Использование тиристоров в пульсовых и лазерных системах для точного управления

Понимание тиристоров: основа мощного переключения

Тиристоры относятся к семейству полупроводниковых устройств, разработанных специально для приложений переключения высокой мощности. В отличие от стандартных транзисторов, которые работают в линейных или насыщенных режимах, тиристоры функционируют как бистабильные переключатели - после запуска в проводимость, они остаются зажатыми до тех пор, пока анодный ток не упадет ниже удерживающего тока. Это защелачивание делает тиристоры уникальным образом подходящим для импульсной мощности и лазерных систем, где большие токи должны доставляться точными, контролируемыми всплесками.

Базовая тиристорная структура состоит из четырех чередующихся слоев кремния P-типа и N-типа (PNPN). Три терминала - это анод, катод и затвор. Небольшой ток затвора инициирует регенеративную обратную связь внутри устройства, включая его почти мгновенно. После проведения затвор теряет контроль, и тиристор отключается только тогда, когда ток нагрузки падает до почти нуля (коммутация). Эта естественная характеристика выключения является как преимуществом, так и ограничением, стимулируя разработку специализированных вариантов тиристора, таких как затворные тиристоры (GTO) и интегрированные затворные тиристоры (IGCT), которые предлагают возможность принудительного выключения.

Оценки напряжения и тока современных тиристоров ошеломляют - отдельные устройства могут выдерживать более 8 кВ и нести несколько тысяч ампер. Серийная и параллельная укладка позволяет системам достигать мегавольтных и мегаамперных уровней. Эта масштабируемость является основной причиной, по которой тиристоры остаются предпочтительным переключателем для энергосетей коммунального уровня и крупномасштабных импульсных энергетических установок.

Для более глубокого введения статья в Википедии о тиристорах предоставляет отличный технический обзор.

Для всестороннего обзора технологии импульсной мощности см. IEEE Транзакции на плазменной науке специальные вопросы по импульсной мощности.

Лазерные системы: контроль времени и энергии с помощью тиристоров

Современные лазерные системы, особенно твердотельные и газовые лазеры, в значительной степени полагаются на импульсные источники питания на основе тиристора. Среда усиления лазера обычно накачивается флешлампами или высоковольтным электрическим разрядом. Качество лазерного луча - его энергия импульса, продолжительность и повторяемость - напрямую связано с точностью электрического импульса, который заряжает лазер. Тиристоры обеспечивают быстрое переключение высокого тока, необходимое для обеспечения того, чтобы каждый выстрел был идентичным.

Лазеры с накачкой на флешмп

В лазерах с накачкой на флеш-лампах через ксеноновый флеш-ламп разряжается большой конденсаторный банк. В качестве основного переключателя выступает тиристор (или стопка последовательно соединенных тиристоров). Время включения должно быть очень быстрым для создания яркой короткой вспышки, которая эффективно накачивает лазерный стержень. Джиттер переключения должен быть сведен к минимуму для поддержания стабильности импульса к импульсу. Многие промышленные лазерные маркеры и медицинские косметические лазеры используют эту топологию.

Q-Switched лазеры

Методы Q-переключения производят чрезвычайно короткие лазерные импульсы с высокой мощностью пика. Q-переключатель (часто электрооптический или акустооптический модулятор) запускается в точное время относительно импульса насоса. Тиристоры контролируют как триггер фонарика, так и драйвер Q-переключателя. Полученные лазерные импульсы могут варьироваться от наносекунд до микросекунд, с пиковыми мощностями до сотен мегаватт. Приложения включают LIDAR, микрообработку и научные исследования.

Газовые лазеры и эксимерные лазеры

Эксимерные лазеры, используемые в полупроводниковой литографии и хирургии глаз, требуют очень быстрых высоковольтных импульсов для создания электрического разряда через газовую смесь. В импульсной силовой цепи часто используются модули переключателей на основе тиристора, которые заряжают и разряжают пиковые конденсаторы. Чрезвычайные частоты повторения (до нескольких килогерц) и высокие напряжения (десятки киловольт) требуют переключателей с быстрым временем восстановления. Для удовлетворения этих потребностей разработаны современные ИГКТ и быстро переключающиеся тиристоры.

