ПОЛУПРОВОДНИКОВЫЕ ВЫКЛЮЧАТЕЛИ ДЛЯ КОНДЕНСАТОРНОЙ БАТАРЕИ БЫСТРОГО РАЗРЯДА ИТЭР

АННОТАЦИЯ

Работа противоимпульсных конденсаторных батарей характеризуется рядом особенностей, которые усложняют безопасную эксплуатацию полупроводниковых переключателей. Эти особенности заключаются в следующем. Необходимость работать в режиме импульсного тока, при высоких токах до 100 кА, в пределах около 1 мс, что приводит к перегреву и возможному тепловому повреждение полупроводниковой структуры. Процесс разряда заканчивается закрытием переключателей и появлением обратного напряжения, которое может быть выше, чем начальное напряжение конденсаторов. Одним из ключевых элементов разрядной цепи является индуктор, который ограничивает разрядный ток. Процесс обратного восстановления в цепи с этим индуктором вызывает генерацию высоковольтных всплесков, которые могут привести к повреждению полупроводникового устройства, перегретого импульсным током к этому моменту.

ВВЕДЕНИЕ

Развитие сильноточной импульсной техники связано, прежде всего, с прогрессом в разработке мощных выключателей. До недавнего времени проблему сильноточного переключения решали искровые разрядники, характеризующиеся высокой перегрузочной способностью и относительно простым включением. Но эти переключатели имеют недостатки, такие как малый срок службы из-за эрозии электродов и возможного самовоспламенения. Полупроводниковые приборы при использовании для переключения высокого тока имеют ряд преимуществ по сравнению с искровыми разрядниками, а именно: высокая надежность, отсутствие автозапуска, переключение без дуги, экологическая безопасность. Недостатками полупроводниковых переключателей являются низкая перегрузочная способность (по току и напряжению), ограниченный наклон нарастания постоянного тока и возможный пробой, вызванный перенапряжением при обратном восстановлении. Для емкостных накопителей энергии с длительностью процесса разряда, составляющей доли миллисекунд, наиболее подходящими полупроводниковыми приборами являются различные тиристоры, способные переключаться до сотен килоампер в режимах импульсного тока при напряжении до 8 кВ. Целью работы является разработка тиристорных переключателей для противоимпульсных ячеек конденсатора (рис. 1) для установок с быстрым разрядом установки ИТЭР [1]. Параметры ячеек конденсатора представлены в Таблице 1.

Рисунок 1. схема разгрузки нереверсивной конденсаторной батареи

Таблица 1.

Параметры конденсаторной батареи

Два типа тиристоров были выбраны для противоимпульсной конденсаторной батареи, а именно быстрые импульсные силовые тиристоры (PPТ) и фототеристоры (LТТ) производства ОАО «Электровипрямитель» (Россия). Полупроводниковые структуры всех тиристоров подвергались электронному облучению до достижения режима восстановления. В таблице 2 представлены параметры выбранных тиристоров.

Таблица 2.

Параметры выбранных тиристоров

Данные, представленные в Таблице 1 и Таблице 2, не позволяют сделать однозначный вывод о возможности использования выбранных тиристоров в ячейках противоимпульсной конденсаторной батареи. Это может быть проверено только путем проведения исследований и испытаний на импульсных испытательных установках или противоимпульсной конденсаторной батарее. Импульс тока, сформированный почти как одна полуволна синусоиды, генерируется в элементах конденсатора (рис. 1). Оптимальные режимы полупроводниковых переключателей достигаются путем полного использования нагрузочной способности тиристоров в режиме импульсного тока, определяя тем самым оптимальные условия работы тиристора в блоке конденсаторов противоимпульсного типа:

• работа в режиме импульсного тока с вероятным перегревом полупроводниковой структуры;
• длительное воздействие на выключатель постоянного высокого напряжения перед включением;
• воздействие опасных импульсных перенапряжений при обратном восстановлении перегретой полупроводниковой структуры;
• вероятное неравномерное распределение напряжения между тиристорами в высоковольтной сборке последовательно соединенных тиристоров в статическом и динамическом режимах работы.

Вышеперечисленные условия отличаются от условий эксплуатации, указанных производителем. Поэтому каждое применение полупроводниковых устройств в импульсном силовом оборудовании требует проверки работоспособности переключателей в условиях высоких импульсных токов.

Для обеспечения безопасной работы тиристоров в противоимпульсной конденсаторной батарее необходимо исследовать нагрев тиристора в режимах импульсного тока; определить предельную токовую нагрузку для тиристоров; изучить процесс обратного восстановления и найти методы и средства защиты тиристоров от импульсных перенапряжений; исследовать процессы включения и выключения тиристора в высоковольтной сборке.

Список литературы:

1. iter.org
2. B. Fridman, R. Enikeev, N. Kovrizhnykh , A. Pekhotnyi, A. Roshal, R. Serebrov, K. Kharcheva «CAPACITOR BANK FOR FAST DISCHARGE UNIT OF ITER FACILITY» // D.V. Efremov Institute of Elecrophysical Apparatus – 2011
3. R. Enikeev, B. Fridman, R. Serebrov « SEMICONDUCTOR SWITCHES IN COUNTER-PULSE CAPACITOR BANK»