SOS-генераторы

На основе SOS-диодов разработана серия частотных генераторов наносекундного диапазона [16, 21, 22, 27, 30], предназначенных для проведения экспериментов в различных областях электрофизики. Основой схемного решения генераторов служит рассмотренный выше подход, при котором энергия, необходимая для формирования импульса, предварительно накапливается в тиристорном зарядном устройстве ТЗУ и затем сжимается во времени с помощью магнитного компрессора МК. Прерыватель тока на основе SOS-диодов выполняет функцию оконечного усилителя мощности, формируя на выходе генератора наносекундный импульс. Отсутствие в генераторах газоразрядных коммутаторов снимает принципиальное ограничение по частоте следования импульсов. В продолжительном режиме работы частота ограничена тепловыми нагрузками на элементы генератора, в первую очередь на сердечники магнитных ключей, а при кратковременном включении генератора в режиме пачки импульсов - частотными возможностями ТЗУ, т.е. временем восстановления тиристоров и временем заряда первичного накопителя. Режим пачки импульсов, когда генератор работает в течение времени от десятков секунд до нескольких минут с частотой и выходной мощностью, в несколько раз превышающей номинальную, важен как для некоторых технологических применений, так и для отработки и моделирования новых технологий в лабораторных условиях. Исходя из этого при разработке генераторов с целью более полного использования частотных возможностей подхода ТЗУ проектируется исходя из требования минимального времени накопления энергии, а выбор элементов генератора основывается также и на результатах расчета их адиабатического разогрева в режиме пачки импульсов. Разработанные генераторы позволяют от 5 до 10 раз увеличивать номинальную частоту следования импульсов и выходную мощность в режиме пачки длительностью от 30 до 60 секунд.

Генератор SM-1N

Рис.8

На рис. 8 показан внешний вид а в Таблице II приведены параметры генератора SM-1N, позволяющего на активной нагрузке 200 - 300 Ом получать импульсы амплитудой до 250 кВ длительностью около 24 нс. Генератор работает постоянно с частотой следования импульсов 100 Гц и с частотой 1000 Гц в 30-секундной пачке. Выходная мощность в пачке достигает 8 кВт. Прерыватель тока содержит 2 параллельных ветви по 3 последовательно соединенных SOS-диода. Время обрыва тока около 3 нс. Фронт импульса выходного напряжения определяется временем заряда емкости выходного узла током индуктивного накопителя и составляет 10 - 12 нс.

Рис. 9

На рис. 9 показаны элементы высоковольтного модуля, размещаемые в баке с трансформаторным маслом. Генератор работал также в составе сверхширокополосного излучателя в качестве источника для быстрой зарядки емкостного накопителя с частотой следования импульсов 1000 Гц. При этом время заряда конденсатора нагрузки емкостью 360 пФ до напряжения 200 кВ составляло 30 нс.

Таблица II. Параметры генератора SM-1N.

Генератор SM-2N

Рис. 10.

Генератор SM-2N (см. рис. 10 и Таблицу III) первоначально был разработан с целью исследования характеристик SOS-диодов при частоте следования импульсов до 5 кГц. В последствии генераторы этого типа использовались в экспериментах по изучению стримерного коронного разряда и пробоя жидких диэлектриков. Генератор содержит 2 последовательно соединенных SOS-диода с рабочим напряжением 100 кВ каждый. Благодаря использованию индуктивного накопителя и прерывателя тока генераторы позволяют в широком пределе регулировать амплитуду выходного импульса путем изменения величины сопротивления, шунтирующего выход генератора. Диапазон регулировки выходного напряжения для генератора SM-2N составляет 20 - 200 кВ. При этом максимальная и минимальная величина энергии, вводимой в нагрузку в этом диапазоне регулировки, отличаются друг от друга в 6 раз. При использовании емкостного накопителя с таким диапазоном регулировки напряжения разница в энергии импульса составляла бы 2 порядка.

Таблица III. Параметры генератора SM-2N.

Генератор SM-3N

Рис. 11.

Генератор SM-3N имеет полностью водяную систему охлаждения и работает с частотой 300 Гц постоянно при мощности до 3 кВт и 2 кГц в 30-секундной пачке с выходной мощностью до 16 кВт. Внешний вид устройства показан на рис. 11, а в Таблице IV приведены его основные характеристики.

Рис. 12.

На рис. 12 приведена типичная осциллограмма обратного тока через SOS-диоды прерывателя. Амплитуда обрываемого тока - 2,2 кА; время обрыва - 4 нс.

Таблица IV. Параметры генератора SM-3N./p>

Генератор S-5N

Мы также разработали наносекундный генератор S-5N, который является самым мощным генератором, разработанным на основе SOS-подхода (см. Таблицу V) [30]. При внешнем нагрузочном импедансе от 100 Ом до 1 кОм он развивает напряжение в диапазоне от 400 кВ до 1 МВ при токе от 1 до 3 кА. При импульсной мощности в диапазоне 1 - 1.6 ГВт и длительности импульса от 40 до 60 нс энергия выходного импульса составляет 40 - 65 Дж. Генератор работает постоянно с частотой следования импульсов 300 Гц. В пачке длительностью 3 минуты генератор работает с частотой 500 Гц. Средняя выходная мощность при частоте 500 Гц составляет 30-35 кВт. Система охлаждения элементов проточной водой имеет расход 15 литров в минуту. Длина генератора - 3.5 метра, масса вместе с трансформаторным маслом - около 2.5 тонн.

Внешний вид генератора приведен на рис. 13.

Рис. 13.

Рис. 14 демонстрирует один блок полупроводникового прерывателя тока. Блок имеет рабочее напряжение 1.2 МВ и обрывает ток величиной до 4 кА. Длина блока - 400 мм, масса - 5 кГ. Блок содержит 20 SOS-диодов: 10 последовательно и 2 параллельно. В зависимости от величины индуктивности накопителя в генераторе устанавливается 1 или 2 таких блока параллельно. SOS-диод, входящий в состав блока, содержит 128 последовательно соединенных полупроводниковых структур, площадью 0.25 см². Структуры имеют охладители для отвода тепла в масло.

Рис. 14.

Генератор был использован в экспериментах по зажиганию стримерных коронных разрядов большого объема, которые могут найти применение в новых технологиях по очистке воздуха от вредных и токсичных примесей. В качестве примера на рис. 15 приведена фотография стримерной короны в промежутке между плоскостью и полусферой. Диаметр полусферы - 30 см. Расстояние между острой кромкой полусферы (область наиболее интенсивного свечения) и противоположной металлической плоскостью - 70 см. Параметры разряда: амплитуда напряжения - 760 кВ, полный ток разряда - 1.4 кА, импульсная мощность - 1 ГВт, длительность импульса на полувысоте - 56 нс, энергия, вводимая в разряд за 1 импульс - 45 Дж, частота следования импульсов - 500 Гц.

Рис. 15.

Таблица V. Параметры генератора S-5N.