ТВЕРДОТЕЛЬНЫЙ ВЫСОКОЧАСТОТНЫЙ ГЕНЕРАТОР С КОНТУРОМ УДАРНОГО ВОЗБУЖДЕНИЯ
SOLID-STATE HIGH-FREQUENCY SHOCK-EXCITED GENERATOR

Изобретение касается генерирования мощных затухающих высокочастотных колебаний и может быть применено, в частности, в устройствах, предназначенных для возбуждения низкотемпературной плазмы и системах индукционного нагрева.
В генераторах тока высокой частоты, в которых в качестве активного элемента применяется управляемый вентиль (импульсный тиратрон, тиристор, транзистор и т.д.) используется принцип ударного возбуждения колебательного контура импульсами тока большой величины. Получаемые прерывистые колебания имеют затухающий характер, что для ряда применений (индукционный нагрев, возбуждение низкотемпературной плазмы и др.) не имеет принципиального значения [1].
Получение колебаний на частотах до сотен мегагерц возможно с помощью СВЧ транзисторов. Так, в пат. N 2207706, Н03В 11/10 описан высокочастотный ключевой генератор с частотой 400 МГц и выходной мощностью 30 Вт [2]. Недостатком генератора является относительно невысокая выходная мощность, которая определяется типом применяемого СВЧ транзистора. Транзистор в данной схеме работает на частоте основной гармоники выходного напряжения, что определяет большие потери мощности на коммутацию при отпирании и запирании транзистора. Работа транзистора в ключевом режиме позволяет снизить потери на коммутацию и повысить кпд устройства, но снижает выходную полезную мощность первой гармоники [3].
Известно также устройство ударного возбуждения колебаний в электрическом контуре с помощью полупроводникового коммутатора - симметричного тиристора, описанное в патенте Российской Федерации N 2127482, кл. H03В 11/04 «Способ возбуждения колебаний в электрическом контуре и устройство для его осуществления». Сущность изобретения заключается в том, что в последовательно включенных контурах, подключенных к источнику переменного напряжения, за счет формирования последовательности резонансов ударным возбуждением контуров, создают напряжение ударного возбуждения с широким частотным спектром [4]. Переменное напряжение источника питания определяет частоту следования импульсов (пачек), а высокочастотное напряжение на нагрузке формируется при включении тиристора, возбуждающего затухающие колебания в выходном контуре.
Недостатком этого устройства нужно считать тот факт, что для изменения частоты следования импульсов в нагрузке необходимо изменять входную частоту источника питания переменного напряжения. Кроме того, с помощью данного устройства невозможно получение мощных импульсов на частотах, превышающих сотни килогерц - единицы мегагерц. Максимальная частота колебаний будет зависеть от быстродействия применяемого тиристора, так как скорость его включения, определяющая эффективность возбуждения колебаний в контуре, ограничена значением dI/dt - параметром, определяющим максимально допустимую скорость нарастания тока в приборе. Увеличение частоты колебаний, а следовательно, снижение времени включения тиристора, вызовет необходимость снижения величины коммутируемого им тока, что приведет к снижению мощности импульса. Кроме того, повышение мощности импульса возможно либо при увеличении напряжения на тиристоре, что ограничивается типом используемого прибора, либо при увеличении коммутируемой емкости, что приведет к снижению частоты колебаний.
Наиболее близким по технической сущности и достигаемому положительному эффекту к заявленному устройству является выбранный в качестве прототипа "Генератор возбуждения колебаний" [5], описанный в патенте США N 4837525, кл. НКИ 331-165. В нем высокочастотные колебания в контуре возникают после коммутации емкости контура симметричным тиристором. Устройство формирует импульсы затухающих колебаний с частотой около 1 МГц.
Данному устройству присущ тот же недостаток - невозможность получения мощных импульсов на частотах, превышающих сотни килогерц - единицы мегагерц, из-за ограничения скорости нарастания тока в тиристоре dI/dt. Недостатком является и то, что повышение мощности импульса также возможно либо при увеличении напряжения на тиристоре, что ограничивается типом используемого прибора, либо при увеличении коммутируемой емкости, что приведет к снижению частоты колебаний.
Необходимо отметить, что авторы привели осциллограммы выходного напряжения и тока в режимах холостого хода и короткого замыкания соответственно, что не позволяет судить ни о мощности, ни об эффективности приведенного устройства. Напряжение в схеме на разомкнутых выходных клеммах достигает 800 В, а ток короткого замыкания - 20 А.
Технической задачей данного изобретения является получение мощных импульсов затухающих высокочастотных колебаний.
Для решения этой технической задачи предлагается твердотельный высокочастотный генератор с контуром ударного возбуждения, в котором первичный коммутатор передает энергию из первичного накопителя через трансформатор с насыщающимся сердечником в конденсатор контура, а в качестве ключевого элемента используется диод, находящийся в закрытом состоянии в момент передачи энергии и в открытом состоянии в момент возникновения колебаний после насыщения сердечника трансформатора.
Отличительная особенность данного технического решения от прототипа состоит в том, что мощный первичный коммутатор - IGBT транзистор, рабочая частота которого значительно ниже частоты генерируемых колебаний, не ограничивает частотный диапазон выходного каскада, а лишь обеспечивает коммутацию энергии первичного накопителя в цепь формирования этих колебаний.
