ВЫСОКОВОЛЬТНЫЙ ПОЛУПРОВОДНИКОВЫЙ КОММУТАТОР ТОКА Российский патент 2011 года по МПК H01H9/00 H01L25/00 

Изобретение относится к элементам конструкции высоковольтных полупроводниковых коммутаторов (ВПК) тока на основе мощных диодов, динисторов, тиристоров и других приборов силовой электроники. Изобретение может использоваться в мощных системах импульсного питания (СИП) различного назначения (электротехнологические установки, экспериментальные физические комплексы и т.п.), где требуется переключение мега- и гигаваттных мощностей в субмиллисекундном диапазоне в моноимпульсном режиме работы.

На сегодняшний день ВПК тока во многом определяют технико-экономические характеристики СИП. Это обусловлено, с одной стороны, ростом числа ВПК тока в составе СИП (их количество может достигать десятков и сотен в одной системе импульсного питания), а с другой стороны, тем, что основные характеристики ВПК: величина удельной коммутируемой мощности, габариты, надежность и стоимость, в значительной степени определяют реализуемость СИП с требуемыми параметрами. В связи с этим разработка компактных, надежных, сравнительно дешевых в производстве и удобных в эксплуатации высоковольтных полупроводниковых коммутаторов тока является чрезвычайно актуальной и важной задачей.

Характерные значения рабочего напряжения современных СИП составляют десятки кВ, а тока - сотни кА. При этом ВПК представляет собой сборку из последовательно соединенных полупроводниковых приборов (ПП) таблеточной конструкции. Электрические и тепловые контакты между ПП внутри сборки, а также между ПП и внешними токоподводящими электродами обеспечиваются с помощью сжимающих усилий, которые создаются стягивающей сборку системой прижима. Рабочее напряжение и коммутируемый ток ВПК определяются соответственно количеством последовательно соединенных полупроводниковых приборов с заданным блокирующим напряжением и их активной площадью. Технико-экономические показатели ВПК зависят как от выбранной конструкции коммутатора, так и от параметров и характеристик используемых ПП.

Традиционно в качестве полупроводниковых приборов в высоковольтных коммутаторах тока СИП используются тиристоры. Известно техническое решение ВПК на основе тиристоров, рассчитанное на рабочее напряжение 24 кВ, импульсный ток 140 кА при длительности импульса (t_p) 50 мкс [High Power Semiconductors, SHORT FORM CATALOGUE 2008, ABB, №5SYA2018-01]. Высота данного коммутатора 60 см, полезный объем, включая систему прижима, составляет 1,2×10⁴ см³. Конструктивно коммутатор состоит из последовательно соединенных таблеточных тиристоров, сжатых друг с другом с помощью системы прижима, которая включает в себя: стальные и пластмассовые опоры, тарельчатые пружины, шарнирный механизм для выравнивания усилия сжатия по контактным поверхностям тиристоров, токоподводящие электроды. Анодная и катодная части коммутатора изолированы друг от друга с помощью пластмассовых опор и стягивающих шпилек прижимного устройства. Полупроводниковый элемент (ПЭ) каждого таблеточного тиристора заключен в отдельный герметичный металлокерамический корпус.

Основным фактором, ограничивающим коммутационные возможности тиристора, является механизм его включения. При подаче на управляющий электрод тиристора запускающего импульса тока в зоне управляющего электрода формируется достаточно узкий плазменный канал, который со временем несколько расширяется, но скорость этого процесса невелика (0,1-0,005 мм/мкс). Такая локализация процесса включения делает практически невозможным создание токопроводящего канала большой площади, что не позволяет коммутировать с помощью тиристоров импульсные токи амплитудой десятки и сотни кА в субмиллисекундном диапазоне длительностей.