Заметным примером является использование тиристоров в медицинских эксимерных лазерах для хирургии LASIK. Точный контроль над ультрафиолетовым лазерным импульсом гарантирует, что роговица изменяется с точностью до микрометра. Надежность тиристорных переключателей в этих жизненно важных системах имеет важное значение. Более подробную информацию о лазерных источниках питания можно найти в статье RP Photonics Encyclopedia о импульсных источниках питания .

Сравнение с другими силовыми коммутаторами

В то время как тиристоры доминируют в режимах наибольшей мощности и напряжения, инженеры часто выбирают между ними IGBT и MOSFET. В следующей таблице суммируются ключевые различия для импульсной мощности и лазерных приложений.

Для импульсных силовых систем, требующих чрезвычайно высоких пиковых токов и где имеют значение небольшие потери переключателей, тиристоры часто непобедимы. Однако, когда требуется быстрое повторяющееся переключение с полным управлением (например, в некоторых системах сжатия магнитных импульсов), могут быть предпочтительными IGBT или IGCT. Выбор зависит от конкретного напряжения, тока, скорости и ограничений стоимости приложения.

Проектирование систем пульса на основе тиристора

Внедрение тиристоров в импульсные и лазерные системы требует тщательного внимания к нескольким критическим аспектам конструкции.

Снабберские трассы

Тиристоры подвержены ложному срабатыванию, вызванному высоким dv/dt (скорость повышения напряжения) через коммутатор. Сети Snubber - обычно серия RC схема через устройство - ограничивают наклон напряжения и поглощают энергию во время переключения переходов. Правильная конструкция снуббера продлевает жизнь тиристора и предотвращает случайный включение.

Водительские ворота Circuitry

Пульс спускового затвора должен быть сильным и достаточно быстрым, чтобы обеспечить равномерное включение по всей кремниевой пластине. Недостаточный привод ворот может вызвать локализованную проводимость и разрушить устройство. В мощных системах спусковые устройства затвора часто обеспечивают несколько одновременных спусковых импульсов и включают оптическую изоляцию для предотвращения помех заземления.

Термический менеджмент

Пульсированная работа может создавать интенсивное преходящее нагревание внутри тиристорного кристалла, даже если средняя мощность низкая. Тепловой импеданс корпуса устройства и радиатора должен быть спроектирован для обработки кратковременного повышения температуры (термический бег). Охлаждение воды распространено в лазерных системах с высокой частотой повторения.

Серия и параллельный стек

Для достижения более высоких напряжений или токов тиристоры соединены последовательно или параллельно. Серийные струны требуют сетей балансировки напряжения (резисторов и параллельных конденсаторов) для обеспечения равномерного распределения напряжения во время блокировки и переключения. Параллельные устройства нуждаются в согласованном запуске затвора и тщательной компоновке для равномерного распределения тока. Несовпадающие тиристоры могут привести к локализованным сбоям.

EMI и шумовое подавление

Быстрое переключение больших токов порождает значительные электромагнитные помехи. Щитовые корпуса, правильное заземление и фильтрация на электросети переменного тока необходимы. В лазерных системах любой электрический шум может соединяться в чувствительную управляющую электронику или даже влиять на качество лазерного луча.

Для практического руководства по проектированию многие производители полупроводников предлагают примечания к применению. Например, примечание к применению тиристора IXYS (теперь Littelfuse) покрывает снуббер и драйв в глубину.

Современные типы тиристоров для современных систем

Стандартные SCR ограничены их неспособностью выключаться через ворота. Несколько современных производных решают эту проблему и предлагают повышение производительности.

