Вестник МГТУ. 2018, №4.

Вестник МГТУ. 2018. Т. 21, № 4. С. 596-606. DOI: 10.21443/1560-9278-2018-21-4-596-606 коммутатор и прерыватель тока работают синхронно. В режиме накачки (заряда) ИНЭ все транзисторы открыты, и нарастающий ток протекает по цепи С - VT1 - L - (VT2-VT6). Максимальная амплитуда тока через ИНЭ определяется длительностью фазы накачки А/ НК . В качестве порогового элемента, препятствующего протеканию тока через нагрузку в фазе накачки, используется несимметричный супрессор (обозначен TVS на рис. 2), напряжение лавинного пробоя которого U BR должно быть больше падения напряжения на транзисторах VT2-VT6, определяемого суммарным сопротивлением транзисторов в проводящем состоянии, при максимальном токе накачки / НКтах (V B r > / uKmax '5R DSo„ ). Максимальный выходной ток разработанного ГИТ составляет 5 А. Так как амплитуда импульса выходного тока ГИТ I OUT равна амплитуде тока через ИНЭ / НК в момент окончания фазы накачки, то / НКтах = / ооттаХ и, соответственно, напряжение U B r должно быть больше 30 В. В описываемой схеме используется супрессор P6KE39A фирмы Littelfuse с минимальным пробивным напряжением 37 В 9 . После окончания фазы накачки все ключи в схеме закрываются. Напряжение на индуктивности L, равное напряжению на транзисторах VT2-VT6, в момент коммутации скачкообразно возрастает. Супрессор открывается, и ИНЭ отдает запасенную энергию в нагрузку ГИТ. В фазе разряда ИНЭ спадающий выходной ток протекает по цепи L - TVS - Z H и замыкается через диод VD (рис. 2, б). Длительность выходного импульса тока определяется параметрами разрядного контура: индуктивностью ИНЭ и Z H . Разработанный ГИТ с ИНЭ имеет следующие технические характеристики: форма импульса фронт/полуспад - 0,15 / 50 мкс при сопротивлении нагрузки 1 кОм; амплитуда импульса тока - до 5 А; напряжение на нагрузке - до 4,5 кВ; энергия импульса - до 1 Дж; режим работы - повторяющиеся импульсы с интервалом 1-2 с. По аналогии с исследованием, представленным в статье [8], рассмотрим работу схемы в случае высокоомной нагрузки и при возникновении периодического тока в разрядном контуре. Как уже отмечалось выше, предельным случаем высокоомной нагрузки является работа ГИТ в режиме холостого хода (например, при обрыве проводника токового контура). Обычно в схему генератора добавляется защитный электронный компонент [8], который должен ограничивать возникающее перенапряжение на транзисторах VT2-VT6 и частично или полностью (в случае Z H = да) рассеивать энергию, накопленную в ИНЭ. Очевидно, что предельным режимом, который должен выдерживать защитный элемент, является режим максимальной для ГИТ амплитуды тока через ИНЭ (при максимальном времени А/ НК ) и холостом ходе генератора. В рассматриваемой схеме функцию защитного элемента выполняют MOSFET-транзисторы VT2-VT6, переходящие в режим лавинного пробоя (avalanche mode) [12]. Для MOSFET-транзисторов первых поколений работа в режиме лавинного пробоя считалась запрещенным (аварийным) режимом. Разработчики аппаратуры рассчитывали схемы устройств, в которых MOSFET-ключи коммутируют индуктивную нагрузку (преобразователи напряжения, приводы двигателей и т. п.), таким образом, чтобы транзистор не попадал в режим пробоя [13]. Усовершенствования в области теплового сопротивления кристалла и высокая прочность конструкции МОП-структуры современных MOSFET-транзисторов обеспечивают их повышенную устойчивость в режиме лавинного пробоя. Практически все производители современных силовых MOSFET-транзисторов испытывают их на лавинный пробой и не только гарантируют (при соблюдении определенных условий) их устойчивость к однократному или повторяющемуся лавинному пробою, но и предоставляют необходимую информацию для теплового расчета ключей в таком режиме работы 10 [13]. Так как в рассматриваемом ГИТ длительность импульсов тока значительно меньше периода их повторения, то лавинный пробой можно считать однократным. Для предотвращения термического разрушения MOSFET-ключа при однократном лавинном пробое возникает необходимость выполнения трех условий: - ток через транзистор не должен превышать максимальный ток пробоя / D max < / AR ; - энергия, рассеиваемая при пробое в ключе, не должна превышать максимально допустимую энергию пробоя для одиночного импульса E AV < E AS ; - температура канала транзистора во время пробоя не должна превысить предельно допустимую величину T j lim . Значения / AR , T j lim и кривая зависимости E AS от температуры канала E AS (T j ) приводятся в документации по эксплуатации транзисторов 11 . Выполненный по методике производителя [13] расчет показал, что для используемых транзисторов STF9NK90Z при / НКтах = 5 А и Z H = да указанные условия соблюдаются. 9 P6KE Series 600W Axial Leaded Transient Voltage Suppression (TVS) Diode. URL: https://www.littelfuse.com/ ~/media/electronics/datasheets/tvs_diodes/littelfuse_tvs_diode_p6ke_datasheet.pdf. 10 AN2344. Application note. Power MOSFET avalanche characteristics and ratings. URL: http://www.elenota.pl/ datasheet_download/163035/AN2344. 11 STB9NK90Z, STF9NK90Z, STP9NK90Z, STW9NK90Z. N-channel 900 V, 1.1 П, 8 A, TO-220, TO-220FP, D 2 PAK, TO-247 Zener-protected SuperMESH™ Power MOSFET. URL: https://www.st.com/resource/en/datasheet/stp9nk90z.pdf. 601