БЛОК ЭЛЕКТРОННЫХ КЛЮЧЕЙ ДЛЯ КОММУТАЦИИ ВЫСОКОГО НАПРЯЖЕНИЯ НА НАГРУЗКЕ
UNIT OF ELECTRONIC SWITCHES FOR SWITCHING HIGH VOLTAGE ON LOAD

Изобретение относится к импульсной технике, в частности к импульсным источникам электропитания и предназначено для подачи высоковольтных импульсов на анод или управляющий электрод с целью обеспечения снабжения электроэнергией клистронов, ускорителей частиц, магнетронов, ламп бегущей волны и подобных им устройств.
Известна полезная модель «Высоковольтный импульсный модулятор со стабилизацией амплитуды импульсов и электронный ключ для него (варианты)» (RU 63140, опубликовано 10.05.2007), в которой модулирующее устройство выполнено в виде последовательно соединенных блока ключей и схемы управления ключами, причем выход схемы управления ключами соединен с управляющим входом блока ключей, при этом силовой вход блока ключей является силовым входом модулирующего устройства, выход блока ключей является выходом высоковольтного импульсного модулятора, а вход схемы управления ключами является входом высоковольтного импульсного модулятора. Блок ключей выполнен в виде N электронных ключей на базе полевых или биполярных транзисторов с изолированным затвором, соединенных последовательно друг с другом или в виде 2N электронных ключей на базе полевых или биполярных транзисторов с изолированным затвором, соединенных последовательно друг с другом, причем середина последовательности транзисторов между стоком последнего ключа 1.N первой половины последовательности и истоком ключа 2.1 второй половины последовательности образует выход блока ключей, силовой вход ключа 2.N является силовым входом блока ключей, а силовой вход ключа 1.1 подсоединен к общей шине, при этом на управляющем входе модулятора установлен импульсный трансформатор, первичная обмотка которого соединена с управляющим входом модулятора, каждая вторичная обмотка, число которых равно 2N, включена между затвором и стоком первого транзистора своего электронного ключа, причем начала и концы вторичных обмоток, относящихся к ключам 1.1…1.N включены встречно началом и концам обмоток, относящихся к ключам 2.1…2.N. Даны варианты выполнения устройства и схема электронного ключа для него.
Электронный ключ содержит первый и второй транзисторы, первый диод, при этом анод первого диода соединен с истоком первого транзистора, причем исток второго транзистора является входом электронного ключа, а сток второго транзистора является выходом электронного ключа, в него дополнительно введены второй диод, третий диод, стабилитрон, первый и второй резисторы и конденсатор, при этом катод второго диода соединен со стоком первого транзистора, а анод второго диода соединен с катодом первого диода и с одним из выводов первого резистора, второй вывод которого соединен с затвором второго транзистора, с одним из выводов конденсатора и третьего диода, вторые выводы которых соединены с истоком второго транзистора, при этом второй резистор подключен между истоком второго транзистора и затвором первого транзистора, анод стабилитрона соединен с входом ключа, а катод с выходом ключа.
Недостатком данной полезной модели является неравномерное распределение напряжения, прикладываемого к блоку ключей, между отдельными ключами во время их размыкания. Причем к ключам, располагающимся ближе к выходу блока, прикладывается большее напряжение. На них появляются выбросы напряжения, что приводит к выходу из строя этих элементов.
Данная полезная модель является ближайшим аналогом предлагаемого изобретения, т.е. прототипом.
Задачей предлагаемого изобретения является выравнивание напряжений между отдельными ключевыми элементами блока ключей.
Техническим результатом изобретения является увеличение надежности блока электронных ключей за счет равномерного распределения напряжения, прикладываемого к блоку, между отдельными ключевыми элементами.
Данная задача решается созданием блока электронных ключей для коммутации высокого напряжения на нагрузке, содержащий N ключей на базе полевых или биполярных транзисторов с изолированным затвором (БТИЗ), соединенных последовательно друг с другом и помещенных в корпус, при этом вход блока электронных ключей подключен к высоковольтному источнику питания или к нагрузке, а выход подключен к нагрузке или ее низкопотенциальному выводу, отличающийся тем, что параллельно каждому электронному ключу между стоком и истоком полевых транзисторов или коллектором и эмиттером для БТИЗ каждого i-го транзистора включен компенсирующий конденсатор Скомп, при этом величина его емкости определяется следующим соотношением:
2
Скомп(i)=0,5·Смонт·(N-i+1/2)
где i - номер транзистора, изменяющийся от 1 до N, считая от высокопотенциального вывода нагрузки;
Скомп (i) - компенсирующая емкость i транзистора;
Смонт - паразитная монтажная емкость транзисторов на корпус;
N - количество ключевых элементов в блоке.
