Генератор импульсов для возбуждения активных сред на самоограниченных переходах атомов металлов
PULSE GENERATOR FOR EXCITATION OF ACTIVE MEDIA ON SELF-TERMINATING TRANSITIONS OF METAL ATOMS

Устройство относится к приборам квантовой электроники, а именно – к источникам возбуждения импульсных лазеров и усилителей яркости на переходах атомов металлов. Генератор импульсов формирует высоковольтные импульсы для возбуждения активных сред данного типа. Применение такого устройства целесообразно для высокочастотных лазерных систем, например, в скоростных системах визуализации, высокочастотных системах дистанционного мониторинга, а также в системах микрообработки материалов.
Известно устройство - 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]. Устройство отличается использованием гибридного высоковольтного коммутатора, представляющего собой комбинацию электровакуумной лампы, включённой по схеме с общей сеткой, и полупроводникового ключа, расположенного в катодном контуре между катодом лампы и общим проводом. Технический результат заключается в обеспечении возможности увеличения частоты следования импульсов возбуждения лазеров, а также в осуществлении частичного разряда накопительной емкости. Устройство имеет ряд недостатков, обусловленных использованием модуляторной лампы. Среди основных отмечаются: ограниченный срок службы модуляторной лампы в сравнении с полупроводниковыми элементами, необходимость мощных источников накала и управления модуляторной лампой.
В работе [С. И. Мошкунов, В. Ю. Хомич, В. А. Ямщиков, Квантовая электроника, 2011, том 41, номер 4, 366–369] представлен высоковольтный твердотельный коммутатор, реализованный путём последовательного соединения 32 IGBT транзисторов, для накачки ArF лазера. Особенность устройства заключается в отсутствии промежуточного повышающего трансформатора. Питание устройства осуществляется от высоковольтного источника постоянного напряжения. Кроме того, в схеме происходит удвоение напряжения за счёт неполного разряда накопительной ёмкости. Авторы описывают надёжную работу устройства при потребляемой мощности 2,5 кВт, амплитуде импульсов напряжения 20-27 кВ и частоте следования импульсов до 2 кГц. Ключевым недостатком устройства является низкая частота следования импульсов (2 кГц), обусловленная наличием цепей магнитной компрессии, необходимых для сжатия импульса.
Известна работа [W. Jiang., “Review of solid-state linear transformer driver technology,” Matter Radiat. Extrem., vol. 3, pp. 159–164, 2018.] в которой произведён подробный обзор развития LTD генераторов на основе твердотельных элементов. Устройство, описанное в работе, представляет собой набор базовых модулей, включающих в себя конденсатор GRM55DR73A 1 кВ 100 нФ и транзистор IXYS IXFT6N100F, а также вспомогательные элементы. Работа представленного устройства была исследована при формировании высоковольтных импульсов на активную нагрузку 120 Ом. Выходное напряжение при этом составило 29 кВ при 1 кВ входного. Недостатком предложенного решения является большое количество ключевых элементов – 720 штук, а также низкая частота повторения импульсов, которая не превышает 1 кГц.
В качестве прототипа была выбрана известная схема генератора импульсов возбуждения [Патент RU 2 716 289 C1 Генератор импульсов возбуждения], содержащая цифровую схему управления, выпрямитель, преобразователь постоянного напряжения, зарядный контур, полупроводниковый коммутатор, состоящий из повторяющихся типовых ячеек и повышающий трансформатор. В качестве коммутаторов используются MOSFET-транзисторы, обладающие высоким быстродействием. Заряд емкостных накопителей осуществляется от источника постоянного напряжения, причём за счёт зарядного контура обеспечивается диодно-резонансный заряд накопительных емкостей до двойного питающего напряжения. В работе применена особая конструкция повышающего трансформатора, минимизирующая его паразитные параметры. Недостатками устройства является ограниченная максимальная рабочая частота (100 кГц), относительно сложная система управления затворами транзисторов, требующая согласования длины управляющих проводов, для достижения синхронного срабатывания ключей, а также то, что функции заряда и разряда накопительных емкостей не разделены во времени, что может вызвать нестабильную работу устройства.
Задачей изобретения является формирование высоковольтных импульсов напряжения для высокочастотного возбуждения активных элементов на самоограниченных переходах атомов металлов, работающих в импульсно-периодическом режиме, с частотой до 200 кГц без применения газонаполненных или газоразрядных коммутаторов.
Технический результат заключается в формировании импульсов возбуждения активных элементов на самоограниченных переходах атомов металлов, работающих в импульсно-периодическом режиме с частотами до 200 кГц, при использовании полупроводниковых приборов, импульсы управления которыми формируются с временным рассогласованием не более 2 нс.
Технический результат достигается за счёт использования специально разработанной системы управления, управления цепью заряда с помощью зарядного коммутатора, а также системы формирования импульсов управления транзисторами, реализованной с использованием трансформатора с n первичными обмотками, соединёнными параллельно и n вторичными обмотками. Количество обмоток равно числу используемых транзисторов. Обмотки равномерно распределяются по периметру сердечника трансформатора для минимизации паразитных параметров.
Сущность изобретения заключается в том, что генератор импульсов возбуждения содержит, сетевой фильтр, выпрямитель, преобразователь постоянного напряжения, зарядный коммутатор, цифровую схему управления, трансформаторный драйвер, полупроводниковый коммутатор из n одинаковых модулей и импульсный повышающий трансформатор, формирующий высоковольтные импульсы для возбуждения активных элементов на самоограниченных переходах атомов металлов, работающих в импульсно-периодическом режиме на частотах до 200 кГц без применения газонаполненных и электровакуумных коммутаторов.