Также отличительной особенностью данного технического решения является то, что в качестве ключевого элемента в контуре ударного возбуждения используется диод, находящийся в закрытом состоянии в момент передачи энергии первичного накопителя в конденсатор колебательного контура и в открытом в момент возникновения колебаний в этом контуре. Обратное напряжение и ток через диод, а также его частотные свойства определяют мощность и максимальную частоту генерируемых колебаний соответственно.
Схема предлагаемого устройства приведена на фиг.1. Первичный коммутатор - IGBT транзистор 2 включен последовательно с первичным накопителем - конденсатором 3 и первичной обмоткой импульсного трансформатора 4. При включения первичного коммутатора - транзистора 2, первичный накопитель 3 с емкостью, заряженный от источника питания 1 до напряжения, разряжается через первичную обмотку импульсного трансформатора 4. При этом энергия первичного накопителя передается в промежуточный накопитель - конденсатор контура 5, подключенного к вторичной обмотке импульсного трансформатора 4 последовательно с первичной обмоткой выходного трансформатора 7. Во время зарядки ключевой элемент - диод 6, включенный параллельно вторичной обмотке импульсного трансформатора 4, закрыт (обратное включение).
Процессы, происходящие во вторичной цепи, представлены на фиг.2. После насыщения сердечника трансформатора 4 конденсатор контура 5 разряжается через вторичную обмотку трансформатора 4 и первичную обмотку трансформатора 7. В момент максимума тока в цепи напряжение на вторичной обмотке трансформатора 4 изменяет полярность, что приводит к отпиранию диода 6. При этом вторичная цепь может быть рассмотрена в виде двух независимых контуров.
В первой цепи, состоящей из вторичной обмотки трансформатора 4 и диода 6, возникает так называемый режим «crowbar». Энергия, накопленная в индуктивности вторичной обмотки трансформатора 4, диссипирует с постоянной времени L/R, где L - индуктивность обмотки в насыщенном состоянии, a R - сопротивление диода в прямом включении и омическое сопротивление проводников цепи (Фиг.2а). Затухающий ток, протекающий через диод в прямом направлении, поддерживает его в открытом состоянии.
Вторая цепь - высокочастотный колебательный контур - состоит из конденсатора контура 5 и индуктивности первичной обмотки выходного трансформатора 7, значения которых определяют частоту колебаний. Для этой цепи открытый диод 6 является не более чем проводником, проводящим ток в обоих направлениях. Импульс тока в момент насыщения сердечника трансформатора 4 возбуждает этот колебательный контур, что приводит к появлению в нем затухающих гармонических колебаний (Фиг.2b). При этом ток через диод 6 (Фиг.2с) представляет собой суперпозицию токов двух описанных выше контуров. Постоянный затухающий ток через диод протекает в прямом направлении и насыщает структуру диода носителями, что позволяет диоду проводить ток не только в положительные, но и в отрицательные периоды высокочастотных колебаний в контуре.
Кривые фиг.2а-2с получены при отсутствии нагрузки во вторичной цепи трансформатора 7. Затухание колебаний в этом случае происходит только благодаря омическим потерям в колебательном контуре.
Кривая фиг.2d - ток в колебательном контуре - получена с нагрузкой 8, равной 4,2 кОм, и трансформатором 7, имеющим соотношение обмоток 1:1. Энергия из колебательного контура передается через трансформатор 7 в нагрузку 8 и затухание колебаний в данном случае происходит за более короткое время. Время затухания определяется величиной нагрузки 8 и коэффициентом магнитной связи между обмотками трансформатора 7. Частота колебаний определяется параметрами элементов контура.
Частота следования импульсов затухающих колебаний достигает десятков килогерц и ограничена частотными свойствами применяемого IGBT транзистора. Первичный коммутатор - IGBT транзистор - работает в резонансной моде и с большой скважностью, что обуславливает низкие потери мощности на нем при коммутации.
В предлагаемом устройстве ток в нагрузке 8, равной 472 Ом, в максимуме составляет 40 А при напряжении на ней 18,3 кВ, что соответствует пиковой мощности 700 кВт. Частота высокочастотных колебаний при этом равна 1,1 МГц, а эффективность передачи энергии первичного накопителя в нагрузку в этом режиме составляет 53%.
При этом величины и параметры элементов схемы были следующими: напряжение источника питания 1 - 800 В, емкость первичного накопителя 3 - 1,8 мкФ, соотношение витков обмоток трансформатора 4 - 1:40, емкость конденсатора контура 5 - 1,3 нФ, индуктивность первичной обмотки трансформатора 7 - 20 мкГ.
Литература
1. Мастяев В.Я. Генераторы на импульсных тиратронах для индукционного нагрева. - М.: Энергия, 1978. - 96 с.
2. Патент Российской Федерации N 2207706, кл. Н03В 11/10, 1999.
3. Козырев В.В., Лаврушенков В.Г., Леонов В.П., Новиков Г.В., Петяшин Н.Б., Попов И.А., Харитонов А.В., Громорушкин В.Н. Транзисторные генераторы гармонических колебаний в ключевом режиме. - М.: Радио и связь, 1985. - 192 с.
4. Патент Российской Федерации N 2127482, кл. Н03В 11/04, 1996.
5. Патент США, N 4837525, кл. НКИ 331-165, 1989.