МНОГОЭЛЕМЕНТНЫЙ КОММУТАТОР
MULTIELEMENT SWITCHBOARD

Изобретение относится к высоковольтной импульсной технике и предназначено для использования в формирователях наносекундных импульсов напряжения, используемых, например, в сильноточных ускорителях заряженных частиц.
Известен многоэлементный коммутатор в виде многозазорного разрядника (Humphreys D.R., Penn K.J., Cap J.S. et. al, Rimfire: A Six Megavolt Laser - Triggered Gas-Filled Switch for PBFA II, Proc. 5 th Intern. IEEE Pulsed Power Conf, Arlington, 1985, pp.262-266), представляющий собой ряд (цепочку) последовательно соединенных пороговых коммутационных элементов - разрядников (разрядных промежутков), которые образуют прямой токовод. Обратный токовод коммутатора образуется токопроводящим корпусом, в котором размещается цепочка коммутационных элементов. Цепочка коммутационных элементов разделена на две последовательно соединенные секции - основную и пусковую. Пусковая секция состоит из одного коммутационного элемента (разрядника), запускаемого путем ионизации газа, выполняемой с помощью луча лазера, направляемого в разрядный промежуток. Емкостная связь коммутационных элементов с обратным тоководом пренебрежимо мала по сравнению с емкостной связью электродов разрядников между собой, т.е. емкости электродов образуют делительную цепь, обеспечивающую равномерное распределение коммутируемого напряжения по коммутационным элементам.
Недостатком данного коммутатора является необходимость использования значительной длины пусковой секции (пускового разрядника) для обеспечения скачка напряжения, достаточного для запуска основной секции, использование мощного лазерного источника и сравнительно медленное нарастание напряжения на незамкнутых разрядниках основной секции, реализуемое в процессе коммутации путем перераспределения коммутируемого напряжения между незамкнутыми разрядниками. Результатом является сравнительно большой разброс времени замыкания коммутатора (джиттер).
Известен также многоэлементный коммутатор, выполненный в виде газового многозазорного разрядника (Волков С.И., Ким А.А., Ковальчук Б.М. и др. Многоканальный замыкающий разрядник для водяных накопителей. Известия вузов. Физика, 1999, №12, с.91-99), который является модификацией предыдущего разрядника. Его основное отличие состоит в использовании многозазорной конструкции пусковой секции, параллельно которой включены последовательно соединенные индуктивность (передающая спиральная линия) и запускающий разрядник, через которые подается пусковой импульс напряжения.
Недостатком данного коммутатора является необходимость применения мощного запускающего импульса для запуска процесса коммутации, затягивание фронта запускающего импульса на передающей спиральной линии и сравнительно медленный рост напряжения на разрядных промежутках в процессе коммутации, возникающий за счет перераспределения коммутируемого напряжения между незамкнутыми разрядниками и, как следствие, сравнительно большой разброс времени замыкания коммутатора.
Наиболее близким к предлагаемому техническому решению (прототипом) является многоэлементный коммутатор в виде газового многоэлементного разрядника (патент США №2659839, з. 17.07.1951), включающего ряд (цепочку) последовательно соединенных разрядников (коммутационных элементов), образующих прямой токовод, параллельно которым включена делительная цепь, состоящая из последовательно соединенных резисторов. Разрядник имеет пассивные элементы в виде емкостей, включенных между электродами разрядников и обратным тоководом коммутатора (корпусом или «земляным проводом»). Величина емкости каждого из этих пассивных элементов существенно больше величины емкости между электродами каждого разрядника (сильная емкостная связь выводов разрядников с обратным тоководом коммутатора). Управляющий вход соединен со средней точкой резистивной делительной цепи, с точкой соединения двух смежных разрядных промежутков. В другом исполнении цепи управления в ней имеется дополнительный разрядный промежуток, при замыкании которого возникающее ультрафиолетовое излучение способствует замыканию других разрядных промежутков. В исходном состоянии емкости, включенные между электродами разрядных промежутков и корпусом (обратным тоководом) коммутатора, заряжены до напряжений, определяемых резистивной делительной цепью. Появление напряжения на управляющем входе коммутатора, вследствие перераспределения напряжений между емкостными элементами, вызывает перенапряжение на смежных разрядных промежутках и, как следствие, их замыкание (пробой). В результате выравнивания напряжения на емкостях, примыкающих к замкнутому разрядному промежутку, на смежном с ним разрядном промежутке возникает примерно полуторакратное увеличение напряжения, что ведет к его быстрому пробою (замыканию), так процесс коммутации последовательно распространяется на все разрядные промежутки.
