ИМПУЛЬСНЫЙ ТВЕРДОТЕЛЬНЫЙ МОДУЛЯТОР
PULSE SOLID MODULATOR

Изобретение относится к области высоковольтной импульсной техники и может быть использовано в радиолокационных станциях для питания СВЧ-генераторов передатчиков, для питания мощных лазеров, ускорителей заряженных частиц, а также устройств дезинфекции жидких пищевых продуктов и т.п. Предлагаемое устройство позволяет реализовать конструкцию модульного типа, обеспечивающую наращиваемость по основному электрическому параметру - импульсному напряжению. Дополнительно устройство обеспечивает защиту полевых транзисторов, используемых в качестве ключей, от ионизирующего излучения.
В настоящее время в различных областях техники широко используются приборы и устройства, требующие для функционирования применения высоких импульсных напряжений в различных диапазонах значений, от единиц киловольт до нескольких сотен киловольт, и различных длительностей импульсов. Это ускорители заряженных частиц, мощные микроволновые генераторы, импульсные лазеры, медицинские установки и пр.
Со времен Второй Мировой войны вплоть до настоящего времени для целей формирования высоковольтных импульсов напряжения длительностью от десятых долей микросекунды до нескольких миллисекунд широко применяются импульсные модуляторы на основе формирующей линии и не выключаемого коммутатора - тиратрона или тиристора [1, с.353].
З
На фиг.1. представлена упрощенная электрическая схема такого модулятора [1]. Модулятор работает следующим образом. Зарядка формирующей линии ФЛ происходит через зарядную индуктивность L и носит колебательный характер. Поэтому максимальное напряжение, до которого заряжается линия, примерно вдвое превышает напряжение источника питания Е
лин
U≈2Е.
1
З
1
Г
З
Это напряжение до прихода управляющего импульса на сетку тиратрона Л благодаря наличию зарядного диода Д поддерживается практически постоянным. Поступающий на сетку тиратрона Л управляющий импульс открывает тиратрон, и линия начинает разряжаться через тиратрон и первичную обмотку импульсного трансформатора ИТ. Через вторичную обмотку трансформатора и нагрузку R также потечет импульсный ток, повторяющий форму тока в первичной обмотке. Во время протекания импульса тока зарядная индуктивность L предохраняет источник питания от практически короткого замыкания через тиратрон.
З
С
С
Длительность импульса в таком модуляторе определяется только параметрами формирующей линии. После того как волна разряда формирующей линии достигнет ее разомкнутого с правой стороны конца, она разрядит линию до напряжения, равного половине первоначального. После отражения волны разряда от конца, ее распространение в обратном направлении приведет практически к полному разряду линии. При достижении волной точки подключения тиратрона напряжение на тиратроне упадет почти до нуля, газовый разряд в нем погаснет, и ток через него прекратится. На этом импульс закончится и начнется очередной заряд формирующей линии. Зарядная индуктивность L должна быть такой, чтобы формирующая линия успела зарядиться до максимального напряжения ко времени прихода очередного управляющего импульса. Источник отрицательного смещения Е с резистором R необходимы для поддержания тиратрона в закрытом состоянии до прихода импульса на его сетку.
Такой модулятор, называемый также модулятором с полным разрядом накопителя, характеризуется следующими недостатками.
1. Схема практически не позволяет регулировать длительность импульсов [3].
2. Используемые в качестве электронных ключей тиратроны обычно характеризуются небольшим сроком службы (порядка единиц тысяч часов).
3. Практически все элементы схемы, включая формирующую линию, являются высоковольтными, что обусловливает значительные габариты всего устройства и снижает его общую надежность.
4. Если нагрузкой тфансформатора является электровакуумный СВЧ-прибор, например магнетрон, то при возникновении электрического пробоя в нем (во время импульса) остановить процесс разряда линии не представляется возможным, что может привести к необратимому изменению параметров магнетрона или тиратрона, вплоть до их разрушения [4].
1
1
з
з
1
1
Р
P
2
P
1
1
Р
1
С
С
С
”
'
Определенные возможности по управлению длительностью импульса обеспечивает другая схема модулятора [1, с.341]. Схема с так называемым частичным разрядом накопителя (фиг.2). В этом модуляторе вместо тиратрона в качестве ключа используется мощная импульсная электронная лампа Л, а в качестве накопителя энергии - высоковольтный конденсатор С. Конденсатор С до прихода импульса на сетку лампы Л заряжается током i через резисторы R и R от источника высокого постоянного напряжения Е. С приходом положительного импульса на сетку лампы Л она открывается и через нее начинает протекать ток разряда конденсатора i. Большая часть этого тока i  протекает через СВЧ-генератор Л, и незначительная часть i - через резистор R. Когда импульс на сетке лампы Л заканчивается - она, в отличие от тиратрона, закрывается и протекание тока i и его составляющих прекращается. Величина конденсатора С выбирается таким образом, чтобы за время действия импульса он разряжался на небольшую величину (порядка 10% от исходного заряда). Его заряд затем восполняется от источника напряжения Е в паузе между импульсами. Отрицательное напряжение, подаваемое на сетку лампы Л через резистор R от отдельного источника - Е с фильтрующим конденсатором С, обеспечивает исходное закрытое состояние лампы.
