Эксπир
Регистрация / Вход

Разработка высокоэффективных полупроводниковых ключей для генераторов мощных нано и субнаносекундных импульсов, используемых в импульсных промышленных технологиях

Информация отсутствует

Соисполнители

Организация
ООО "ЦНТР"

Этапы проекта

1
26.11.2007 - 07.12.2007
Был выполнен анализ научно-технической литературы по теме контракта, проведены патентные исследования, выбраны основные схемотехнические и базовые конструкторские решения трех типов мощных ДГУ-ключей:
- субнаносекундный ДГУ-ключ для излучателей мощных электромагнитных импульсов (сверхширокополосная радиолокация, в том числе подземная, электромагнитное противодействие и т.п.)
- наносекундный ДГУ-ключ для систем накачки газовых лазеров (азотные, эксимерные и т.п.)
- мощный ДГУ-ключ для плазменных технологий (очистки жидкостей электрическим разрядом, дробления горных пород ударной волной в жидких средах и т.п.).
Проведены патентные исследования и оценка ожидаемых технических параметров.
Развернуть
2
01.01.2008 - 30.04.2008
«Разработка высокоэффективных полупроводниковых ключей для генераторов мощных нано и субнаносекундных импульсов, используемых в импульсных промышленных технологиях»

Объектами исследований являлись новые отечественные полупроводниковые приборы - динисторы с глубокими уровнями (ДГУ) и импульсные устройства на их основе.
ДГУ представляют собой двухэлектродные кремниевые полупроводниковые приборы тиристорного типа. Их переключение инициируется путем приложения к силовым электродам короткого (1,5-2нс) импульса прямого напряжения, нарастающего со скоростью не менее киловольта в наносекунду. В результате происходит туннельная ионизация примесных центров, созданных в запрещенной зоне кремния, и формирование фронта ударно-ионизационной волны, обеспечивающей очень быстрое (за сотни пикосекунд) включение и малые коммутационные потери энергии.
За отчетный период проведен комплекс научно-исследовательских работ, направленных на увеличение коммутационных возможностей и надежности ДГУ, повышение эффективности систем их запуска и определение основных конструкторских и схемотехнических способов построения высоковольтной базовой сборки ДГУ и испытательных стендов.
В процессе исследований получены следующие результаты:
• разработаны ДГУ с более высоким рабочим напряжением и площадью полупроводниковых структур, способные коммутировать почти в 3 раза большие импульсные мощности
• разработана конструкция краевого контура ДГУ и технология нанесения защитного компаунда, обеспечивающие значительное (в сотни раз) уменьшение поверхностного тока утечки, снижающего срок службы ДГУ при работе на частоте
• разработаны цепи управления ДГУ с диодными прерывателями тока на основе дрейфовых диодов с резким восстановлением (ДДРВ), позволяющие в несколько раз увеличить ток управления и почти в 2 раза повысить скорость нарастания запускающих импульсов напряжения. При этом уменьшились коммутационные потери энергии в ДГУ и создалась возможность запуска большого количества последовательно соединенных приборов
• разработан простой и надежный способ формирования импульсов тока управления ДДРВ, основанный на использовании низковольтного источника питания, полупроводникового ключа и повышающего трансформатора с насыщающимся сердечником
• разработан малогабаритный резистивно-варисторный делитель, выравнивающий напряжение на последовательно соединенных ДГУ. Использование варисторов уменьшило мощность, потребляемую делителем при низком уровне напряжения
• разработаны защитные корпуса ДГУ в виде керамических колец и тонких металлических крышек, приклеиваемых к кольцам эластичной акриловой лентой. Технология склеивания значительно упрощает процесс корпусирования и позволяет уменьшить высоту корпусов. При этом обеспечивается малая индуктивность ДГУ, необходимая для получения высокой скорости нарастания коммутируемых импульсов тока
• разработан высокоэффективный способ запуска сборок последовательно соединенных ДГУ волной перенапряжения, инициируемой с помощью диодного прерывателя тока и общего для всех динисторов запускающего конденсатора
• разработана и исследована система запуска базовой сборки ДГУ, содержащая цепь высоковольтных запускающих конденсаторов, диодный прерыватель тока на основе ДДРВ, трансформатор насыщения с высоковольтной межобмоточной изоляцией, блок импульсов управления на основе одиночного ДГУ и цепь защиты блока управления
• разработана и исследована базовая ДГУ-сборка с радикально улучшенной системой охлаждения динисторов и значительно (почти в 5 раз) большей коммутируемой мощностью, по сравнению с пилотным образцом. Её основные характеристики: блокируемое напряжение – до 30 кВ; допустимая скорость нарастания коммутируемого тока - до 200 А/нс; коммутируемый ток – 2 кА на частоте 500 Гц и 7 кА в моноимпульсном режиме; количество последовательно соединенных ДГУ– 12; диаметр структур ДГУ-12мм; объем - 650 см3.
