Генератор импульсов возбуждения
EXCITATION PULSE GENERATOR

Изобретение относится к области квантовой электроники и может быть использовано для накачки лазеров и усилителей яркости на самоограниченных переходах атомов металлов.
Существует генератор импульсов возбуждения для лазеров на самоограниченных переходах атомов металлов [Патент RU 2672180 C1, МПК H01S 3/0975 от 08.12.2017. Торгаев С.Н. и др. ИОА СО РАН]. Отличительной особенностью устройства является использование гибридного высоковольтного коммутатора, представляющего собой комбинацию электровакуумной лампы, включенной по схеме с общей сеткой, и полупроводникового ключа, включенного в катодный контур между катодом лампы и общим проводом. Технический результат заключается в возможности увеличения частоты следования импульсов (ЧСИ) возбуждения лазеров, а также осуществления частичного разряда накопительной емкости. К недостаткам такого устройства следует отнести большие массогабаритные параметры модуляторной лампы, низкий срок службы по сравнению с полупроводниковыми коммутаторами, а также необходимость применения цепей накала для модуляторной лампы, что снижает эффективность генератора.
Известна работа [С. И. Мошкунов, В. Ю. Хомич, В. А. Ямщиков, Квантовая электроника, 2011, том 41, номер 4, 366–369], где накачка ArF-лазера осуществляется полностью твердотельным генератором высоковольтных импульсов. Авторы используют полупроводниковые коммутаторы для увеличения ресурса и обеспечения высокой стабильности параметров импульсов напряжения. Отличительной особенностью данного устройства является отсутствие высоковольтного трансформатора - это обусловлено тем, что авторами был реализован высоковольтный твердотельный коммутатор (ВТК), состоящий из 32 биполярных транзисторов с изолированным затвором (IGBT). Кроме того, за счет неполного разряда накопительной емкости в схеме возникает удвоение напряжения. При потребляемой мощности в 2,5 кВт генератор формирует импульсы напряжения с амплитудой 20-27 кВ, однако ЧСИ при этом составляет единицы кГц, что делает данное устройство непригодным для возбуждения лазеров с частотой следования импульсов до 100 кГц. Ограничения по максимальной частоте, с одной стороны, связаны с системой магнитного сжатия, которая установлена на выходе генератора для обострения фронта импульса возбуждения. С другой стороны, при увеличении ЧСИ неизбежно растет потребляемая источником мощность, что предполагается увеличение числа транзисторов ВТК, что в свою очередь приводит к росту стоимости генератора и его массогабаритных параметров. Таким образом, невозможность работы в широком частотном диапазоне, а также наличие цепей магнитной компрессии, являются главными недостатками данного устройства.
В работе [Solid-State LTD Module Using Power MOSFETs] представлено устройство для формирования импульсов высокой мощности, выполненное на базе MOSFET транзисторов. Устройство содержит 24 однотипных модуля (блока). Каждый модуль содержит накопительный конденсатор, полупроводниковый коммутатор и драйвер для его управления. Емкость конденсатора составляет 0,1 мкФ, а предельно-допустимое напряжение – 1,25 кВ. В качестве коммутатора используется транзистор 2SK2611 c максимальным напряжением 900 В и максимальным импульсным током 27 А. В качестве драйвера выбран MAX4429. Авторы подчеркивают, что выбор элементной базы был обусловлен требуемыми техническими характеристиками и доступностью. Модули (блоки) объединялись между собой параллельно и располагались вокруг магнитного сердечника, образуя замкнутый контур. Задержка между формированием импульса управления и формированием высоковольтного импульса составляет 180 нс. Временное рассогласование импульсов различных модулей (блоков) составляет 5 нс. При работе устройства в импульсно-периодическом режиме с ЧСИ 500 Гц амплитуда формирующегося импульса достигает 700 В. Недостатком такого устройства является относительная низкая амплитуда импульсов напряжения и тока, низкая частота их следования (менее 1 кГц). Это делает непригодным использование такого устройства для возбуждения лазеров и усилителей яркости на самоограниченных переходах атомов металлов.
