ГЕНЕРАТОР НАНОСЕКУНДНЫХ ИМПУЛЬСОВ
NANOSECOND PULSE GENERATOR

Изобретение относится к высоковольтной импульсной технике и может быть использовано для решения широкого спектра задач, например для систем питания мощных лазеров, управления ячейками Поккельса, генерации озона и т.д.
Известен генератор мощных наносекундных импульсов (варианты), на базе дрейфового диода с резким восстановлением, включающий последовательно соединенные индуктивный накопитель энергии и дрейфовый диод с резким восстановлением непроводящего состояния, а также нагрузку, подсоединенную параллельно дрейфовому диоду, и ключи (см. патент RU №2580787, H03K 3/53, 2016).
Недостатком известного устройства является наличие двух ключей, что усложняет реализацию схемы.
Также необходимо использовать быстродействующие ключи с коротким временем закрывания. Как правило, это полевые транзисторы, которые рассчитаны на небольшой ток, следовательно, данное устройство не предназначено для формирования высоковольтных (с амплитудами больше 2-3 кВ) импульсов напряжения.
Известен также генератор импульсов, содержащий дрейфовый диод с резким восстановлением непроводящего состояния, подключенный к земле ключ, а также нагрузку, подсоединенную параллельно дрейфовому диоду (см. патент RU №2589240, H03K 3/53, 2016).
Недостатком известного устройства является сложность реализации, связанная с большим количеством элементов.
Также наличие остаточных затухающих токов в контурах и через дрейфовый диод с резким восстановлением непроводящего состояния после окончания рабочего цикла приводит к дополнительному нагреву элементов цепи и уменьшению возможной частоты повторения импульсов.
Наиболее близким по технической сущности к заявляемому решению является генератор импульсов напряжения, содержащий активный ключ, параллельно подключенный к зарядному устройству, дрейфовый диод с резким восстановлением непроводящего состояния, нагрузку, а также первый и второй резонансные контура, каждый из которых включает емкостный и индуктивный накопители энергии соответственно первого и второго контура (см. патент US №8115343, H03K 3/02, 2012).
Генератор импульсов выполнен с возможностью генерирования, по меньшей мере, одного импульса, имеющего длину не более 100 наносекунд и амплитуду, по меньшей мере, 1 кВ.
Недостатками известного устройства являются:
1. После завершения рабочего цикла через контуры и диод с резким восстановлением протекают остаточные токи, которые приводят к дополнительному нагреву элементов и уменьшают частоту повторения выходных импульсов.
2. Ток через активный ключ имеет большую амплитуду, что приводит к возрастанию потерь на нем и уменьшению КПД.
Технический результат заявляемого решения заключается в увеличении частоты повторения выходных импульсов за счет отсутствия остаточных токов в дрейфовом диоде с резким восстановлением непроводящего состояния после окончания рабочего цикла.
Дополнительный технический результат заключается в повышении коэффициента полезного действия за счет сокращения потерь на активном ключе при формировании высоковольтных импульсов напряжения с высокой частотой их повторения.
источ
заряд
диод
Для достижения указанного технического результата в генераторе наносекундных импульсов, содержащем активный ключ, параллельно подключенный к зарядному устройству, дрейфовый диод с резким восстановлением непроводящего состояния, нагрузку, а также первый и второй резонансные контуры, каждый из которых включает емкостный и индуктивный накопители энергии соответственно первого и второго контуров, согласно изобретению второй резонансный контур дополнительно содержит источник постоянного напряжения, последовательно подключенный к индуктивному накопителю энергии второго контура и параллельно подключенный к емкостному накопителю энергии второго контура, причем емкость последнего в 10-20 раз больше емкости емкостного накопителя энергии первого контура для обеспечения линейного разгона тока через индуктивный накопитель энергии второго контура, при этом напряжение источника постоянного напряжения U составляет 10-40% от напряжения зарядного устройства U, а индуктивные накопители энергии и первого и второго контуров последовательно подключены к дрейфовому диоду, который выполнен с возможностью обрыва обратного тока в момент времени, когда суммарный заряд Q, прошедший через него определен выражением:
диод
диод
Q=∫I*t=0, где
3
t - время рабочего цикла дрейфового диода от 0 до t;
диод
Q - заряд, прошедший через дрейфовый диод;
диод
I - ток через дрейфовый диод;
3
t - момент обрыва обратного тока через дрейфовый диод,
при этом источник постоянного напряжения, емкостный накопитель энергии второго контура и дрейфовый диод вторым выводом подключены к общей шине.