Известны импульсные модуляторы, построенные на основе высоковольтных ключей, состоящих из большого числа последовательно включенных силовых транзисторов, управляемых напряжением.
Как показывают расчеты и эксперименты, в таких модуляторах на транзисторах, располагающихся ближе к высокопотенциальному выводу нагрузки, во время размыкания появляются перенапряжения. Это обусловлено влиянием паразитной монтажной емкости отдельных транзисторов на корпус модулятора Смонт (см. фиг. 1), которая всегда присутствует в реальной схеме. Величина этой емкости зависит от конструкции модулятора и может быть рассчитана для конкретного случая, исходя из свойств изоляционных материалов, расстояния между транзистором (с учетом подключенных к его выводам элементов) и корпусом блока [Электричество и магнетизм. Матвеев А.Н. М.: Высш. школа, 1983. - 463 с.]. В частном случае, когда коммутирующий элемент прижат через изолятор к металлическому основанию, находящемуся под потенциалом корпуса блока, емкость может быть оценена по формуле:
0
Смонт=(S*ε*ε)/d,
где S - площадь поверхности коммутирующего элемента, прилегающей к изолятору;
ε - относительная диэлектрическая проницаемость материала изолятора;
0
ε - диэлектрическая постоянная вакуума;
d - толщина изолятора.
С целью компенсации влияния монтажной емкости Смонт и устранения перенапряжений на ключевых элементах во время их размыкания введены в схему добавочные компенсирующие емкости Скомп, подключаемые параллельно выходным электродам ключей. Величина этих емкостей рассчитывалась исходя из условия равенства напряжений, прикладываемых ко всем ключевым элементам блока. При использовании компенсирующих емкостей отсутствуют выбросы напряжения на ключевых элементах, что приводит к увеличению надежности модулятора.
Работа блока электронных ключей для коммутации высокого напряжения на нагрузке иллюстрируется чертежами.
На фиг. 1 представлена схема электронного ключа, учитывающая паразитные емкости транзисторов, включенная между высоковольтным источником питания и нагрузкой.
На фиг. 2 представлена схема электронного ключа, учитывающая паразитные емкости транзисторов, включенная параллельно нагрузке.
На фиг. 3 представлена схема электронного ключа с компенсирующими емкостями.
Блок электронных ключей для коммутации высокого напряжения на нагрузке 1 (фиг. 3), содержащий N ключей 2 на базе полевых или биполярных транзисторов с изолированным затвором (БТИЗ), соединенных последовательно друг с другом и помещенных в корпус, при этом вход блока электронных ключей подключен к высоковольтному источнику питания 3 или к нагрузке 1, а выход подключен к нагрузке 1 или ее низкопотенциальному выводу, параллельно каждому электронному ключу 2 между стоком и истоком полевых транзисторов или коллектором и эмиттером для БТИЗ каждого i-го транзистора включен компенсирующий конденсатор 4, при этом величина емкости компенсирующего конденсатора Скомп определяют следующим соотношением:
2
Скомп(i)=0,5·Смонт·(N-i+1/2)
где i - номер транзистора, изменяющийся от 1 до N, считая от высокопотенциального вывода нагрузки;
Скомп(i) - компенсирующая емкость i-го транзистора;
Смонт - паразитная монтажная емкость транзисторов на корпус 5;
N - количество ключевых элементов в блоке.
Устройство работает следующим образом.
В замкнутом состоянии на ключевых элементах блока падает напряжение, близкое к нулю. После поступления закрывающего управляющего сигнала на входные электроды ключевых элементов они начинают размыкаться. Напряжение, прикладываемое к ним, начинает возрастать. Как показывает расчет для схемы блока ключей, учитывающей их паразитную емкость на корпус, напряжения, прикладываемые к отдельным ключевым элементам, зависят от их номера, емкости между их выходными электродами и величины их паразитной монтажной емкости на корпус блока. Причем к ключевым элементам, располагающимся ближе к высокопотенциальному выводу нагрузки блока, прикладывается большее напряжение. Чем больше величина паразитной монтажной емкости, тем большее разница в напряжениях, прикладываемых к отдельным ключевым элементам. Это явление не зависит от того, каким выводом блок ключей подключен к нагрузке, поэтому целесообразно производить нумерацию транзисторов от высокопотенциального вывода нагрузки. С целью устранения отмеченной зависимости предлагается вводить в схему специальные компенсирующие конденсаторы. Величина емкости этих конденсаторов зависит от величины паразитной емкости ключевых элементов на корпус блока и номера ключевого элемента.
Таким образом, заявленная схема дает возможность повысить надежность устройства за счет равномерного распределения напряжений между отдельными ключевыми элементами и устранения выбросов напряжения на них.