Формирователь высоковольтных импульсов напряжения с импульсной мощностью в несколько мегаватт

ФОРМИРОВАТЕЛЬ ВЫСОКОВОЛЬТНЫХ ИМПУЛЬСОВ НАПРЯЖЕНИЯ С ИМПУЛЬСНОЙ МОЩНОСТЬЮ В НЕСКОЛЬКО

МЕГАВАТТ

В.В. Тогатов, П.А. Гнатюк

Предложен каскадный принцип построения формирователя высоковольтных импульсов напряжения с импульсной мощностью в несколько мегаватт. Показано, что за счет увеличения числа одинаковых каскадов формирователя его выходное напряжение может быть повышено практически до любой заданной величины.

Введение

В импульсных источниках света, в системах накачки твердотельных лазеров, а также в приборах медицинской техники необходимо формирование высоковольтных импульсов напряжения с импульсной мощностью в несколько мегаватт. Необходимость независимой регулировки амплитуды, длительности и частоты повторения импульсов, а также жесткие требования к форме импульсов не позволяют использовать для этой цели колебательный L-C-контур с тиристорным коммутатором [1]. Возможность использования в подобных формирователях в качестве коммутатора мощных IGBT-транзисторов ограничено их рабочим напряжением. Дополнительные осложнения связаны с выбором накопительных конденсаторов. Как правило, основным требованием к формирователям является компактность, малые габариты. Построение малогабаритных формирователей с энергией в импульсе в несколько килоджоулей и импульсной мощностью в несколько мегаватт возможно только при использовании в качестве накопителей энергии электролитических конденсаторов. Вместе с тем, их рабочее напряжение обычно не превышает нескольких сотен вольт, что исключает возможность их использования в традиционных схемах высоковольтных формирователей.

Каскадный формирователь высоковольтных импульсов

Для решения задачи построения высокоэффективных малогабаритных формирователей с импульсной мощностью в несколько мегаватт нами разработана каскадная схема разрядного модуля свободная от перечисленных ограничений.

Формирователь (рис. 1) состоит из двух модулей: зарядного модуля и разрядного модуля. Каждый модуль выполнен в виде печатной платы размером 125 mm х 275 mm, максимальная высота установленных на плату компонентов - 50 mm. Модули электрически соединяются между собой и с периферийными устройствами с помощью стандартных разъемов гибкими проводными кабелями.

Зарядный модуль (Charger) питается от сети переменного тока с напряжением 220 V ± 10 % и обеспечивает заряд накопительной емкости до напряжения от 200 V до 500 V в зависимости от сигнала управления с разрядного модуля при средней мощности 1 kW. Блок обеспечивает гальваническую развязку до 3 kV между питающей сетью и выходом, а также содержит дополнительный сетевой AC-DC преобразователь с выходным напряжением 12 V мощностью до 20W. Модуль имеет защиту от превышения температуры силовых компонентов, от превышения входного напряжения и от замыкания в нагрузке.

Разрядный модуль (Discharger) обеспечивает частичный разряд накопительной емкости в импульсную лампу с заранее заданными параметрами: энергия в импульсе, длительность импульса и частота повторения импульсов. Значения параметров задаются через COM-порт с помощью компьютера или другого внешнего устройства и сохраняются в модуле. Полное управление разрядным модулем и контроль параметров раз-

ряда также может производиться через СОМ-порт с помощью компьютера или другого внешнего устройства. Модуль имеет два сигнала для внешней блокировки, а также входной и выходной сигналы для синхронизации разряда с внешними устройствами. Модуль содержит датчики тока через лампу и напряжения на лампе для осциллографи-ческого контроля параметров разряда. Модуль имеет защиту от превышения температуры силовых компонентов, от превышения выходного разрядного тока и от замыкания в нагрузке.

Анализ разрядного модуля

Разрядный модуль (рис. 2) построен по каскадному принципу, который позволяет за счет увеличения числа одинаковых каскадов повышать выходное напряжение на нагрузке принципиально до любой заданной величины.

накопительной емкости. В состав каскада входят: накопитель энергии (электролитический конденсатор), коммутирующий ЮБТ-транзистор, подключающий накопитель энергии к нагрузке, вспомогательный ЮБТ-транзистор, соединяющий в паузе между импульсами выход с общей шиной, и драйвер с потенциальной развязкой, управляющий работой коммутирующего и вспомогательного ЮБТ-транзисторов. Межкаскадные соединения осуществляются таким образом, что выход каждого предшествующего каскада соединен с общей шиной последующего, а верхний выход управляющего драйвера предшествующего каскада соединен со входом последующего. Накопительный конденсатор в каждом каскаде положительной клеммой через разделительный диод подключен к источнику высокого напряжения, а отрицательной клеммой - к общей шине данного каскада. Нагрузка включена между выходом последнего каскада и общей шиной высоковольтного источника. В паузе между импульсами все вспомогательные ЮБТ-транзисторы включены, а коммутирующие транзисторы выключены. При этом все накопительные конденсаторы оказываются подключенными к общей шине высоковольтного источника и заряжаются через вспомогательные транзисторы до напряжения источника. При подаче импульса управления происходит одновременное включение всех коммутирующих транзисторов. Так как выход каждого предшествующего каскада со-