Таким образом, за счет того, что электронная лампа является выключаемым коммутатором, схема позволяет управлять длительностью существования выходного напряжения за счет изменения длительности управляющего импульса τ на ее сетке.
Однако модулятору с частичным разрядом накопителя и электронной лампой в качестве коммутатора также свойственны недостатки, приведенные в п.п.2 и 3 описания модулятора с полным разрядом накопителя.
В другом варианте модулятора [2] используется электрическая схема, в которой роль высоковольтных ключей играют два набора из множества последовательно включенных низковольтных твердотельных коммутаторов, например IGBT или полевых транзисторов. Один из наборов обеспечивает подачу на нагрузку импульса высокого напряжения от источника питания, а другой, после окончания импульса, обеспечивает быстрое снижение напряжения на нагрузке до необходимого, близкого к нулю, минимального значения.
Упрощенная схема такого модулятора представлена на фиг.3 [3]. На этой схеме под номером 1 изображен высоковольтный источник постоянного напряжения PS, под номером 2 - первый набор низковольтных ключей S, обеспечивающий подачу высокого напряжения на нагрузку R, обозначенную номером 4, и под номером 3 второй набор ключей S, включенное состояние которых снижает напряжение на нагрузке после окончания импульса напряжения.
Все ключи из одного набора 2 управляются одним и тем же импульсом, и должны быть включены (замкнуты) во время действия импульса. Ключи из набора 3 во время импульса напротив должны быть выключены (разомкнуты), а замкнуты сразу же после окончания импульса.
Такое техническое решение позволяет подачей соответствующих импульсов управлять длительностью импульсов на нагрузке в широком диапазоне значений. Кроме этого данный модулятор не требует применения импульсного трансформатора, что упрощает устройство и снижает его массу. Дополнительно схема управления ключами может быть легко построена таким образом, чтобы при наличии пробоя в нагрузке обеспечивать быстрое электронно управляемое размыкание ключей из набора 2, чем ограничивать общую энергию пробоя.
Несмотря на имеющиеся преимущества, рассмотренная схема построения модулятора характеризуется и несколькими недостатками.
1. Выход даже одного ключа из строя, как правило, лишает работоспособности все устройство.
2. Практически все ключи из набора 2 и верхняя часть ключей из набора 3 должны быть снабжены высоковольтной изоляцией, что увеличивает габариты устройства и снижает его надежность.
3. Схемы управления для всех ключей должны быть изолированными от общего заземляющего проводника, и для части ключей при смене состояния "открыт-закрыт" паразитная (монтажная) емкость всего ключа и схемы управления должна заряжаться или разряжаться до противоположного значения (для ключей с правой стороны набора 2 - от нуля до напряжения источника питания PS и наоборот). Это обстоятельство должно приводить к увеличению длительности фронтов импульса напряжения.
Наиболее близким к заявляемому техническому решению можно считать импульсный твердотельный модулятор [3], содержащий импульсный трансформатор с магнитным сердечником из нескольких одинаковых элементов с замкнутыми магнитопроводами, каждый элемент магнитного сердечника снабжен по крайней мере одной первичной обмоткой, охватывающей только этот элемент, трансформатор снабжен, по крайней мере, одной вторичной обмоткой, охватывающей все элементы магнитного сердечника, все первичные обмотки одним выводом подключены к общему заземленному проводнику, а вторым - каждая независимо от других к отдельному формирователю импульсов, который включает в себя электронный твердотельный ключ, например полевой транзистор с изолированным затвором, подключенный к накопительному конденсатору, соединенному с источником постоянного напряжения, управляющие электроды всех ключей соединены с выходом задающего генератора импульсов, вторичная обмотка своими выводами подключена к нагрузке, все элементы магнитного сердечника собраны в пакет, плоскостями параллельно друг другу с совпадением расположения окон в магнитопроводах, а вторичная обмотка располагается в центрах окон магнитопроводов.
Предлагаемая конструкция модулятора отличается от прототипа тем, что практически все компоненты электрической схемы модулятора, а именно компоненты формирователей импульсов размещаются во внутренней полости элементов магнитного сердечника, что позволяет существенно снизить общие габаритные размеры устройства. Дополнительно предлагаемое техническое решение обеспечивает определенный уровень защиты полупроводниковых элементов схем формирователей импульсов, чувствительных к внешнему ионизирующему излучению, от такого излучения. Эффект защиты достигается размещением элементов схемы во внутренней области, массивного магнитного сердечника, выполненного, как правило, из сплавов или окислов железа, никеля или кобальта.