Также согласно изобретению, активный ключ соединен с зарядным устройством положительной полярности, а положительный электрод источника постоянного напряжения через индуктивный накопитель второго контура подключен к катоду дрейфового диода.
Также согласно изобретению, активный ключ соединен с зарядным устройством отрицательной полярности, а отрицательный электрод источника постоянного напряжения через индуктивный накопитель второго контура подключен к аноду дрейфового диода.
2
2
Наличие источника постоянного напряжения во втором контуре РК и взаимосвязь его элементов, позволяет осуществлять разгон основного обратного тока через дрейфовый диод в контуре РК, а именно в контуре, где нет активного ключа. Это приводит к уменьшению тока через активный ключ, и, соответственно, к сокращению потерь на нем, к увеличению коэффициента полезного действия генератора.
2
Выполнение емкостного накопителя энергии второго контура в 10-20 раз больше емкостного накопителя энергии первого контура обеспечивает практически линейный разгон тока через индуктивный накопитель энергии второго контура для того, чтобы основная часть обратного тока шла через РК и разгружала РК1, снижая потери, позволяла не допустить существенной разрядки емкостного накопителя энергии второго контура.
Заявляемая схема генератора наносекундных импульсов позволяет увеличить частоту повторения выходных импульсов поскольку сразу после окончания рабочего цикла дрейфовый диод готов к новому циклу работы из-за отсутствия остаточных токов в нем.
2
Это происходит, так как ток через дрейфовый диод обрывается в момент времени, когда суммарный заряд, прошедший через дрейфовый диод, становится равным нулю, и дрейфовый диод остается в обратно смещенном положении из-за приложенного к нему напряжения источника постоянного напряжения во втором контуре РК.
1
2
Сущность предложения поясняется чертежами, где на фиг. 1 схематично представлена связь двух резонансных контуров РК и РК генератора и дрейфового диода; на фиг. 2 представлена функциональная схема генератора наносекундных импульсов напряжения положительной полярности; на фиг. 3 представлены временные графики токов, зарядов и напряжений в схеме, а именно на фиг. 3а представлен временной график тока через индуктивный накопитель энергии первого контура; на фиг. 3б представлен временной график тока через индуктивный накопитель энергии второго контура; на фиг. 3в представлен временной график тока через дрейфовый диод; на фиг. 3г представлен временной график напряжения на нагрузке; на фиг. 4 представлена схема генератора наносекундных импульсов напряжения отрицательной полярности.
Следует учесть, что на чертежах представлены только те детали, которые необходимы для понимания существа предложения, а сопутствующее оборудование, хорошо известное специалистам в данной области, на чертеже не представлено.
На чертежах использованы следующие позиции: 1 - дрейфовый диод; 2 - активный ключ; 3 - емкостный накопитель энергии первого контура; 4 - индуктивный накопитель энергии первого контура; 5 - зарядное устройство; 6 - источник постоянного напряжения; 7 - емкостный накопитель энергии второго контура; 8 - индуктивный накопитель энергии второго контура; 9 - разделительный конденсатор; 10 - нагрузка.
1
2
Генератор наносекундных импульсов включает два резонансных контура РК и РК, которые подключены параллельно дрейфовому диоду 1 (фиг. 1).
1
Первый резонансный контур РК генератора наносекундных импульсов включает последовательно соединенные между собой активный ключ 2, емкостный накопитель энергии первого контура 3 и индуктивный накопитель энергии первого контура 4 (фиг. 2).