Известна схема генератора импульсов возбуждения лазеров на парах металлов, выбранный в качестве прототипа, [Патент RU 14752 U1], содержащая выпрямитель, фильтр, последовательно подключенную к ним зарядную индуктивность и n повторяющихся модулей, каждый из которых состоит из зарядного диода, накопительного конденсатора и коммутатора, а также трансформатора. В качестве коммутаторов используются транзисторы, поскольку они обладают более высоким сроком службы и меньшими массогабаритными параметрами по сравнению с газоразрядными коммутаторами. Благодаря диодно-резонансному заряду накопительные емкости заряжаются до двойного напряжения, а разряжаются при переключении транзисторов, которой инициируется схемой запуска. Вторичные обмотки трансформаторов соединены последовательно между собой, что обеспечивает увеличение амплитуды напряжения импульсов возбуждения. Недостатками предложенного решения являются высокие паразитные индуктивности первичной и вторичной обмоток трансформатора, ограниченная скорость нарастания импульсов тока и напряжения, обусловленные его конструктивными особенностями. Коммутационные параметры (скорость нарастания тока и напряжения на нагрузке), а также частотный диапазон устройства ограничиваются параметрами отдельного транзистора, что не позволяет получить высокую скорость нарастания тока на нагрузке, а также повысить частоту коммутации более 30 кГц.
Задачей изобретения является повышение частоты следования импульсов возбуждения лазеров и усилителей яркости на самоограниченных переходах атомов металлов, работающих в стационарном импульсно-периодическом режиме, до 100 кГц при использовании полупроводниковых коммутаторов.
Технический результат заключается в обеспечении формирования импульсов накачки лазеров и усилителей яркости на самоограниченных переходах атомов металлов, работающих в стационарном импульсно-периодическом режиме, с частотой следования до 100 кГц без применения газонаполненных и электровакуумных коммутаторов.
Технический результат достигается за счет модификации модульной структуры выбранного прототипа, принципиально отличающегося конструктива импульсного повышающего трансформатора.
Сущность изобретения заключается в том, что генератор импульсов накачки содержит цифровую схему управления, сетевой фильтр, выпрямитель, преобразователь постоянного напряжения, зарядный контур, полупроводниковый коммутатор из n повторяющихся модулей и импульсный повышающий трансформатор с системой водяного охлаждения, формирующий импульсы накачки лазеров и усилителей яркости на самоограниченных переходах атомов металлов, работающих в стационарном импульсно-периодическом режиме, с частотой следования до 100 кГц без применения газонаполненных и электровакуумных коммутаторов.
Генератор импульсов возбуждения лазеров и усилителей яркости на самоограниченных переходах атомов металлов (фиг.1) содержит сетевой фильтр (1), выпрямитель (2), преобразователь постоянного напряжения (3), зарядный контур (4), подключенный к ней коммутатор (5), цифровую систему управления (6) и импульсный повышающий трансформатор (7) с системой водяного охлаждения.
Коммутатор (5) состоит из n повторяющихся модулей (5.1, 5.2 … 5n), каждый из которых содержит по одному накопительному конденсатору с номинальной емкостью22 нФ и предельно-допустимым напряжением 1000 В. Одним выводом конденсатор подключен к катоду зарядного диода, а другим через низкоомное сопротивление (75 мОм) подходит к земляной шине. Также к катоду зарядного диода подключен сток транзистора с изолированным затвором – оба полупроводниковых прибора крепятся к первичной обмотке импульсного повышающего трансформатора (7) изолированным болтовым соединением через фланцы. Все модули (5.1, 5.2 … 5n) соединены между собой параллельно: катоды зарядных диодов и стоки всех транзисторов подключаются к общей шине; истоки транзисторов подключены к земляной шине. Для всех модулей (5.1, 5.2 … 5n) система управления (6) формирует общий импульс запуска, поступающий на независимый драйвер каждого из n-модулей. Это обеспечивает гальваническую развязку между затворами транзисторов, что способствует уменьшению влияния их паразитных параметров.