Генератор импульсов возбуждения активных элементов на переходах атомов металлов (фиг. 1) содержит сетевой фильтр (1), выпрямитель (2), регулируемый преобразователь постоянного напряжения (3), зарядный коммутатор (4), зарядный контур (5), полупроводниковый коммутатор (6), систему управления (7), трансформаторный драйвер (8) и импульсный повышающий трансформатор (9).
Преобразователь постоянного напряжения (3) выполнен по стандартной схеме понижающего преобразователя и формирует постоянное напряжение в диапазоне 0-200 В. Зарядный коммутатор (4) представляет собой ключевой элемент, который в включенном состоянии пропускает зарядный ток, обеспечивая заряд емкостный накопителей, а в выключенном состоянии ограничивает протекание зарядного тока. Зарядный контур (5) представляет собой последовательное соединение зарядного диода и дросселя для обеспечения диодно-резонансного заряда накопительных емкостей. В этом случае напряжение на накопительных емкостях в два раза превышает напряжение питания. Полупроводниковый коммутатор (6) выполнен путём параллельного соединения базовых модулей (6.1, …, 6n) каждый из которых включает в себя транзистор, накопительную емкость, а также цепь размагничивания (диод и резистор) для размагничивания сердечника в паузе между импульсами. Система управления (7) реализована на основе микроконтроллера STM32F1 с встроенным программным обеспечением, а трансформаторный драйвер (8) представляет собой трансформатор с параллельно соединёнными n первичными и n вторичными одинаковыми обмотками, что обеспечивает идентичные гальванически развязанные импульсы с минимальной задержкой на затворах силовых ключей коммутатора.
Повышающий трансформатор (9) как и в случае [Патент RU 2716289 C1] выполнен на двух ферритовых сердечников из материала n87. Первичная обмотка представляет собой лист медной фольги, плотно обёрнутой вокруг двух сердечников, для обеспечения максимально равномерного распределения поля магнитной индукции сердечника и уменьшения паразитной индуктивности. Вторичная обмотка – параллельное соединение 6 секций по 20 витков расположенных симметрично, для уменьшения паразитной емкости обмотки. Для электроизоляции первичной обмотки от вторичной используется кварцевая трубка подходящего диаметра толщиной 4 мм. Выводы первичной обмотки трансформатора расположены в нижней части и крепятся непосредственно на плату полупроводникового коммутатора (6). Выводы вторичной обмотки расположены в верхней части и подключаются к нагрузке (газоразрядной трубке (ГРТ)) через цепь десяти последовательно соединённых карбид-кремниевых диодов.
U
U
пит
пит
Принцип работы генератора следующий. В исходном состоянии все накопительные емкости полупроводникового коммутатора (6) разряжены, транзисторы закрыты. Сетевое напряжение поступает на сетевой фильтр (1) для фильтрация электромагнитных помех, затем выпрямляется выпрямителем (2) и поступает на вход регулируемого преобразователя постоянного напряжения (3). Преобразователь формирует на выходе постоянное напряжение . Цифровая система управления (7) формирует отпирающий импульс для зарядного коммутатора (4). В качестве зарядного коммутатора выбран MOSFET транзистор IPW60R037P7 исходя из требований высокой частоты работы устройства. Длительность отпирающего импульса для зарядного коммутатора определяется исходя из параметров зарядного контура (5) и суммарной емкости накопительных емкостей полупроводникового коммутатора (6). Зарядный контур (5) представляет собой последовательное соединение ультрабыстрого диода HFA15PB60 и зарядного дросселя. Благодаря диодно-резонансному заряду, накопительные емкости базовых модулей (6.1, …, 6n) полупроводникового коммутатора (6) заряжаются до напряжения практически равного 2. В качестве накопительных емкостей используются керамические SMD конденсаторы емкостью 6,6 нФ в каждом модуле. В качестве ключей полупроводникового коммутатора использованы высокоскоростные MOSFET транзисторы IPZA60R037P7. После полного заряда накопительных емкостей, регулируемый источник постоянного напряжения (3) отключается с помощью зарядного коммутатора (4) от зарядного контур (5), а цифровая система управления (7) формирует импульс управления для открытия силовых ключей в полупроводниковом коммутаторе (6). Импульс поступает на первичную обмотку трансформаторного драйвера (8), вторичные обмотки которого подключены к затворам силовых транзисторов полупроводникового коммутатора (6). Реализованный драйвер обеспечивает импульс напряжения с амплитудой 12 В на затворах всех транзисторов полупроводникового коммутатора (6. Использование трансформаторного драйвера обеспечивает максимальное рассогласование коммутации транзисторов не более 2 нс. Далее транзисторы полупроводникового коммутатора (6) открываются и напряжение накопительных емкостей прикладывается к первичной обмотке повышающего трансформатора (9), в результате чего на вторичной обмотке формируется высоковольтный импульс напряжения, далее поступающий в нагрузку. После коммутации процессы повторяются.
Отключение регулируемого источника постоянного напряжения (3) после полного заряда накопительных емкостей с помощью зарядного коммутатора (4) и последующая коммутация полупроводникового коммутатора (6), а также использование трансформаторного драйвера (8) позволили формировать высоковольтные импульсы возбуждения активных элементов на самоограниченных переходах атомов металлов с частотой до 200 кГц.
Изобретение содержит 10 базовых модулей (6.1, …, 6.10). Потребляемая устройством мощность составляет 1 кВт в номинальном режиме. При этом напряжение питания равно 200 В, а напряжение, до которого заряжаются накопительные емкости ~400 В. Амплитуда напряжения на холостом ходу составляет ~8 кВ.