ГЕНЕРАТОР ВЫСОКОВОЛЬТНЫХ ИМПУЛЬСОВ ДЛЯ ЗАПУСКА УПРАВЛЯЕМЫХ ВАКУУМНЫХ РАЗРЯДНИКОВ
GENERATOR OF HIGH-VOLTAGE PULSES FOR STARTING OF CONTROLLED VACUUM ARRESTERS

Изобретение относится к мошной высоковольтной импульсной технике, в частности, к устройствам формирования однократных высоковольтных микросекундных импульсов на низкоомных нагрузках и может быть использовано для запуска управляемых вакуумных разрядников, входящих в состав батареи магнитного поля (БМП) мощных линейных индукционных ускорителей (ЛИУ-Р-Т. ЛИУ-30, ЛИУ-10М и др.).
Задачей, па решение которой направлено изобретение является создание надежного и помехоустойчивого устройства формирования импульса напряжения с требуемыми характеристиками. Одним из основных устройств БМП является управляемый вакуумный разрядник РВУ-43, при срабатывании которого накопленная электрическая энергия в конденсаторах передается на функциональные узлы ускорителя. Включение разрядника РВУ-43 осуществляется подачей на управляющий электрод пускового импульса с нормированной крутизной фронта, сформированного внешним генератором высоковольтных импульсов, запуск которого в свою очередь осуществляют оптическим импульсом. Для срабатывания разрядника РВУ-43 в диапазоне его рабочего напряжения от 0.5 до 30 кВ амплитуда пускового импульса должна быть не менее 5 кВ. минимальная длительность тока поджига не менее 5 мкс. Использование на ускорителе современной автоматизированной системы управлениям контроля (АСУК) требует наличие контроля работоспособности и готовности генератора к пуску.
Из уровня техники известен блочный импульсный наносекундный генератор BING-5 (Kudasov В., Pavlov S., Tananakin V. et al. Module pulse nanosecond generators (BING) for universal high-voltage synchronization systems. Digest of Technical Papers, 11-th IEEE International Pulsed Power Conference, - 1997. - V. 2. - PP. 1572-1574.). Генератор BIXG-5 состоит из высоковольтного источника питания и выходного импульсного формирователя. Высоковольтный источник питания преобразует сетевое напряжение 220 В 50 Гц в постоянное напряжение отрицательной полярности 10 кВ для зарядки грех параллельно соединенных накопительных керамических конденсаторов из аманата бария емкостью 4,7 нФ каждый. Разрядник РУ-62 в генераторе используется в качестве коммутатора и запускается импульсом с амплитудой 10 кВ. Генератор нагружен тремя кабельными линиями с волновым сопротивлением 50 Ом каждая. Параметры блочного импульсного наносекундного генератора: амплитуда выходною импульса - 10 кВ, фронт нарастания - 5 нс, задержка сигнала - (130±5) не. накопительная емкость - 14,1 нФ, амплитуда пускового электрического импульса - 100 В.
Недостатками этого устройств является то, что сам по себе блок формирования запускающих импульсов является сложным прибором, содержащим высоковольтный источник питания, работающим на устаревшей элементной базе, имеет низкую электропрочность высоковольтных накопительных конденсаторов, что увеличивает, стоимость устройства и снижает его надежность.
Также известен генератор высоковольтных импульсов для запуска импульсного водородного тиратрона с холодным катодом серии ТДИ, который также может использоваться для запуска управляемых разрядников, в т.ч. вакуумных (патент RU 2619779, публик. 18.05.2017). Этот генератор выбран в качестве ближайшего аналога и включает блок питания и блок формирования высоковольтного импульса с нормированной крутизной фронта. В схему блока питания входит сетевой однотактный выпрямитель и токоограничивающий элемент. В схему блока формирования высоковольтного импульса входит повышающий импульсный трансформатор, первичная обмотка которого соединена с емкостным накопителем энергии, заряжаемым постоянным током, и с высоковольтным управляемым коммутатором, в качестве которого используют тиристор, управляемый тактовым генератором. К управляющему электроду тиристора подключен шунтирующий конденсатор. В блок формирования высоковольтного импульса также входит дроссель насыщения и второй шунтирующий конденсатор, уменьшающий скорость изменения напряжения на тиристоре. Для задержки подачи напряжения на сетку импульсного водородного тиратрона относительно импульса запуска тиристора к управляющему электроду тиристора и к сетке водородного тиратрона, подключен генератор тактовых импульсов.