В настоящее время в России впервые в мире разработаны перспективные ВПК тока на базе реверсивно включаемых динисторов (РВД) (см., например, пат. RU 2107988, «Высоковольтный переключатель», МПК⁶ H03K 3/53, опубл. 27.03.1998). РВД - двухэлектродные полупроводниковые приборы таблеточной конструкции, по своим возможностям коммутации мощных импульсных токов субмиллисекундной длительности значительно превосходят тиристоры, поскольку используют для переключения вместо дополнительного управляющего электрода принципиально иной способ - с помощью управляющего плазменного слоя. РВД переключается при кратковременном изменении полярности приложенного напряжения, что обеспечивает равномерное и быстрое включение прибора по всей кремниевой структуре. В результате допустимая скорость нарастания коммутируемого тока для РВД составляет не менее 30 кА/мкс, что более чем на порядок превышает значения di/dt, допустимые для мощных тиристоров. Простота запуска последовательно включенных РВД общим током запуска и высокие значения допустимой скорости нарастания тока предопределяют преимущества ВПК тока на динисторах по сравнению с тиристорным вариантом.

С целью получения высоких значений коммутируемой мощности на единицу объема (удельной коммутируемой мощности) современные ВПК тока выполняются на бескорпусных ПП (см., например, Chumakov G.D., Galakhov I.V., et al. “Switching of High-Power Current Pulses up to 250 kA and Submillisecond Duration using New Silicon Devices-Reverse Switched Dinistors” / 10th IEEE International Pulsed Power Conference, Albuguergue, NM, USA, 1995, pp.1103-1108, а также Б.Э. Фридман и др. «Конденсаторная ячейка емкостного накопителя энергии с коммутатором на основе реверсивно-включаемых динисторов». Приборы и техника эксперимента, 2008, №6, с.51-57).

Наиболее близким техническим решением, выбранным в качестве прототипа, является ВПК тока на основе мощных РВД, рассчитанный на напряжение 25 кВ и импульсный ток до 180 кА при t_p=450 мкс [Т. Bertier, V.G. Bezuglov, I.V. et al. “On the possible use of semiconductor RSD-based switch for flashlamps drive circuits in a Nd-glass laser amplifier of LMJ facility” in Proc. XIIth IEEE International Pulsed Power Conference, Monterey, CA, USA, June 1999]. ВПК тока-прототип содержит сборку из 15 последовательно соединенных бескорпусных РВД таблеточной конструкции с диаметром ПП 76 мм. Все РВД заключены в общий керамический корпус. Система прижима обеспечивает необходимое усилие для стягивания всех РВД в сборке и состоит из тарельчатых пружин и стягивающих шпилек, как показано на рисунке 5 в указанной выше статье. Полезный объем коммутатора прототипа составляет 6,5×10³ см³.

Недостатками данного коммутатора являются:

- низкая удельная коммутируемая мощность, обусловленная значительными габаритными размерами ВПК тока;

- плохие эксплуатационные характеристики в части ремонтопригодности, а именно невозможность замены вышедших из строя в процессе эксплуатации коммутатора части его полупроводниковых приборов в связи с неразборностью корпуса ВПК.

Задача изобретения - повышение удельной коммутируемой мощности и улучшение эксплуатационных характеристик ВПК тока.

Техническим результатом изобретения является существенное (не менее чем в 1,5-2,0 раза) увеличение удельной коммутируемой мощности ВПК тока при одновременном улучшении его эксплуатационных характеристик.

Указанный технический результат в разработанной конструкции высоковольтного полупроводникового коммутатора тока достигается за счет того, что он, так же как и ВПК тока-прототип, содержит сборку последовательно соединенных бескорпусных полупроводниковых приборов таблеточной конструкции, корпус, систему прижима и токоподводящие электроды.

Новым в разработанной конструкции высоковольтного полупроводникового коммутатора тока является то, что коммутатор изготовлен из подобранных по току утечки полупроводниковых приборов, которые центрированы и изолированы по боковой поверхности с помощью диэлектрических колец и помещены в герметичный корпус, выполненный из изоляционного материала с высокой механической и электрической прочностью, при этом система прижима выполнена в виде жестко закрепленных на обоих торцах корпуса металлических фланцев, имеющих резьбовые отверстия и обеспечивающих при болтовом креплении к ним крышек коммутатора необходимое усилие сжатия полупроводниковых приборов.

В первом частном случае реализации разработанной конструкции высоковольтного полупроводникового коммутатора тока целесообразно корпус выполнить из изоляционного материала, например стеклопластика, армированного стекловолокном, а для герметизации внутреннего объема корпуса уплотнительные кольца из кремнеорганической резины целесообразно расположить между металлическими фланцами и токоподводящими электродами.