• разработаны стенды для испытаний высоковольтных ДГУ-ключей с высоконадежными цепями зарядки силовых конденсаторов на основе повышающих импульсных трансформаторов и новых отечественных полупроводниковых переключателей – реверсивно включаемых динисторов.
Полученные результаты позволили выполнить поставленные на этом этапе задачи: разработать, изготовить и исследовать базовой силовой сборки ДГУ на напряжение до 30 кВ; исследовать предельные возможности базовой ДГУ-сборки по импульсной мощности и частоте; разработать и изготовить стенды для испытаний ДГУ-ключей.
Найденные конструкторские и схемотехнические решения позволяют разработать на заключительном этапе Контракта заявленные ДГУ-ключи, предназначенные для плазменных технологий и систем питания импульсных лазеров и мощных излучателей.
Широкие возможности коммерческого использования полученных результатов определяются малыми габаритами и уникальными коммутационными характеристиками разработанной ДГУ-сборки, способной в наносекундном диапазоне коммутировать рекордные для полупроводниковых переключателей импульсные мощности - более 200 МВт.
Перспективы развития ДГУ-устройств определяются возможностью повышения уровней рабочих токов и напряжений путем увеличения площади динисторов и количества последовательно соединенных приборов.
Развернуть
3
01.05.2008 - 30.10.2008
• проведена оптимизация системы запуска ДГУ-ключей, позволившая повысить ее эффективность и в 1,5 раза уменьшить амплитуду запускающего импульса напряжения
• разработан и исследован мощный ДГУ-ключ со следующими характеристиками: рабочее напряжение 25 кВ, амплитуда импульсов коммутируемого тока 10 кА, время нарастания тока 30 нс, длительность импульсов 100 нс, габариты (11,5х5,2х3,4) см3 , КПД 92 %
• разработан и исследован субнаносекундный ДГУ-ключ, способный коммутировать импульсы тока с амплитудой 3 кА и обеспечивающий формирование импульсов напряжения с амплитудой 30 кВ и фронтом нарастания 0,3 нс; габариты ключа (6х2,2х2,2 см)3, КПД - 90 %
• разработан и исследован наносекундный ДГУ-ключ с рабочим напряжением 15 кВ, способный в моноимпульсном режиме коммутировать импульсы тока с амплитудой 2,2 кА и временем нарастания 4,5 нс, а на частоте 100 Гц – с амплитудой 1 кА и временем нарастания 2 нс; габариты ключа (8х6,6х2,1) см3, КПД – 92 %
• проведены успешные испытания мощного ДГУ-ключа в блоке питания озонатора, предназначенного для плазмокаталитической очистки воздуха барьерным разрядом
• проведены испытания наносекундного ДГУ-ключа в блоке питания азотного лазера.
В основе работ, проведенных за отчетный период, лежат принципиально новые схемотехнические, технологические и конструкторские решения, найденные на предыдущих этапах Контракта, в ходе которых:
• разработана конструкция и технология изготовления ДГУ, позволяющие в 1,5 раза увеличить их рабочее напряжение и стабилизировать ток утечки по краевой поверхности, снижающий срок службы ДГУ при работе на частоте
• разработаны эффективные системы запуска ДГУ с диодными прерывателями тока на основе новых отечественных полупроводниковых приборов - дрейфовых диодов с резким восстановлением (ДДРВ); их основным достоинством являются меньшие габариты и более высокая надежность, по сравнению с альтернативными системами на основе высоковольтных сборок импульсных тиристоров или транзисторов
• созданы уникальные стенды для исследования ДГУ и ДДРВ, позволившие определить оптимальные параметры запускающих импульсов, обеспечивающие минимальные потери энергии в режимах коммутации сверхмощных электрических импульсов
• разработаны простые и надежные формирователи импульсов тока управления ДДРВ на основе магнитных коммутаторов в виде дросселей и трансформаторов насыщения
• разработаны высокоэффективные цепи защиты последовательно соединенных ДГУ от статического пробоя на основе варисторов и резисторов
• разработаны технологичные и малогабаритные герметизирующие корпуса ДГУ, обеспечивающие очень малую индуктивность ДГУ-ключей, необходимую для формирования быстронарастающих импульсов тока
• разработан способ запуска сборок последовательно соединенных ДГУ волной перенапряжения, инициируемой системой высоковольтных запускающих конденсаторов
• разработана базовая ДГУ-сборка с цепью запуска на основе одиночного ДГУ, трансформатора насыщения и высоковольтной сборки ДДРВ; полученные при ее испытаниях сочетание амплитуды коммутируемых импульсов тока (7 кА) и скорости их нарастания (200 А/нс) и величины блокируемого напряжения (30 кВ) является рекордным для полупроводниковых ключей
• разработаны простые и надежные стенды для испытаний высоковольтных ДГУ-ключей.
По результатам исследований проведен патентный поиск, подано две заявки на изобретение. По материалам работ опубликовано 6 статей в ведущих научных журналах, подготовлена диссертация на соискание степени доктора физ-мат. наук.
Развернуть