единен с общей шиной последующего, то все накопительные конденсаторы оказываются соединенными последовательно и к нагрузке прикладывается их суммарное напряжение

Рис. 2. Принципиальная электрическая схема силовой части разрядного модуля

Каждый из каскадов построен по схеме модулятора с частичным разрядом. Если нагрузкой является импульсная газоразрядная лампа, то закон изменения тока в лампе при формировании импульса накачки имеет вид [2]:

i(t) =

n  t к0

к0  С п ¥

где п - число каскадов схемы, ¥(0) - напряжение на каждом конденсаторе в начале импульса, С - емкость каждого конденсатора, к0 - характеристический импеданс лампы, определяющий ее вольтамперную характеристику V = к0  41 [1].

Задаваясь допустимым спадом тока к концу импульса накачки ( = т), по уравнению (1) можно определить величину емкости в каждом каскаде:

С = 4а п ¥

1 ~4а к

о

Здесь а = i (т) / i(0) - отношение тока накачки в конце импульса i(r) к току в начале импульса i(0) = n2 V(0)2 / k02.

Для быстрого разряда накопительных конденсаторов во всех каскадах после выключения схемы предусмотрен полевой транзистор, включенный относительно общей шины последнего каскада.

Для регистрации импульса тока накачки в схеме предусмотрен низкоомный шунт, который подключен к общей шине высоковольтного источника последовательно с нагрузкой. Для регистрации напряжения на нагрузке предусмотрен высоковольтный делитель напряжения, включенный параллельно нагрузке.

Чтобы рассмотреть особенности управления транзисторами, обратимся к рис. 2. Нижний выход драйвера LO через резистор 100 Ohm и встречно-параллельно включен-

2

ный диод Шоттки управляет вспомогательным IGBT-транзистором. Верхний выход HO через аналогичную цепь управляет коммутирующим транзистором. Верхний и нижний выходы работают в противофазе. Драйвер включен по стандартной схеме, в которой заряд конденсатора, осуществляющего питание цепи верхнего выхода, происходит в паузе между импульсами от низковольтного источника +18 V, через вспомогательный транзистор. Для резервирования цепи заряда предусмотрена дополнительная резистив-ная цепь, соединяющая конденсатор с общей шиной. Чтобы исключить появление высокого напряжения на нагрузке при исчезновении напряжения низковольтного источника +18 V, в схему включен еще один маломощный полевой транзистор, включающийся непосредственно от источника высокого напряжения и работающий синхронно с вспомогательным IGBT-транзистором.

Эксперимент

Для проверки работоспособности формирователей, построенных по каскадной схеме, проведено макетирование двух схем, одна из которых включала 2 каскада, вторая - 6. Максимальное напряжение, которое могло быть получено на выходе каждого каскада, составляло 500 V. На выходе схемы из шести каскадов на эквиваленте нагрузки формировались импульсы напряжения до 3000 V при токе до 100 A и длительности импульса до 3 ms. На выходе схемы, содержащей два каскада, на нагрузке сопротивлением 1 Ohm формировались импульсы напряжения с амплитудой до 700 V при токе 700 A и длительности импульса до 200 mcs. Увеличение тока в нагрузке получено за счет параллельного соединения двух одинаковых IGBT-транзисторов.

На рис. 3 и рис. 4 приведены осциллограммы напряжения на нагрузке в обеих схемах. Заметный спад напряжения и тока в нагрузке определяется величиной емкости накопительных конденсаторов, которая составляла 330 mcF в схеме, содержащей 6 каскадов (рис. 3), и 940 mcF в схеме из двух каскадов (рис. 4).

0.5V 0.5ms

к

\

-

Рис. 3. Осциллограмма импульса напяжения в схеме, содержащей 6 каскадов. Масштаб напряжения: 500 V/Div. Временной масштаб: 0,5 ms/Div.

Рис. 4. Осциллограмма импульса напяжения в схеме, содержащей 2 каскада. Масштаб напряжения: 100 V/Div. Временной масштаб: 20 mcs/Div.

Заключение

В результате проведенного исследования можно считать доказанным, что при каскадном принципе построения формирователей за счет увеличения числа каскадов напряжение на нагрузке можно увеличивать практически до любой заданной величины. Повышение тока в нагрузке по меньшей мере до 1000 А может быть получено либо за счет включения в схему сильноточных ЮБТ-модулей, либо за счет параллельного соединения одиночных ЮБТ-транзисторов.

Литература

1. Маршак И.С., Дойников А.С., Жильцов В.П., Кирсанов В.П., Ровинский Р.Е, Щукин Л.Н., Фейгенбаум М.Г. Импульсные источники света / Под редакцией И.С. Маршака.. М.: Энергия, 1978. 472 с.

2. Тогатов В.В. , Гнатюк П.А. Электронный разрядный модуль для систем накачки твердотельных лазеров. // Оптический журнал. 2000. Т. 67. № 4. С. 92-96.