Сила в импульсе

Рассказываем о сверхбыстрых процессах в полупроводниках и новых приборах для импульсных энергетических систем
12.04.2018
Алексей Батырь

Как отмечает академик Игорь Грехов, руководитель отделения твёрдотельной электроники Физико-технического института им. А. Ф. Иоффе РАН, в развитых странах вместо трансформаторов широко используются высокоэффективные полупроводниковые преобразователи, через которые проходит свыше 60% вырабатываемой электроэнергии. В России же - вдвое меньше. Грубые оценки показывают, что, доведя этот показатель до мирового уровня, мы сможем экономить больше энергии, чем даёт, например, вся отечественная атомная энергетика.

Около 60% общего потребления электроэнергии приходится на электропривод, перевод которого с нерегулируемого на регулируемый с помощью полупроводниковых преобразователей частоты позволяет экономить в среднем более 25% электроэнергии. На транспорте регулируемый привод с рекуперацией энергии в сеть при торможении даёт примерно 30-процентную экономию. Значительную экономию также обеспечивают полупроводниковые статические компенсаторы реактивной мощности для линий электропередач.

Современные силовые кремниевые приборы можно условно разделить на две большие группы. Первая группа, применяемая в настоящее время в основном в преобразователях больших мощностей (от единиц мегаватт и выше), - это мощные диоды и тиристоры, а также запираемые тиристоры и их модификации. Приборы второй группы - менее мощные, но более быстрые полевые и биполярно-полевые транзисторы (MOSFET и IGBT). Они представляют собой, по сути, силовые интегральные схемы из сотен тысяч элементарных транзисторных ячеек на одном кремниевом кристалле, изготовляемом с применением современных микроэлектронных технологий.

Внутри IGBT-модуля - множество параллельно
включённых транзисторов

В СССР силовое полупроводниковое приборостроение как отрасль электротехнической промышленности было создано в 1960-1970-е годы. Основные приборы того времени - силовые диоды и тиристоры - по параметрам соответствовали мировому уровню, а их стоимость (во многом благодаря эффективной технологии) была примерно втрое ниже мировой. Производство на пяти специализированных заводах полностью обеспечивало потребности промышленности. В середине 1970 гг. отрасль начала отставать от мирового уровня. В 1990-х, когда в мировой силовой электронике произошли революционные изменения, связанные с началом массового производства мощных полевых и биполярно-полевых транзисторов, отставание стало катастрофическим. В «смутные» 1990-е России было не до развития передовых технологий, в результате чего мы сейчас не имеем собственного производства самых массовых приборов силовой электроники.

На переднем крае

Иная ситуация сложилась в сфере импульсной силовой электроники. Конечно, по объёмам преобразования вырабатываемой электроэнергии эта сфера ничем особенным не выделяется, но она принципиально важна для многих новых промышленных и оборонных технологий, а также для ряда базовых направлений физических исследований, таких, например, как термоядерный синтез с инерциальным удержанием плазмы. Там требуются импульсы мощностью от десятков мегаватт до десятков гигаватт и более со временем нарастания от десятков пикосекунд до десятков микросекунд.

Возможность генерации субнаносекундных импульсов большой мощности с помощью ударно-ионизационных волн в полупроводниках была впервые обнаружена в ФТИ им. Иоффе. Учёные института выяснили, что процесс ударной ионизации кремния приводит к образованию у p-n-перехода узкой области электронно-дырочной плазмы высокой концентрации. Ионизационный фронт пробегает всю базовую область диода, от чего напряжение на нём падает, а ток в цепи резко возрастает. Скорость движения фронта обычно в 3-5 раз превышает предельно возможную скорость движения электронов в кремнии, что и делает возможным сверхбыстрое (субнаносекундное) переключение диода.

Аналогичные процессы протекают в более сложных тиристорных структурах. Например, прибор, названный динистором с быстрой ионизацией, на сегодня - самый эффективный нано- и субнаносекундный переключатель, на основе которого выпускаются экспортируемые практически во все развитые страны мощные генераторы импульсов для многих отраслей науки и техники. На основе таких генераторов в Институте теплофизики экстремальных состояний ОИВТ РАН построены, например, фазированные решётки из сверхмощных электромагнитных излучателей с пиковой мощностью в сотни мегаватт.