1
заряд
Таким образом, согласно схеме первого контура РК, положительный электрод активного ключа 2 последовательно подключен к положительному электроду емкостного накопителя энергии 3, а также параллельно подключен к положительному электроду зарядного устройства 5, которое предназначено для зарядки емкостного накопителя энергии первого контура 3 до напряжения +U.
Второй отрицательны электрод активного ключа 2, а также отрицательный электрод зарядного устройства 5 и анод дрейфового диода 1 подключены к общей шине.
1
Также согласно схеме первого контура РК, индуктивный накопитель энергии первого контура 4 последовательно подключен, как к емкостному накопителю энергии 3, так и к катоду дрейфового диода 1.
2
Второй резонансный контур РК генератора наносекундных импульсов включает источник постоянного напряжения 6, емкостный накопитель энергии второго контура 7 и индуктивный накопитель энергии второго контура 8 (фиг. 2).
2
Таким образом, согласно схеме второго контура РК, положительный электрод источника постоянного напряжения 6 параллельно подключен к положительному электроду емкостного накопителя энергии второго контура 7 и последовательно подключен к индуктивному накопителю второго контура 8.
Второй электрод индуктивного накопителя энергии второго контура 8 последовательно подключен к катоду дрейфового диода 1.
Отрицательный электрод источника постоянного напряжения 6 и электрод емкостного накопителя второго контура 7 подключены к общей шине.
Генератор наносекундных импульсов также включает разделительный конденсатор 9 и нагрузку 10.
При этом одним концом нагрузка 10 подключена параллельно дрейфовому диоду 1 через разделительный конденсатор 9.
Разделительный конденсатор 9 предназначен для блокировки протекания постоянного тока от источника постоянного напряжения 6 в нагрузку 10.
Второй конец нагрузки 10 подключен к общей шине.
Схема генератора, представленная на фиг. 4, отличается полярностью зарядного устройства 5, источника постоянного напряжения 6 и направлением включения дрейфового диода 1.
В этой схеме активный ключ 2 соединен с зарядным устройством 5 отрицательной полярности, а отрицательный электрод источника постоянного напряжения 6 через индуктивный накопитель второго контура 8 подключен к аноду дрейфового диода 1.
Катод дрейфового диода 1 соединен общей шиной с положительным электродом зарядного устройства 5, источника постоянного напряжения 6, активного ключа 2 и нагрузки 10.
Генератор наносекундных импульсов работает следующим образом.
В исходном состоянии активный ключ 2 разомкнут.
заряд
источ
Емкостный накопитель энергии первого контура 3 заряжен до напряжения (U-U), зарядное устройство 5 выключено.
заряд
Напряжение U - напряжение на зарядном устройстве 5 и электроде емкостного накопителя энергии первого контура 3.
источ
Напряжение U - напряжение на источнике постоянного напряжения 6.
источ
заряд
Для достижения максимальной амплитуды выходного импульса напряжение на источнике постоянного напряжения U выбирают в диапазоне от 10% до 40% от напряжения зарядного устройства U.
1
1
В момент времени t=0 замыкается активный ключ 2 и начинает протекать ток в цепи первого резонансного контура РК, а именно через активный ключ 2, емкостный накопитель энергии первого контура 3, индуктивный накопитель энергии первого контура 4 и дрейфовый диод 1.
Форма тока через индуктивный накопитель энергии первого контура 4 представлена на рис. 3а.
1max
заряд
источ
Максимальная амплитуда тока I прямо пропорциональна напряжению, приложенному к емкостному накопителю энергии первого контура 3 (U-U), и обратно пропорциональна волновому сопротивлению контура согласно формуле:
1max
заряд
источ
1
1
I=(U-U)/√L/C, где
1max
I - максимальный ток через индуктивный накопитель энергии первого контура 4;
1
L - индуктивность индуктивного накопителя энергии первого контура 4;
1
С - емкость емкостного накопителя энергии первого контура 3.
Период колебаний тока определяется выражением:
1
1
T=2π√L*C, где
1
Т - период колебаний тока в первом резонансном контуре РК,
π - математическая постоянная 3,14.