Недостатком прототипа является ограниченная возможность его использования для коммутации высоких напряжений, так как из-за несоответствия резистивного распределения коммутируемого напряжения по цепи коммутационных элементов и распределения в соответствии с емкостными связями формируется неоднородное электрическое поле, сильно ограничивающее величину коммутационного напряжения. Другим недостатком прототипа являются тепловые потери на резисторах от тока, протекающего по резистивной цепи, распределяющей коммутируемое напряжение между коммутационными элементами, что особенно значимо при работе коммутатора в частотных режимах.
Задачей изобретения является создание коммутатора, использующего равномерное емкостное распределение коммутируемого напряжения между коммутационными элементами, в котором процесс коммутации инициируется замыканием одного из коммутационных элементов и быстро распространяется на оставшиеся элементы, что позволяет использовать коммутатор для коммутации высоких напряжений с малым (наносекундным) разбросом времени коммутации.
Для решения поставленной задачи в многоэлементный коммутатор, включающий ряд последовательно соединенных пороговых коммутационных элементов, образующих прямой токовод и имеющих определенную величину емкости между каждым выводом порогового коммутационного элемента и обратным тоководом коммутатора, а также первую делительную цепь в виде последовательно соединенных основных пассивных элементов, включенных параллельно пороговым коммутационным элементам, и основные емкостные пассивные элементы, величина емкости каждого из которых существенно больше величины емкости между выводами каждого порогового коммутационного элемента, введена вторая делительная цепь, в качестве основных пассивных элементов первой и второй делительных цепей использованы емкостные пассивные элементы, каждый основной емкостный пассивный элемент первой делительной цепи включен параллельно двум соседним пороговым коммутационным элементам, начиная с первого и второго порогового коммутационного элемента и так далее до последнего порогового коммутационного элемента, если он является четным, или до предпоследнего порогового коммутационного элемента, если число пороговых коммутационных элементов в коммутаторе нечетное, каждый из основных емкостных пассивных элементов второй делительной цепи включен параллельно двум соседним пороговым коммутационным элементам, начиная со второго и третьего порогового коммутационного элемента и так далее до последнего порогового коммутационного элемента, если он является нечетным, или до предпоследнего порогового коммутационного элемента, если число пороговых коммутационных элементов в коммутаторе четное, причем если число пороговых коммутационных элементов в коммутаторе четное, то во вторую делительную цепь введены два дополнительных емкостных пассивных элемента, один из которых включен параллельно первому, а другой - параллельно последнему пороговому коммутационному элементу, а если число пороговых коммутационных элементов в коммутаторе нечетное, то в первую делительную цепь введен дополнительный емкостный пассивный элемент, включенный параллельно последнему, нечетному пороговому коммутационному элементу, при этом во вторую делительную цепь также введен дополнительный емкостный пассивный элемент, включенный параллельно первому пороговому коммутационному элементу, пороговые коммутационные элементы размещены относительно обратного токовода коммутатора так, что величина емкости между каждым выводом порогового коммутационного элемента и обратным тоководом коммутатора существенно меньше величины емкости основных емкостных пассивных элементов.