Недостатком ближайшего аналога является то, что в схему управления коммутатором входит тактовый генератор, что усложняет схему, кроме того, применение дополнительной емкости и дополнительного управляемого коммутатора приводит к увеличению массы и габаритов, отсутствие контроля работоспособности генератора может привести к отказу срабатывания. Следует также отметить отсутствие оптического управления, что не позволяет применять помехоустойчивый дистанционный запуск с гальванической развязкой.
Техническим результатом заявляемого изобретения является упрощение схемы генератора при сохранении требуемых характеристик формируемою высоковольтного импульса. Дополнительным техническим результатом является повышение помехоустойчивости и обеспечение контроля работоспособности.
Указанный технический результат достигается за счет тою, что в генераторе высоковольтных импульсов для запуска управляемых вакуумных разрядников, состоящем из блока питания, в схему которого входит выпрямитель и токоограничиваюший элемент, и блока формирования высоковольтного импульса с нормированной крутизной фронта, в схему которого входит повышающий импульсный трансформатор, первичная обмотка которого соединена с емкостным накопителем энергии, заряжаемым постоянным током, и с высоковольтным управляемым коммутатором, новым является то, что в схему блока питания включен умножитель напряжения, а управляемый высоковольтный коммутатор выполнен на основе транзистора или блока транзисторов, при этом параллельно первичной обмотке повышающего импульсного трансформатора включен защитный диод, анод которого подключен к высоковольтному управляемому коммутатору, а катод - к емкостному накопителю энергии, причем вторичная обмотка повышающего импульсного трансформатора соединена с выходом генератора.
В схему управления высоковольтного коммутатора может входить приемник оптического сигнала, на выходе которого установлена микросхема преобразователя уровня, выход которой соединен с базой двухплечевого эмиттерного повторителя.
В блок питания может быть дополнительно включен резистивный делитель для контроля напряжения питания.
Включение в схему блока питания умножителя напряжения позволяет без усложнения схемы обеспечить блок запуска необходимой энергией для формирования требуемых параметров выходного импульса.
Выполнение управляемого высоковольтного коммутатора в виде высоковольтного ключа, реализованного на параллельно соединенных транзисторах, позволяет обеспечить при простоте реализации схемы высокую надежность срабатывания для разрядки емкостного накопителя на первичную обмотку повышающего импульсного трансформатора и сформировать требуемый фронт выходного импульса.
Включение параллельно первичной обмотке защитного диода, анод которого подключен к высоковольтному управляемому коммутатору, а катод - к емкостному накопителю энергии, позволяет простым способом обеспечить работу высоковольтного ключа в области безопасных режимов в процессе формирования выходного импульса.
Соединение вторичной обмотки повышающего импульсного трансформатора с выходом генератора позволяет формировать выходной импульс требуемой амплитуды и длительности без применения дополнительных элементов и схем задержки, что позволяет гальванически развязать вход генератора от высоковольтного выхода, повышая его помехоустойчивость, и существенно упрощает схему.
Включение в схему управления высоковольтным коммутатором приемника оптического сигнала, на выходе которого установлена микросхема преобразователя уровня, выход которой соединен с базой двухплечевого эмиттерного повторителя, позволяет производить запуск генератора по оптическому каналу, который конвертируется в электрический сигнал, при этом обеспечивается помехоустойчивость схемы.
Включение в блок питания резистивного делителя позволяет осуществлять контроль питающего напряжения, и отслеживать наличие необходимого напряжения на высоковольтном накопительном конденсаторе.
На фиг. 1 представлена 3D модель генератора, включающего четыре независимых канала, где;
1 - блоки питания,
2 - импульсные повышающие трансформаторы,
3 - блоки запуска оптоэлектронные.
4 - высоковольтные разъемы.
5 - согласующие сопротивления.
На фиг. 2 представлена структурная схема заявляемого устройства, где:
6 - выпрямитель (диодный мост);
7 - стабилизаторы напряжения;
8 - умножитель напряжения на два;
9 - токоограничивающий элемент (резистор)
10 - резистивный делитель;
11 - ОК - оптоэлектронный инверсный конвертор;
12 - ПУ - преобразователь уровня;
13 - ЭП - двухплечевой эмиттерный повторитель на транзисторах;
14 - высоковольтный накопительный конденсатор (емкостной накопитель):
15 - защитный диод;
16 - транзисторы высоковольтного коммутатора.
На фиг. 3 приведена полученная осциллограмма амплитуды выходного напряжения генератора.