Падениями напряжения на активном ключе 2 и дрейфовом диоде 1 в общем случае можно пренебречь.
1
2
2
Одновременно с протеканием тока в первом резонансном контуре РК начинает протекать ток I в цепи второго резонансного контура РК, а именно через источник постоянного напряжения 6, емкостный накопитель энергии второго контура 7, индуктивный накопитель энергии второго контура 8 и через дрейфовый диод 1.
Разгон тока определяется выражением:
2
источ
2
dI/dt=U/L, где
2
I - ток через индуктивный накопитель энергии второго контура 8;
2
L - индуктивность индуктивного накопителя энергии второго контура 8.
Форма тока через индуктивный накопитель энергии второго контура 8 представлена на фиг. 3б.
Суммарный ток через дрейфовый диод 1 при этом имеет вид, представленный на фиг. 3в и определяется формулой:
диод
1
2
I=Ι+Ι, где
диод
I - ток через дрейфовый диод 1;
1
Ι - ток через индуктивный накопитель энергии первого контура 4;
2
I - ток через индуктивный накопитель энергии второго контура 8.
2
В момент времени t полярность тока через дрейфовый диод 1 меняет знак на противоположный и накопленный во время протекания прямого тока заряд начинает выноситься из дрейфового диода 1.
3
диод
Ток через дрейфовый диод 1 обрывается в момент времени t, когда суммарный заряд Q, прошедший через дрейфовый диод 1 становится равным нулю, согласно выражению:
диод
диод
3
Q=∫I*dt=0, при этом t=0-t, где
диод
Q - заряд, прошедший через дрейфовый диод 1;
диод
I - ток через дрейфовый диод 1;
3
t - момент времени, когда обрывается обратный ток через дрейфовый диод 1.
3
После момента времени t ток через индуктивные накопители энергии первого контура 4 и второго контура 8 перебрасывается в нагрузку 10.
наг max
На нагрузке 10 возникает максимальное напряжение U, которое определяется выражением (см. фиг. 3г):
наг max
диод max
U≈I*R, где
диод max
3
I - пиковое значение, которого достиг ток через дрейфовый диод 1 в момент t;
R - сопротивление нагрузки 10.
диод max
1 max
2max
I=I+I, где
1max
3
I - максимальный ток через индуктивный накопитель энергии первого контура 4 в момент времени t;
2max
3
I - максимальный ток через индуктивный накопитель энергии второго контура 8 в момент времени t.
диода
Передний фронт напряжения на нагрузке 10 определяется емкостью С дрейфового диода 1 и скоростью его обратного восстановления, задний фронт определяется величиной индуктивности L индуктивных накопителей энергии первого контура 4 и второго контура 8, включенных параллельно и сопротивления R нагрузки 10.
4
Напряжение на нагрузке 10 в момент времени t достигает значения, согласно выражению:
наг max
4
3
LR
0,37*Uко времени t=t+t, где
наг max
3
U - максимальное напряжение на нагрузке в момент времени t;
LR
t=L/R - постоянная времени.
3
источ
После момента времени t ток через дрейфовый диод 1 прекращается, и он остается в обратно смещенном положении из-за приложенного к нему напряжения U.
Таким образом, он готов к новому циклу.
заряд
источ
Частота повторения импульсов определяется скоростью закрытия активного ключа 2 и скоростью зарядки емкостного накопителя энергии первого контура 3 зарядным устройством 5 до напряжения (U-U).
В качестве активного ключа 2 могут быть использованы биполярные транзисторы, полевые транзисторы, биполярные транзисторы с изолированным затвором, тиристоры и другие электронные ключи.
Генератор отрицательных наносекундных импульсов (фиг. 4) работает аналогично описанному выше, за исключением того, что направление токов через индуктивные накопители энергии первого контура 4 и второго контура 8, а также через дрейфовый диод 1 имеют противоположную полярность. Соответственно, с помощью этой схемы можно получить такие же выходные импульсы, только отрицательной полярности.