Моментально размыкать

Приборы, о которых до сих пор шла речь, обычно используются как замыкатели в системах с ёмкостными накопителями. В системах с индуктивным накоплением энергии мощные наносекундные импульсы генерируются с помощью быстрых размыкателей тока. Современные мощные наносекундные полупроводниковые размыкатели базируются на двух явлениях, открытых в академических институтах России: эффекте сверхбыстрого восстановления мощного диода (ФТИ им. Иоффе) и так называемом SOS-эффекте (Институт электрофизики УрО РАН).

В контурах с индуктивным характером нагрузки при переключении тока через силовые полупроводниковые диоды с прямого направления на обратное на них возникают перенапряжения, связанные с тем, что при восстановлении диода длительность спада обратного тока в определённых условиях может быть меньше длительности фазы высокой обратной проводимости. Для традиционного применения диодов в качестве выпрямителей переменного тока этот эффект нежелателен, поскольку он снижает надёжность работы диода и других элементов электрической схемы. Неудивительно, что разработано множество способов подавления этого эффекта.

Просто и непритязательно: сборка SOS-диодов на 60 кВ и 4000 A

Учёные-исследователи из ИЭФ УрО РАН задались противоположным вопросом: нельзя ли, наоборот, усилить этот эффект - например, для того, чтобы использовать высоковольтные полупроводниковые диоды в качестве прерывателей тока в мощных импульсных системах с индуктивным накопителем энергии? Эксперименты показали, что при определённом сочетании плотностей прямого и обратного тока и определённом времени его протекания через полупроводниковую структуру время спада обратного тока уменьшается до десятков и единиц наносекунд. Характерные значения плотности тока, протекающего через полупроводниковую структуру, при этом составляют десятки кА/см2. Обнаруженное таким образом явление наносекундного обрыва сверхплотных токов в полупроводниках получило название SOS-эффекта (Semiconductor Opening Switch).

Работает плазма

SOS-эффект предоставил конструкторам импульсной техники качественно новый способ коммутации тока в полупроводниковых приборах. Его основное отличие от традиционных состоит в том, что процесс обрыва тока развивается не в низколегированной базе структуры, как в других приборах, а в её узких высоколегированных областях. База и p-n-переход структуры при этом остаются заполненными плотной избыточной электронно-дырочной плазмой, концентрация которой примерно на два порядка превышает ту, которую даёт исходный уровень легирования полупроводника. Эти два обстоятельства и приводят к сочетанию таких важных факторов, как высокая плотность обрываемого тока и наносекундное время его отключения.

Другая очень важная особенность SOS-эффекта - на стадии обрыва тока напряжение автоматически равномерно распределяется по последовательно соединённым структурам (полупроводниковым приборам). Это даёт возможность создавать прерыватели тока с напряжением мегавольтного уровня путём простого последовательного соединения структур без использования внешних делителей напряжения. Механизм равномерного распределения напряжения связан с процессами интенсивного лавинного размножения носителей в узкой области высокого электрического поля в структуре на стадии отключения тока. В структурах, где по тем или иным причинам электрическое поле превысило среднее значение, происходит очень быстрая (десятые доли наносекунды) наработка добавочной плазмы за счёт ударной ионизации. Увеличение концентрации плазмы приводит к снижению величины электрического поля и выравниванию напряжения по структурам.

Генератор на основе SOS-диодов, выпускаемый в ИЭФ УрО РАН,
триста раз в секунду выдаёт импульсы длительностью 30 нс
с напряжением 1 МВ и током 1 кА

Благодаря перечисленным особенностям SOS-эффекта уже через два-три года после его обнаружения учёные смогли разработать мощные наносекундные генераторы с рекордными для полупроводниковых коммутаторов параметрами. На его основе были созданы эффективные, надёжные и недорогие генераторы наносекундных импульсов с мощностью в импульсе более гигаватта при напряжении 1 МВ.

От простого к сложному

Микросекундная коммутация очень больших токов, в сотни тысяч и даже миллионы ампер, полупроводниковыми приборами стала возможной после создания в ФТИ РАН реверсивно включаемого динистора (РВД). Это прибор тиристорного типа, полупроводниковая структура которого состоит из нескольких десятков тысяч чередующихся тиристорных и транзисторных секций с общим коллектором. РВД на основе кремниевой пластины диаметром 140 мм, может коммутировать ток около 1 млн ампер.

Источник: Энерговектор

Читайте другие наши материалы