Примером конкретного выполнения заявляемого устройства может служить генератор высоковольтных импульсов с оптическим управлением, предназначенный для запуска управляемого вакуумного разрядника РВУ-43, входящего в состав БМП мощного линейного индукционного ускорителя ЛИУ-Р-Т, Генератор включает четыре независимых каната, конструктивно объединенных общим 19" - дюймовым корпусом (фиг. 1). Каждый канал генератора включает блок питания и оптоэлектронный блок запуска. Со стороны передней панели размещены четыре блока запуска и соответственно четыре блока питания, а на задней панели размещены четыре высоковольтных разъема. Каждый блок питания предназначен для обеспечения электропитанием 5.9 В, 15 В, 620 В соответствующего блока запуска оптоэлектронного и состоит из:
- выпрямителя в виде диодного моста состоящего из высоковольтных диодов, для выпрямления переменного тока в постоянный;
- токоограничивающего элемента:
- двух стабилизаторов напряжения, один из которых предназначен для получения выходного напряжения 5,9 В постоянного тока, а другой – 15 В;
- двукратного умножителя напряжения для получения выходного напряжения 620 В постоянного тока;
- резистивных делителей для контроля выходных напряжений блока питания. Блок запуска оптоэлектронный состоит из:
- оптоэлектронного инверсного конвертора, преобразующего входной оптический сигнал в инверсный электрический сигнал ТТЛ - уровня;
- преобразователя уровня сигнала с инверсией, осуществляющей преобразование входного сигнала ТТЛ - уровня в инвертированный сигнал с амплитудой 15 В:
- двухплечевого эмиттерного повторителя, собранного на составных высокочастотных биполярных транзисторах, необходимого для увеличения нагрузочной способности сигнала;
- управляемого коммутатора в виде высоковольтного ключа, реализованного на мощных, параллельно соединенных IGBT транзисторах, коммутирующих цепь первичной обмотки импульсного трансформатора;
- импульсного повышающего трансформатора, формирующего выходной импульс положительной полярности:
- емкостного накопителя энергии, предназначенного для накопления необходимой энергии и передачи ее в первичную обмотку импульсного повышающего трансформатора.
Генератор работает следующим образом.
Энергия от сети переменного напряжения поступает на вход блока питания 1 и запасается в емкостном накопителе 14 (высоковольтный накопительный конденсатор) через выпрямитель 6 (диодный мост), обеспечивающий выпрямление переменного тока в постоянный. двукратный умножитель напряжения 8, который обеспечивает получение выходного напряжения 620В и токоограничивающий элемент 9. Стабилизаторы напряжения 7 блока питания 1 обеспечивают получение выходного напряжения 5,9 В и 15 В постоянного тока для электропитания блока запуска оптоэлектронного 3. С помощью резистивного делителя 10 осуществляют контроль питающего напряжения. По команде оператора АСУК ускорителя формируется пусковой оптический импульс длительностью 4 мкс и фронтом не более 2 нс, который поступает на оптический вход блока запуска оптоэлектронного 3, с помощью оптоэлектронного инверсного конвертера (Ж 11 сигнал конвертируется в инверсный электрический ТТЛ-сигнал 5 В и поступает на вход микросхемы преобразователя уровня 11У 12. На выходе микросхемы ПУ 12 формируется ТТЛ-сигнал положительной полярности 15 В и приходит на базу двухплечевого эмиттерного повторителя 13, усиливается по току и запускает высоковольтный коммутатор в виде электронного ключа 16, выполненного на трех мощных параллельно соединенных импульсных транзисторах. При этом накопленная энергия с емкостного накопителя 14 через цепь первичной обмотки импульсного трансформатора 2 коммутируется через открытые переходы мощных IGBT транзисторов 16 на общую тину. В результате во вторичной обмотке импульсного трансформатора 2 наводится высоковольтный импульс положительной полярности. Работоспособность и готовность генератора к пуску осуществляется контролем вторичных напряжений блока питания 1 с помощью АСУК.
Был изготовлен опытный образец генератора, который успешно прошел испытания в лабораторных условиях. Осциллограмма выходного высоковольтного импульса генератора показана на фиг. 3. Т.о., с помощью простой схемы сформирован высоковольтный импульс с требуемыми характеристиками для стабильного запуска разрядника. В настоящее время генератор успешно применяется для запуска управляемых вакуумных разрядников РВУ-43 в составе БМП ускорителя ЛИУ-Р-Т.