2. Многоэлементный коммутатор по п.1, отличающийся тем, что величины емкостей в коммутаторе соответствуют следующим условиям:
Сд>(5÷100)·N·Ст,
Сд>(10÷100)·Ск,
Сдд=2·Сд,
где
Сд - величина емкости основного емкостного пассивного элемента, включенного параллельно двум пороговым коммутационным элементам, пФ;
N - количество пороговых коммутационных элементов в коммутаторе;
Ст - величина емкости между выводом порогового коммутационного элемента и обратным тоководом многоэлементного коммутатора, пФ;
Ск - величина емкости между выводами каждого порогового коммутационного элемента, пФ;
Сдд - величина емкости дополнительного емкостного пассивного элемента, включенного параллельно одному пороговому коммутационному элементу, пФ.
Предложенное техническое решение обладает новизной, так как в сравнении с прототипом в нем вместо резистивной делительной цепи, элементы которой включены параллельно каждому пороговому коммутационному элементу, использованы две делительные цепи, выполненные только из емкостных пассивных элементов, каждый из которых (за исключением двух таких элементов) включен параллельно двум пороговым коммутационным элементам, а также вместо сильной используется слабая емкостная связь коммутационных элементов с обратным тоководом коммутатора. Приведенная выше совокупность отличительных признаков не выявлена в известных аналогах.
Техническим результатом предложенного технического решения является повышение допустимой величины коммутируемого напряжения (за счет согласованного емкостного распределения), уменьшение потерь энергии при коммутации (за счет отсутствия резистивного распределения токов), а также уменьшение времени замыкания коммутатора и его разброса (за счет сочетания процесса удвоения напряжения на незамкнутых коммутационных элементах, при замыкании смежного с ними коммутационного элемента, с процессом увеличения напряжения за счет перераспределения коммутируемого напряжения между оставшимися незамкнутыми элементами).
Использование в предложенном коммутаторе указанных в дополнительном пункте формулы величин емкостей обеспечивает оптимальный режим работы коммутатора.
Изобретение поясняется чертежами:
фиг.1 - схема многоэлементного коммутатора на разрядниках с четным числом коммутационных элементов;
фиг.2 - выполнение многоэлементного коммутатора на динисторах с нечетным числом коммутационных элементов.
Представленный на фиг.1 многоэлементный коммутатор содержит ряд (кортеж) из десяти последовательно соединенных пороговых коммутационных элементов (разрядников Р1, Р2, Р3, Р4, Р5, Р6, Р7, Р8, Р9, Р10 с их разрядными промежутками), размещенных относительно обратного токовода 1 так, что величина емкости Ст между каждым выводом каждого разрядника Р1÷Р10 и обратным тоководом 1 существенно меньше величины емкости основного емкостного пассивного элемента Сд. Число разрядников в коммутаторе по фиг.1 четное. Обратный токовод 1 показан условно.
Коммутатор по фиг.1 включает также первую делительную цепь в виде последовательно соединенных пяти пассивных элементов - основных емкостей С1, С2, С3, С4, С5, включенных параллельно указанным разрядникам, причем каждая из упомянутых емкостей включена параллельно двум соседним разрядникам. Емкость С1 включена параллельно первому Р1 и второму Р2 разрядникам. Емкость С2 включена параллельно третьему Р3 и четвертому Р4 разрядникам и так далее по аналогии (как показано на фиг.1). Коммутатор по фиг.1 содержит четное число разрядников (десять), поэтому каждым двум из десяти разрядников соответствует параллельно подключенная основная емкость. Последняя по счету емкость С5 включена параллельно двум последним по счету разрядникам Р9, Р10.
Кроме того, в коммутаторе по фиг.1 имеется вторая делительная цепь в виде последовательно соединенных шести пассивных элементов - дополнительной емкости С10, основных емкостей С6, С7, С8, С9 и дополнительной емкости С11, включенных параллельно разрядникам Р1÷Р9. Каждая из основных емкостей С6÷С9 второй делительной цепи включена параллельно двум соседним разрядникам, начиная со второго Р2 и третьего Р3 разрядника и так далее до предпоследнего разрядника Р9, так как число разрядников в коммутаторе по фиг.1 четное. То есть последняя по счету основная емкость С9 второй делительной цепи включена параллельно двум предпоследним разрядникам Р8, Р9 коммутатора по фиг.1. Дополнительная емкость С10 включена параллельно первому разряднику Р1, дополнительная емкость С11 включена параллельно последнему разряднику Р10.
