При коротком времени накачки он обрывает ток величиной 1 кА за 500 пс [17, 19, 23, 31, 32].

Таблица I. Параметры SOS-диодов