Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата
технических наук, Санкт-Петербург - 2011.
Специальность 01.04.13 - Электрофизика, электрофизические
установки.
Научный руководитель: доктор технических наук, старший научный
сотрудник Фридман Борис Эммануилович
Цель работы
Основной целью работы является создание компактных емкостных накопителей энергии с
полупроводниковыми коммутаторами.
Для достижения этой цели необходимо было решить следующие задачи:
исследовать переходные процессы в разрядных контурах емкостных накопителей энергии
и определить условия возникновения опасных для полупроводниковых ключей режимов;
найти и обеспечить условия для функционирования в режимах ударных токов
полупроводниковых коммутаторов двух типов, на основе реверсивно-включаемых динисторов
(РВД) и на основе фототиристоров при различных режимах разряда и разных нагрузках;
разработать и исследовать конструкции разрядных контуров емкостных накопителей
энергии с полупроводниковыми коммутаторами;
исследовать влияние скин-эффекта в массивных проводниках разрядных контуров на
процессы формирования импульса тока в емкостном накопителе энергии.
Научная новизна работы
1. Разработан комплекс методов и аппаратных средств защиты ключей, обеспечивающих
сохранение работоспособности полупроводников в условиях перегрева полупроводниковых
структур ударными токами при различных условиях, возникающих при разрядах емкостных
накопителей энергии.
2. Впервые описаны и систематизированы условия работы полупроводниковых
коммутаторов в режиме программируемого разряда емкостного накопителя энергии, в том числе условия возникновения коммутационных перенапряжений и токовых пауз. Эти условия подтверждены в многочисленных экспериментах, где одновременно были зарегистрированы переходные процессы программируемого разряда и быстрые процессы возникновения коммутационных перенапряжений.
3. Впервые обнаружено явление токовой паузы в разрядном коммутаторе при
программируемом разряде емкостного накопителя, в течение которой происходит рекомбинация и уменьшение концентрации носителей заряда в полупроводниковых структурах, что может привести к разрушению коммутатора при его повторном включении. Предложено поддерживать при токовой паузе начальную концентрацию носителей заряда в коммутаторах за счет протекания тока по цепи гарантированного разряда, впервые использованной в составе конденсаторной ячейки емкостного накопителя энергии.
4. При комплексной защите полупроводниковых ключей варисторами и RC цепями
предложено и обосновано техническое решение выбирать конденсаторы снабберных цепей из условия подавления перенапряжений только на период времени задержки варисторов. Это обеспечило малые размеры устройств защиты полупроводниковых коммутаторов и компактность высоковольтного оборудования конденсаторных ячеек.
5. Новой является схема RCD снабберной цепи, при которой исключены броски тока при
включении тиристоров и обеспечивается эффективное подавление коммутационных
перенапряжений при выключении тока и обратном восстановлении тиристоров в цепи с
индуктивностью.
6. Новым является совместное использование RCD снабберной цепи и форсирующей RC
цепи для обеспечения оптимальных условий выключения и включения фототиристоров в
разрядном контуре индуктивностью.
7. Новым является метод измерения двух не зависящих от частоты параметров массивных
проводников, внешней индуктивности и скипового параметра, основанный на применении
изготавливаемых промышленностью приборов и процедур обработки методеом наименьших
квадратов значений активной и реактивной составляющих комплексного сопротивления
проводников в диапазоне частот резко выраженного скин-эффекта. Указанный метод дает
значения параметров массивных проводников, определяющих влияние скин-эффекта на
переходные процессы в разрядных контурах реальных импульсных установок. Практическая значимость работы
1. Разработанные методы и аппаратные средства обеспечения работоспособности
полупроводниковых коммутаторов позволили создать новые конструкции импульсных установок и могут бьть в дальнейшем использованы при разработке других источников импульсного тока.
2. Создан компактный емкостной накопитель с полупроводниковыми коммутаторами на
основе РВД с запасаемой энергией 1 МДж, максимальным напряжением 18 кВ и рекордной
плотностью энергии 0,38 Дж/см'. Накопитель выдержал приемо-сдаточные испытания и передан вэксплуатацию Заказчику (Китай, Нанкинский Университет Науки и Технологии).
3. Разработан и испытан опытный образец конденсаторной батареи противотока с
полупроводниковыми коммутаторами двух типов: на основе мощных импульсных тиристоров и фототиристоров. Конструкция опытного образца конденсаторной батареи включена в проект комплекса коммутационной аппаратуры для быстрого защитного вывода энергии из сверхпроводящих обмоток ИТЭР.
4. Разработанный метод измерения внешней индуктивности и скинового параметра
проводников позволил ввести параметризацию устройств с массивными проводниками и измерять при приемочных испытаниях только два частотно независимых параметра, которые полностью определяют соотношения между током и падением напряжения на массивных проводниках в частотной и временной областях.