Первый вывод 2 первого по счету разрядника Р1 (фиг.1) соединен с одной входной клеммой 3 коммутатора, другая входная клемма 4 коммутатора соединена с обратным тоководом 1, с которым соединена также выходная клемма 5 коммутатора. Другая выходная клемма 6 коммутатора соединена с последним выводом 7 последнего по счету разрядника Р10. Между выходными клеммами 5, 6 коммутатора может быть включена нагрузка Zн.
Электрическая цепь от клеммы 3 до клеммы 6 вместе с коммутационными элементами является прямым тоководом коммутатора.
Клемма 8 запуска коммутатора по фиг.1 соединена с точкой 9 соединения между собой выводов емкости С10 и одного вывода резистора Z1, другой вывод которого соединен с точкой 10 соединения входной клеммы 3 и вывода 2 разрядника Р1. В схему коммутатора может быть введен также резистор Z2 (показан пунктиром), включенный между емкостью С11 и выводом 7 разрядника Р10.
Обратный токовод 1 может быть заземлен (11) и при необходимости может являться корпусом многоэлементного коммутатора.
Многоэлементный коммутатор по фиг.2 содержит ряд из девяти последовательно соединенных пороговых коммутационных элементов, в качестве которых использованы динисторы Д1, Д2, Д3, Д4, Д5, Д6, Д7, Д8, Д9. Указанные динисторы размещены между входной клеммой 3 и выходной клеммой 6 и обращены положительными выводами в сторону входной клеммы 3, на которую подается положительное коммутируемое напряжение. Величина емкости Ст между каждым выводом каждого динистора Д1÷Д9 и обратным тоководом 1 коммутатора меньше величины емкости Сд. Число динисторов в коммутаторе по фиг.2 нечетное. Соединения с обратным тоководом 1 на фиг.2 не показаны.
Первая делительная цепь коммутатора по фиг.2 включает пять последовательно соединенных пассивных элементов - основные емкости С1, С2, С3, С4 и дополнительная емкость С11. Основные емкости С1÷С4 включены параллельно динисторам Д1÷Д8, каждая из этих емкостей включена параллельно двум соседним динисторам. Емкость С1 включена параллельно первому Д1 и второму Д2 динисторам. Емкость С2 включена параллельно третьему Д3 и четвертому Д4 динисторам и так далее по аналогии (как показано на фиг.2). Последняя по счету емкость С4 первой делительной цепи включена параллельно динисторам Д7 и Д8. Дополнительная емкость С11 включена параллельно динистору Д9.
В коммутаторе по фиг.2 имеется и вторая делительная цепь в виде последовательно соединенных пяти пассивных элементов - дополнительной емкости С10 и основных емкостей С6, С7, С8, С9. Дополнительная емкость С10 включена параллельно динистору Д1. Основные емкости С6÷С9 включены параллельно динисторам Д2÷Д9, причем каждая из этих емкостей включена параллельно двум соседним динисторам, начиная со второго Д2 и третьего ДЗ динистора и так далее до последнего динистора Д9, так как число динисторов в коммутаторе по фиг.2 нечетное. Последняя по счету емкость С9 второй делительной цепи включена параллельно последней паре динисторов Д8, Д9 коммутатора по фиг.2.
Первый (положительный) вывод 12 первого по счету динистора Д1 (фиг.2) соединен с входной клеммой 3 коммутатора, другая выходная клемма 6 коммутатора соединена с последним (отрицательным) выводом 13 последнего по счету динистора Д9.