Во втором частном случае реализации разработанной конструкции высоковольтного полупроводникового коммутатора тока целесообразно в качестве полупроводниковых приборов использовать силовые диоды.

В третьем частном случае реализации целесообразно в качестве полупроводниковых приборов использовать силовые тиристоры.

В четвертом частном случае реализации разработанной конструкции целесообразно в качестве полупроводниковых приборов использовать реверсивно-включаемые динисторы.

Дополнительным техническим результатом изобретения является также улучшение габаритных и стоимостных характеристик разработанного мощного высоковольтного полупроводникового коммутатора тока.

Корпус предлагаемого коммутатора помимо защиты находящихся внутри полупроводниковых приборов от воздействия окружающей среды, что используется и в ВПК тока-прототипе, выполняет еще дополнительно функции:

- изоляционной системы, обеспечивающей надежную работу ВПК тока при приложении высоких напряжений между анодом и катодом коммутатора (25 кВ и выше);

- стягивающего узла системы прижима коммутатора, через который передается усилие сжатия (до 100 кН) на всю полупроводниковую сборку, необходимое для надежной коммутации токов в сотни кА.

На чертеже представлена конструкция разработанного ВПК тока.

В предложенном коммутаторе цилиндрический корпус 1 выполнен из изоляционного материала с высокой механической и электрической прочностью, высота корпуса 1 определяется исходя из требуемого рабочего напряжения коммутатора. Внутри корпуса 1 расположена высоковольтная сборка последовательно соединенных полупроводниковых приборов 2. Корпус 1 коммутатора, с одной стороны, защищает высоковольтную сборку от внешней среды, с другой стороны, обеспечивает необходимые воздушные изоляционные промежутки и расстояния по поверхности корпуса между катодом и анодом коммутатора. Кроме того, через корпус 1, входящий в систему прижима коммутатора, осуществляется передача сжимающих усилий к полупроводниковым приборам 2. На обоих торцах корпуса 1 штифтами 3 жестко закреплены металлические фланцы 4, имеющие резьбовые отверстия для крепления крышек 5 коммутатора, также входящих в систему прижима. В нижней и верхней крышках 5 коммутатора расположены системы опор шарнирного типа 7, 8, предназначенные для обеспечения равномерного распределения усилия сжатия на рабочие поверхности ПП 2. Эти усилия передаются через токоподводящие электроды 9.

В верхней крышке 5 коммутатора расположены другие элементы системы прижима, а именно тарельчатые пружины 10, винт-опора 11, контрольная шайба 12 и две гайки 13. Данные элементы системы прижима предварительно собираются в верхней крышке 5, при этом производится тарирование пружин 10 на заданное усилие сжатия. Фиксация этого усилия осуществляется гайками 13. Сборка крышки 5 с фланцем 4 системы прижима производится попеременным и равномерным затягиванием крепежных болтов до момента, когда контрольная шайба 12 перестает быть сжатой. При этом данное нормированное усилие сжатия передается на рабочие поверхности полупроводниковых приборов 2 через корпус 1, нижнюю крышку 5, шарнирные опоры 7, 8 и токоподводящие электроды 9. Сжатые ПП 2 соединены друг с другом через медные диски 14, расположенные между анодом одного полупроводникового прибора 2 и катодом соседнего прибора 2. Центрирование полупроводниковых приборов 2, медных дисков 14 и токоподводящих электродов 9 между собой осуществляется с помощью диэлектрических, например фторопластовых, колец 15, которые, кроме того, обеспечивают дополнительную защиту от пробоя по поверхности ПП 2. Коммутатор герметизируется в процессе сборки с помощью уплотнительных колец 16 из кремнеорганической резины, расположенных между токоподводящими электродами 9 и фланцами 4 корпуса 1.

Предлагаемая конструкция высоковольтного полупроводникового коммутатора тока рассчитана на применение мощных полупроводниковых приборов различного типа (диоды, тиристоры, РВД), имеющих бескорпусную таблеточную конструкцию с диаметром полупроводниковых элементов до 100 мм.