Gate Turn-Off Thyristors (альбом)

ГТО можно отключить, применив импульс тока отрицательного затвора. Это устраняет необходимость во внешних коммутационных схемах, упрощая конструкцию. ГТО широко используются в накопителях среднего напряжения и тяговых системах. Их коэффициент усиления тока выключения ниже, чем у IGBT, но они могут обрабатывать более высокие токи разлома.

Интегрированные воротно-коммутированные тиристоры (IGCT)

IGCTs объединяют GTO с драйвером шлюза низкой индуктивности, интегрированным в один пакет. Они предлагают более быстрое выключение, более высокую эффективность и лучшие возможности ди / дт, чем GTO, что делает их идеальными для приложений с импульсной мощностью, где необходимы высокие частоты повторения, например, в твердотельных модуляторах для ускорителей.

MOS-контролируемые тиристоры (MCT)

МСТ используют MOSFET-структуру, интегрированную в тиристорные ворота, для обеспечения включения и выключения с контролируемым напряжением. Они сочетают высокую плотность тока тиристоров с легким приводом MOSFET, но они еще не широко приняты из-за производственных проблем.

Свето-триггерные тиристоры (LTT)

В высоковольтных клапанных приложениях (таких как HVDC) тиристоры запускаются световыми импульсами через волоконную оптику, обеспечивая полную электрическую изоляцию. LTT устраняют необходимость в сложных источниках питания привода затвора и обладают высоким иммунитетом к EMI. Хотя они в основном используются в передаче энергии, они также изучаются для больших лазерных систем, требующих очень высокой изоляции напряжения.

Будущие тенденции и события

Полупроводники с широким диапазоном пропускания, такие как карбид кремния (SiC) и нитрид галлия (GaN), бросают вызов кремниевым тиристорам в некоторых приложениях средней мощности из-за их более высоких скоростей переключения и температурной терпимости. Тем не менее, тиристоры SiC все еще находятся в ранней стадии разработки и еще не могут соответствовать текущим рейтингам кремниевых устройств выше 10 кВ. Гибридные подходы, такие как использование маломощного SiC FET для запуска кремниевого тиристора, могут сочетать в себе лучшее из обоих миров.

Другая тенденция — интеграция тиристорных модулей со встроенными шлюзовыми драйверами, снубберами и диагностикой.Эти «умные переключатели» могут сообщать о состоянии здоровья, температуре и количестве циклов переключения, что позволяет прогнозировать техническое обслуживание в критических приложениях, таких как термоядерные реакторы и военные лазерные системы.

Кроме того, стремление к более высоким частотам повторения в промышленных лазерах (10 кГц и выше) стимулирует спрос на более быстрые типы тиристоров, которые могут быстро восстанавливаться. Для этих требований тестируются передовые конструкции IGCT с положительным приводом затвора во время затвора.

Разработка повторяемых высоконадежных импульсных энергетических систем для энергии синтеза следующего поколения (например, инерционный удерживающий синтез) также будет в значительной степени зависеть от технологии тиристора. Эти системы требуют мега-амперных токов с точностью микросекундного времени более миллиардов импульсов - проблема, которую кремниевые тиристоры с их доказанной надежностью уникально расположены для удовлетворения.

Для перспективной перспективы, EFL Pulsed Power Laboratory предлагает понимание передовых исследований в этой области.

Заключение

Тиристоры остаются фундаментальным строительным блоком для точного управления импульсной мощностью и лазерными системами. Их способность переключать огромные токи и напряжения с высокой повторяемостью делает их незаменимыми в широком спектре высокоэнергетических приложений - от медицинских устройств, которые спасают жизни, до промышленных систем, которые производят микрочипы и от научных ускорителей, которые исследуют Вселенную, до военных технологий, которые защищают. Дизайнеры, которые понимают характеристики, ограничения и передовые варианты тиристоров, могут создавать надежные, эффективные и безопасные импульсные энергетические системы. По мере появления новых материалов и методов интеграции роль тиристора, вероятно, будет расширяться еще дальше, гарантируя, что переключение высокой мощности остается контролируемым, надежным и экономичным на десятилетия вперед.