В вариантах выполнения коммутатора по фиг.1 и 2 величины основных емкостей первой и второй делительных цепей (С1, С2, С3, С4, С5, С6, С7, С8, С9), каждая из которых включена параллельно двум пороговым коммутационным элементам, соответствуют следующим условиям в оптимальном варианте:
где
Сд - величина емкости основного емкостного пассивного элемента, включенного параллельно двум пороговым коммутационным элементам, пФ;
N - количество пороговых коммутационных элементов в коммутаторе;
Ст - величина емкости между выводом порогового коммутационного элемента и обратным тоководом многоэлементного коммутатора, пФ;
Ск - величина емкости между выводами каждого порогового коммутационного элемента, пФ.
При этом величины каждой из основных емкостей одинаковы в пределах точности их изготовления при любом количестве пороговых коммутационных элементов в схеме коммутатора.
Указанные выше диапазоны значений емкостей Сд (от 5 до 100 величин N·СТ и от 10 до 100 значений Ск) являются оптимальными для выполнения коммутатора. Значения, большие, чем указанные, можно, но нецелесообразно использовать, так как это связано с большими потерями энергии. Значение емкости Сд, более чем в 5 раз превышающее значение N·СТ, является существенно большим, чем значение Ст. Значение емкости Сд, в 10 и более раз превышающее значение Ск, является существенно большим, чем значение Ск.
Величины дополнительных емкостей делительных цепей С10 и С11 (фиг.1 и 2), каждая из которых включена параллельно одному коммутационному элементу, соответствуют условию:
где
Сдд - величина емкости емкостного пассивного элемента, включенного параллельно одному пороговому коммутационному элементу, пФ;
Сд - величина емкости емкостного пассивного элемента, включенного параллельно двум пороговым коммутационным элементам, пФ.
Величины каждой из дополнительных емкостей одинаковы в пределах точности их изготовления. Обычно величина дополнительной емкости выбирается равной удвоенной величине основной емкости. Это обеспечивает одинаковость величин напряжений, действующих в исходном состоянии на всех без исключения коммутационных элементах и равные условия для срабатывания (замыкания) всех пороговых коммутационных элементов (оптимальный режим работы коммутатора).
В качестве пороговых коммутационных элементов могут быть использованы как разрядники (газовые, жидкостные, диэлектрические), как показано на фиг.1, так и другие элементы с пороговыми характеристиками включения-выключения по входному напряжению, например динисторы (фиг.2), реверсивные диоды, в частности, типа HEXFRED фирмы International Rectifier (на чертежах не показано). При использовании в качестве коммутационных элементов реверсивных диодов последние должны быть обращены отрицательными выводами в сторону входной клеммы 3 (фиг.2), на которую подается положительное напряжение.
Наличие резистора Z1 (фиг.1) между первой дополнительной емкостью второй делительной цепи и входной клеммой 3 коммутатора обеспечивает развязку запускающей цепи с клеммой 8 от входной цепи с клеммой 3 коммутатора. Аналогично, резистор Z2 может быть использован в случае подачи запускающего импульса на крайний (справа по фиг.1) вывод емкости С11.
Запуск коммутационного процесса осуществляется путем подачи импульса напряжения на входную клемму 8 коммутатора.
Возможно также осуществление запуска коммутационного процесса по фиг.1 путем подачи излучения лазера на любой из разрядных промежутков разрядников P1÷Р10 (на чертежах не показано). Запуск коммутатора также может быть реализован путем соответствующего повышения коммутируемого напряжения на входной клемме 3.
Требуемые значения параметров емкостных пассивных элементов в коммутаторе по фиг.1 и 2 могут быть обеспечены как использованием конденсаторов, включенных в делительные цепи между выводами коммутационных элементов, так и за счет выбора соответствующей формы, размеров и взаимного расположения выводов смежных пороговых коммутационных элементов, например электродов разрядников.