В частности, с помощью разработанного ВПК тока (см. чертеж) на базе 15 последовательно включенных бескорпусных РВД с диаметром элементов 76 мм и допустимым рабочим напряжением 2 кВ можно коммутировать импульсные токи до 400 кА с длительностью до 500 мкс при зарядном напряжении 25 кВ, что более чем в два раза превышает допустимое значение амплитуды коммутируемого тока прототипа ВПК. При этом полезный объем коммутатора за счет исключения отдельной системы прижима составляет не более 4×10³ см³, что в 3 раза меньше по сравнению с зарубежными аналогами и в 1,5 раза меньше по сравнению с прототипом. Уменьшение полезного объема коммутатора обеспечивает увеличение в 1,5-2 раза удельной коммутируемой мощности при одинаковых технических характеристиках ПП.

Болтовое соединение крышек 5 и фланцев 4 корпуса 1 позволяет в процессе эксплуатации оперативно разбирать коммутатор с целью выявления и замены вышедшей из строя части полупроводниковых приборов коммутатора, что улучшает ремонтопригодность ВПК и с учетом снижения габаритных размеров его эксплуатационные характеристики в целом.

Таким образом, разработанная конструкция ВПК позволяет увеличить удельную коммутируемую мощность и улучшить эксплуатационные характеристики коммутатора, то есть позволяет решить поставленную задачу.

Подобная конструкция коммутатора может быть использована также при изготовлении ВПК на напряжения до 100 кВ и на импульсные токи до 1000 кА при высоких технико-экономических характеристиках.

Изобретение относится к производству высоковольтных полупроводниковых коммутаторов (ВПК) тока на основе силовых диодов, динисторов, тиристоров и других полупроводниковых приборов силовой электроники и может использоваться в импульсной энергетике, где требуется переключение мега- и гигаваттных мощностей в субмиллисекундном диапазоне. ВПК состоит из подобранных по току утечки последовательно соединенных бескорпусных полупроводниковых элементов, которые центрируются и изолируются по боковой поверхности с помощью фторопластовых колец, корпуса, системы прижима и токоподводящих электродов. Корпус выполнен из изоляционного материала с высокой механической и электрической прочностью. На обоих торцах корпуса жестко закреплены входящие в систему прижима металлические фланцы, имеющие резьбовые отверстия. При болтовом креплении крышки коммутатора к фланцам корпуса, с помощью размещенных внутри крышки элементов системы прижима, создается необходимое усилие сжатия полупроводниковых приборов и его передача через корпус на полупроводниковые приборы. При этом одновременно производится герметизация внутреннего объема корпуса коммутатора уплотнительными кольцами, расположенными между фланцами и токоподводящими электродами. Технический результат - увеличение удельной коммутируемой мощности ВПК тока при одновременном улучшении его коммутационных характеристик. 4 з.п. ф-лы, 1 ил.

1. Высоковольтный полупроводниковый коммутатор тока, состоящий из последовательно соединенных бескорпусных полупроводниковых приборов таблеточной конструкции, корпуса, системы прижима и токоподводящих электродов, отличающийся тем, что коммутатор изготовлен из подобранных по току утечки бескорпусных полупроводниковых приборов, которые центрированы и изолированы по боковой поверхности с помощью диэлектрических колец и помещены в герметичный корпус, выполненный из изоляционного материала с высокой механической и электрической прочностью, при этом система прижима выполнена в виде жестко закрепленных на обоих торцах корпуса металлических фланцев, имеющих резьбовые отверстия и обеспечивающих при болтовом креплении к ним крышек коммутатора необходимое усилие сжатия полупроводниковых приборов и его передачу через корпус на упомянутые полупроводниковые приборы.

2. Высоковольтный полупроводниковый коммутатор тока по п.1, отличающийся тем, что корпус выполнен из изоляционного материала, например стеклопластика, армированного стекловолокном, для герметизации внутреннего объема которого уплотнительные кольца из кремнийорганической резины расположены между металлическими фланцами и токоподводящими электродами.

3. Высоковольтный полупроводниковый коммутатор тока по п.1, отличающийся тем, что в качестве полупроводниковых приборов использованы силовые диоды.

4. Высоковольтный полупроводниковый коммутатор тока по п.1, отличающийся тем, что в качестве полупроводниковых приборов использованы силовые тиристоры.

5. Высоковольтный полупроводниковый коммутатор тока по п.1, отличающийся тем, что в качестве полупроводниковых приборов использованы реверсивно-включаемые динисторы.