Основной целью работы является создание компактных емкостных накопителей энергии с
полупроводниковыми коммутаторами.
Для достижения этой цели необходимо было решить следующие задачи:
исследовать переходные процессы в разрядных контурах емкостных накопителей энергии
и определить условия возникновения опасных для полупроводниковых ключей режимов;
найти и обеспечить условия для функционирования в режимах ударных токов
полупроводниковых коммутаторов двух типов, на основе реверсивно-включаемых динисторов
(РВД) и на основе фототиристоров при различных режимах разряда и разных нагрузках;
разработать и исследовать конструкции разрядных контуров емкостных накопителей
энергии с полупроводниковыми коммутаторами;
исследовать влияние скин-эффекта в массивных проводниках разрядных контуров на
процессы формирования импульса тока в емкостном накопителе энергии.
Научная новизна работы
1. Разработан комплекс методов и аппаратных средств защиты ключей, обеспечивающих
сохранение работоспособности полупроводников в условиях перегрева полупроводниковых
структур ударными токами при различных условиях, возникающих при разрядах емкостных
накопителей энергии.
2. Впервые описаны и систематизированы условия работы полупроводниковых
коммутаторов в режиме программируемого разряда емкостного накопителя энергии, в том числе условия возникновения коммутационных перенапряжений и токовых пауз. Эти условия подтверждены в многочисленных экспериментах, где одновременно были зарегистрированы переходные процессы программируемого разряда и быстрые процессы возникновения коммутационных перенапряжений.
3. Впервые обнаружено явление токовой паузы в разрядном коммутаторе при
программируемом разряде емкостного накопителя, в течение которой происходит рекомбинация и уменьшение концентрации носителей заряда в полупроводниковых структурах, что может привести к разрушению коммутатора при его повторном включении. Предложено поддерживать при токовой паузе начальную концентрацию носителей заряда в коммутаторах за счет протекания тока по цепи гарантированного разряда, впервые использованной в составе конденсаторной ячейки емкостного накопителя энергии.
4. При комплексной защите полупроводниковых ключей варисторами и RC цепями
предложено и обосновано техническое решение выбирать конденсаторы снабберных цепей из условия подавления перенапряжений только на период времени задержки варисторов. Это обеспечило малые размеры устройств защиты полупроводниковых коммутаторов и компактность высоковольтного оборудования конденсаторных ячеек.
5. Новой является схема RCD снабберной цепи, при которой исключены броски тока при
включении тиристоров и обеспечивается эффективное подавление коммутационных
перенапряжений при выключении тока и обратном восстановлении тиристоров в цепи с
индуктивностью.
6. Новым является совместное использование RCD снабберной цепи и форсирующей RC
цепи для обеспечения оптимальных условий выключения и включения фототиристоров в
разрядном контуре индуктивностью.
7. Новым является метод измерения двух не зависящих от частоты параметров массивных
проводников, внешней индуктивности и скипового параметра, основанный на применении
изготавливаемых промышленностью приборов и процедур обработки методеом наименьших
квадратов значений активной и реактивной составляющих комплексного сопротивления
проводников в диапазоне частот резко выраженного скин-эффекта. Указанный метод дает
значения параметров массивных проводников, определяющих влияние скин-эффекта на
переходные процессы в разрядных контурах реальных импульсных установок. Практическая значимость работы
1. Разработанные методы и аппаратные средства обеспечения работоспособности
полупроводниковых коммутаторов позволили создать новые конструкции импульсных установок и могут бьть в дальнейшем использованы при разработке других источников импульсного тока.
2. Создан компактный емкостной накопитель с полупроводниковыми коммутаторами на
основе РВД с запасаемой энергией 1 МДж, максимальным напряжением 18 кВ и рекордной
плотностью энергии 0,38 Дж/см'. Накопитель выдержал приемо-сдаточные испытания и передан вэксплуатацию Заказчику (Китай, Нанкинский Университет Науки и Технологии).
3. Разработан и испытан опытный образец конденсаторной батареи противотока с
полупроводниковыми коммутаторами двух типов: на основе мощных импульсных тиристоров и фототиристоров. Конструкция опытного образца конденсаторной батареи включена в проект комплекса коммутационной аппаратуры для быстрого защитного вывода энергии из сверхпроводящих обмоток ИТЭР.
4. Разработанный метод измерения внешней индуктивности и скинового параметра
проводников позволил ввести параметризацию устройств с массивными проводниками и измерять при приемочных испытаниях только два частотно независимых параметра, которые полностью определяют соотношения между током и падением напряжения на массивных проводниках в частотной и временной областях.