Трансформатор (7) выполнен на тороидальном ферритовом сердечнике. Первичная обмотка трансформатора (7) имеет один виток и выполнена из листовой меди, плотно покрывающей сердечник по всему периметру с целью обеспечения максимальной равномерности распределения поля магнитной индукции сердечника и уменьшения паразитной индуктивности. Транзисторы и зарядные диоды крепятся непосредственно к первичной обмотке через фланцы, чтобы уменьшить индуктивность разрядного контура. Вторичная обмотка выполнена из медной фольги, равномерно распределена по периметру сердечника для минимизации паразитных параметров. Вторичная обмотка содержит 20 витков – таким образом, коэффициент трансформации составил 20. Вторичная обмотка подключается через цепь последовательно соединенных SiC-диодов к нагрузке, в качестве которой использовалась газоразрядная трубка (ГРТ) с длиной активной зоны 20 см и диаметром 1 см.
Генератор работает следующим образом. Пример работы генератора при п=10.
На вход генератора поступает сетевое напряжение, которое фильтруется (1), выпрямляется (2) и прикладывается к преобразователю постоянного напряжения (3). Уровень выходного напряжения преобразователя (3) регулируется в диапазоне (0÷130) В. К выходу преобразователя (3) подключен зарядный контур (4), содержащий диоды и индуктивность. Через этот контур заряжаются накопительные конденсаторы модулей (5.1, 5.2 … 5.n). Наличие в зарядном контуре индуктивности, диодов и конденсаторов обеспечивает резонансный заряд, вследствие чего каждый из накопительных конденсаторов модулей (5.1, 5.2 … 5.n) заряжается до двойного напряжения. По завершению заряда конденсаторов цифровая система управления (6) формирует запускающий импульс, который поступает на драйверы модулей (5.1, 5.2 … 5.n). Амплитуда импульсов, поступающих на затворы транзисторов, составляет 18 В, в отсутствие же запускающего импульса к затворам приложено отрицательное напряжение смещения -7 В. Эффективность (КПД, коммутационные характеристики, предельная ЧСИ) генератора импульсов возбуждения во многом определяется быстродействием коммутаторов, их синхронного переключения, а также частотой переключения, поэтому в качестве транзисторов были выбраны IRZ60R037P7, а в качестве их драйверов – ультрабыстрые IXDD609. Таким образом, запускающие импульсы с длительностью фронта 10 нс и общей длительностью 40 нс достигают затворы транзисторов с точностью не хуже, чем 2 нс, относительно друг друга. Это обеспечивает одновременную коммутацию транзисторов всех модулей (5.1, 5.2 … 5.n), вследствие чего накопительные конденсаторы разряжаются через первичную обмотку импульсного повышающего трансформатора (7), что приводит к формированию импульса во вторичной обмотке и далее на нагрузке. Время фронта импульса возбуждения при работе на нагрузке не превышает 75 нс. Применение выбранной элементной базы и новой конструкции позволило сформировать импульсы накачки с максимальной ЧСИ 100 кГц.
Изобретение содержит 10 модулей (5.1, 5.2 … 5.10). Предельно-допустимая мощность потребления генератора составила 400 Вт – зарядное напряжение при этом составило 130 В без удвоения, и 260 В при резонансе. Таким образом, амплитуда импульса возбуждения во вторичной обмотке трансформатора достигает 5,2 кВ на холостом ходу. При возбуждении активного элемента, лазера на самоограниченных переходах атомов металлов, амплитуда составляет порядка 3,2 кВ. ЧСИ при этом составила 100 кГц, мощность генерации - 0,7 Вт.