Ниже описана работа многоэлементного коммутатора по фиг.1 с четным количеством пороговых коммутационных элементов в виде разрядников, со следующими параметрами: Сд равно 100 пФ, Сдд равно 200 пФ, Ст равно 1 пФ, Ск равно 5 пФ, Z1 равно 1000 Ом, Z2 равно нулю, входное сопротивление схемы коммутатора равно 25 Ом, Zн равно нулю (замыкающий коммутатор). Исходное коммутируемое напряжение на коммутаторе - 500 кВ, амплитуда запускающего импульса - 25 кВ, длительность импульса запуска - 5 нсек.
При подаче на входные клеммы 3, 4 коммутатора исходного (коммутируемого) напряжения, недостаточного для пробоя разрядных промежутков, происходит заряд цепи из основных емкостных пассивных элементов (емкостей) С1, С2, С3, С4, С5, С6, С7, С8, С9 и дополнительных емкостных пассивных элементов (емкостей) С10, С11. Схема коммутатора приходит в исходное состояние, при котором делительные цепи из указанных емкостей обеспечивают равномерное распределение исходного напряжения по пороговым коммутационным элементам (здесь - разрядникам P1÷Р10). То есть на каждом коммутационном элементе в исходном состоянии действует напряжение, в N раз меньшее исходного напряжения, где N - число последовательно соединенных коммутационных элементов в коммутаторе. При этом каждая из основных емкостей С1÷С9 оказывается заряженной до напряжения, в N/2 меньшего исходного напряжения приложенного к клеммам 3, 4 коммутатора, то есть в два раза большего, напряжения, действующего на каждом из коммутационных элементов. Каждая из дополнительных емкостей С10 и С11 заряжается до напряжения, равного напряжению, действующему на каждом из коммутационных элементов, так как величина каждой из них в два раза больше величины каждой из основных емкостей С1÷С9.
Величина напряжения, действующего на каждом из пороговых коммутационных элементов в указанном исходном состоянии, выбрана такой, чтобы не происходило пробоя разрядных промежутков разрядников Р1÷Р10.
При подаче на клемму 8 запускающего импульса с амплитудой, достаточной для повышения напряжения на разряднике Р1 до величины пробоя его разрядного промежутка, разрядник Р1 замыкается, вследствие чего к разряднику Р2 оказывается приложено напряжение основной емкости С1 первой делительной цепи, равное удвоенному напряжению, ранее приложенному к этому разряднику, и разрядник Р2 тоже замыкается. При замыкании разрядника Р2 к разряднику Р3 прикладывается удвоенное напряжение основной емкости С6 второй делительной цепи, равное удвоенному напряжению, ранее приложенному к этому разряднику, так что и разрядник Р3 замыкается. Аналогичный процесс происходит далее со всеми разрядниками, по коммутатору распространяется волна коммутации, пока не замкнется последний из разрядников Р10. Коммутатор замкнут. Таким образом, в процессе коммутации даже без учета перераспределения коммутируемого напряжения между емкостями делительных цепей, сопрягаемыми с незамкнутыми ключевыми элементами, происходит двукратное увеличение напряжения, приложенного к замыкаемому промежутку коммутационного элемента, что обеспечивает быстрый процесс коммутации отдельных коммутационных элементов и коммутатора в целом. Размыкание коммутатора происходит после прекращения коммутируемого тока.
Коммутатор с пороговыми коммутационными элементами в виде динисторов (фиг.2), в котором на клемму 3 исходно подано коммутируемое напряжение, после подачи на клемму 8 импульса запуска работает аналогично коммутатору по фиг.1 за исключением того, что в качестве пороговых коммутационных элементов работают динисторы Д1÷Д9. Динисторы (как разрядники и реверсивные диоды) включаются при достижении на них напряжения, превышающего напряжение порога включения, и выключаются (восстанавливаются) после прекращения коммутируемого тока. При запуске быстроионизируемых динисторных и реверсивно-диодных коммутаторов требуется обеспечить необходимую скорость роста напряжения (более 1 кВ/нс на одну полупроводниковую структуру) на включаемом коммутационном элементе (Грехов И.В., Кардо-Сысоев А.Ф., Костина Л.С., Шендерей С.В. // ЖТФ, 1981, т.51, в.11, с.1709-1711).