Еще одним признаком, отличающим предлагаемое решение от прототипа, является следующее. В прототипе установлена одна специальная восстановительная вторичная обмотка, обеспечивающая возвращение рабочей точки по характеристике намагничивания магнитного сердечника в исходное положение после возбуждения импульсного магнитного потока одного направления (выходные импульсы модулятора - однополярные). По этой обмотке пропускается постоянный ток противоположного импульсному току направления, и она охватывает все элементы магнитного сердечника.
В прелагаемом модуляторе таких обмоток несколько - по одной на каждый элемент магнитного сердечника. При этом каждая из этих вторичных обмоток охватывает только один элемент магнитного сердечника, расположенный в данном модуле. Положительный технический эффект от такого решения состоит в том, что при работе модулятора с достаточно короткими (порядка сотен наносекунд) импульсами, количество витков в первичных обмотках может оказаться достаточно низким, вплоть до одного витка (см. прототип). В прототипе возбуждаемое в рассматриваемой вторичной обмотке импульсное напряжение будет в К раз больше, чем в первичных обмотках, где К - число элементов магнитного сердечника в модуляторе. Высокое импульсное напряжение в восстановительной обмотке может привести к пробою диодов питающего обмотку выпрямителя. В прототипе поступление высокого напряжения на выпрямитель блокируется последовательно включенным дросселем. Установка восстановительных обмоток по одной в каждый элемент магнитного сердечника обеспечивает более низкий уровень напряжения, возникающего в них (не более чем в основных первичных обмотках), и позволяет обойтись без массивного высоковольтного дросселя.
Схематическое изображение конструкции заявляемого модулятора представлено на фиг.4. На чертеже изображен фрагмент модулятора, состоящий из двух модулей А и Б. Цифрами обозначены: 1 - элементы магнитного сердечника (показаны разрезанными пополам вдоль оси симметрии для отображения внутреннего объема); 2 - элементы электрической схемы формирователя импульсов; 3 - печатные платы; 4 - проводник вторичной обмотки.
На фиг.5 показано схематическое расположение обмоток, состоящих каждая из одного витка на двух элементах магнитного сердечника А и Б, входящих в разные модули. Цифрами обозначены: 1 - выводы первичной обмотки модуля А; 2 - выводы восстанавливающей обмотки модуля А; 3 - выводы первичной обмотки модуля Б; 4 - выводы восстанавливающей обмотки модуля Б; 5 - выводы вторичной обмотки.
B
Устройство работает следующим образом. Каждая из первичных обмоток питается своим формирователем импульсов. Токи в первичных обмотках всех модулей имеют одно и то же направление (показано на фиг.5 стрелками). Все формирователи импульсов управляются от одного задающего генератора импульсов, и поэтому токи в первичных обмотках совпадают во времени. Возбуждаемые первичными обмотками в элементах магнитного сердечника магнитные потоки для вторичной обмотки складываются. Поэтому импульсное напряжение на выводах вторичной обмотки U составит величину, равную
B
B
П
U=K*N/N,
B
П
где К - число модулей в модуляторе (все модули одинаковые), N - число витков во вторичной обмотке, N - число витков в первичной обмотке одного модуля.
Все восстанавливающие обмотки питаются от источника постоянного напряжения. Токи в этих обмотках также имеют одно и тоже направление во всех модулях, но это направление противоположно направлению токов в первичных обмотках. Это обеспечивает возвращение рабочей точки магнитного сердечника в исходное положение после прохождения импульса.
Таким образом, предлагаемый импульсный твердотельный модулятор характеризуется следующими преимуществами по сравнению с прототипом.
1. Реализует универсальную конструкцию, обеспечивающую возможность создания параметрического ряда устройств на различные рабочие напряжения на базе одних и тех же модулей.
2. Обеспечивает защиту активных элементов схемы от ионизирующего излучения за счет функциональных узлов конструкции без использования дополнительных деталей.
3. Обеспечивает функционирование практически всех элементов схемы модулятора, за исключением вторичной обмотки, при сравнительно низких напряжениях, что позволяет снизить размеры и массу устройства, а также повысить его надежность.
Литература
1. Вамберский М.В. и др. Передающие устройства СВЧ: Учебное пособие для радиотехнич. спец. вузов. /Вамберский М.В., Казанцев В.И., Шелухин С.А.; под ред. М.В.Вамберского. - М.: Высш. шк., 1984.
2. High-Power Modulator. US Patent 1995/ 5444610.
3. Power Modulator. US Patent 1999/ 5905646.