Программа

Программа "Исследования и разработки по приоритетным направлениям развития научно-технологического комплекса России на 2007-2013 годы"

Программное мероприятие

1.6 Проведение проблемно-ориентированных поисковых исследований и создание научно-технического задела в области энергоэффективности, энергоснабжения и ядерной энергетики
Продолжительность работ
2010 - 2012, 27 мес.
Бюджетные средства
1,2 млн
профинансировано
Тема
Наноструктуры для полупроводниковых лазеров и генерации ультракоротких импульсов света.
Продолжительность работ
2008, 3 мес.
Бюджетные средства
1,2 млн
Количество заявок
1
Тема
Разработка опытно-промышленной технологии мощных светодиодных сборок «чип на плате», излучающих в УФ диапазоне, на основе высокоэффективных наногетероструктур нитридных полупроводниковых материалов.
Продолжительность работ
2012 - 2013, 18 мес.
Бюджетные средства
95 млн
Количество заявок
1
Тема
Исследование полупроводниковых наноструктур для генераторов микроволнового излучения и поляритонных лазеров.
Продолжительность работ
2008, 3 мес.
Бюджетные средства
1,2 млн
Количество заявок
1
Тема
Источники импульсов мощного СВЧ-излучения с многократной электронной перестройкой частоты излучения на основе взаимодействия релятивистских сильноточных электронных пучков с плазмой на установке: "Плазменный релятивистский СВЧ-генератор (ПРГ) (рег. № 01-04)"
Продолжительность работ
2005 - 2006, 23 мес.
Бюджетные средства
1,5 млн
Количество заявок
1
Тема
Исследование физических процессов в плазме Z-пинчей на установке Ангара -5-1 с целью создания мощных сверхтераваттных импульсов рентгеновского излучения на установке: "Импульсная термоядерная установка "Ангара-5-1" (АНГАРА-5-1) (рег. № 01-42)"
Продолжительность работ
2005 - 2006, 23 мес.
Бюджетные средства
2 млн
Количество заявок
1