СПОСОБ УПРАВЛЕНИЯ ЭЛЕКТРОННЫМ КЛЮЧОМ
METHOD OF ELECTRONIC SWITCH CONTROL

Изобретение относится к области импульсной техники, а именно к способам управления электронными ключами или генераторами Маркса на их основе, и может быть использовано в лазерной, ускорительной, локационной и преобразовательной технике.
Известен способ запуска каскадного генератора высоковольтных импульсов, выполненного по схеме Аркадьева-Маркса, содержащего накопительные конденсаторы, управляемые разрядники и зарядно-разрядные резисторы, при этом в каждый каскад введен импульсный трансформатор (см. авторское свидетельство SU №1812612, H03K 3/53, 1993).
Введение импульсных трансформаторов позволяет упростить управление генератором, снизить его массогабаритные показатели. Поджиг разрядников происходит в результате перенапряжения за счет импульса напряжения, при этом все конденсаторы оказываются включенными последовательно через разрядники.
Известен способ запуска импульсного генератора Маркса, состоящего из n-го числа искровых разрядников и 2(n-1)-го числа зарядных ветвей, искровые разрядники которого работают в режиме самопробоя (см. патент RU №2333597, H03K 3/537, 2008).
Пусковое устройство включает подключенный к импульсному генератору импульсный трансформатор, который при запуске импульсного генератора вырабатывает импульс напряжения, который суммируется с зарядным напряжением соответствующего ступенчатого конденсатора и при соответствующей полярности во время возрастания импульса напряжения на короткое время вырабатывает доходящее до самопробоя перенапряжение на этом искровом разряднике.
Наиболее близким по технической сущности к заявляемому решению является способ переключения высоковольтных полупроводниковых структур ключевого типа, включающий подачу импульса управления с полярностью, совпадающей с полярностью рабочего напряжения (см. патент RU №2113744, H01L 29/86, 1998).
Недостатками этих и многих других известных способов управления электронными ключами и генераторами Маркса являются следующие факторы:
- импульс управления прикладывают к высоковольтному электроду, что требует использовать схемы развязки силовой цепи от цепи управления;
- импульс управления проходит в нагрузку и искажает выходной импульс напряжения;
- нагрузка может шунтировать импульс управления.
Техническим результатом изобретения является приложение импульса перенапряжения к электронному ключу или генератору Маркса с одновременным обеспечением малой индуктивностью цепи замыкания рабочего тока.
Для достижения указанного технического результата в способе управления электронным ключом, включающем подачу импульса перенапряжения, который обеспечивает переключение электронного ключа, согласно предложению, импульс перенапряжения подают на развязывающий диод, установленный между электронным ключом и земляной шиной в направлении, блокирующем импульс перенапряжения, при этом напряжение лавинного пробоя развязывающего диода больше амплитуды импульса перенапряжения, одновременно с этим предельный импульсный ток в прямом направлении через развязывающий диод больше рабочего тока электронного ключа.
Согласно предложению, электронный ключ может состоять из каскада ключей, соединенных по схеме импульсного генератора Маркса.
Согласно предложению, электронный ключ может состоять из нескольких последовательно включенных ключей, при этом импульс перенапряжения по амплитуде обеспечивает переключение всей сборки ключей.
Согласно предложению, развязывающий диод может состоять из несколько последовательно соединенных диодов, при этом суммарное напряжение лавинного пробоя всех диодов больше амплитуды импульса перенапряжения, а предельный импульсный ток через развязывающие диоды в прямом направлении больше рабочего тока электронного ключа.
Сущность предложения поясняется чертежами, где на фиг.1 представлена схема управления электронным ключом; на фиг.2 представлены эпюры напряжения на электронном ключе, развязывающем диоде и нагрузке; на фиг.3 представлена схема управления генератором Маркса; на фиг.4 представлена схема управления с несколькими последовательно включенными электронными ключами и несколькими последовательно включенными развязывающими диодами.
Следует учесть, что на чертежах представлены только те детали, которые необходимы для понимания существа предложения, а сопутствующее оборудование, хорошо известное специалистам в данной области, на чертежах не представлено.
Способ управления электронным ключом осуществляют следующим образом.
Согласно схеме, представленной на фиг.1, электронный полупроводниковый ключ 1 (динистор) включают последовательно с накопительной емкостью 2 (С) и нагрузкой 3 (R). Развязывающий диод 4 включают между электронным ключом 1 и земляной шиной 5.
Рабочее напряжение от блока питания 6 положительной полярности подают на электронный ключ 1 и накопительную емкость 2. Импульс напряжения отрицательной полярности подают от генератора управления 7 на развязывающий диод 4.
До момента переключения электронного ключа 1 напряжение на электронном ключе 1 складывается из рабочего напряжения и амплитуды импульса перенапряжения. После переключения электронного ключа 1 ток разряда емкости 2 протекает через электронный ключ 1 и развязывающий диод 4, для которого этот ток является током в прямом направлении.
На фиг.2 представлены эпюры напряжения на электронном ключе 1 (верхняя эпюра), на развязывающем диоде 4 (средняя эпюра), на нагрузке 3 (нижняя эпюра).
paб
На электронный ключ 1 от блока питания 6 прикладывают рабочее напряжение +U. На развязывающий диод 4 подают импульс перенапряжения отрицательной полярности -ΔU, в результате чего полное напряжение на электронном ключе 1 увеличивается на ΔU и происходит его включение. Напряжение на электронном ключе 1 уменьшается до малого значения, также как и на развязывающем диоде 4, через который протекает рабочий ток в прямом направлении. На нагрузке 3 возникает импульс напряжения отрицательной полярности, длительность которого определяется соотношением τ=RC.
Способ поясняется следующими примерами.
Пример 1. Заявляемый способ применен для генератора Маркса.
На фиг.3 представлена схема управления генератором Маркса, который собирают на газовых разрядниках 1-1, 1-2, 1-3 (электронных ключах). Число разрядников может быть n.
paб
Последовательно с разрядниками включают накопительные конденсаторы 2-1, 2-2, 2-3 (накопительные емкости), которых тоже может быть n. На разрядники и конденсаторы подают рабочее напряжение отрицательной полярности -U. Резисторы 3-1, 3-2, 3-3, 3-4 обеспечивают зарядку накопительных конденсаторов. Развязывающий диод 2 включают между первым разрядником 1-1 и земляной шиной 5.
лав.
имп.
раб.
Импульс перенапряжения +ΔU положительной полярности с амплитудой, достаточной для включения генератора Маркса, подают на развязывающий диод 2, который имеет напряжение лавинного пробоя больше амплитуды импульса перенапряжения, то есть U>ΔU, а также его предельный импульсный ток в прямом направлении больше рабочего тока генератора Маркса, то есть I>I
После переключения всех разрядников генератора Маркса рабочий ток протекает через разрядники и развязывающий диод в прямом направлении. На нагрузке формируется импульс напряжения положительной полярности.
Пример 2. Заявляемый способ применен для высоковольтного ключа, состоящего из нескольких последовательно включенных приборов.
На фиг.4 представлена схема управления с несколькими последовательно включенными электронными ключами и несколькими последовательно включенными развязывающими диодами.
Высоковольтный ключ 1 собирают из n последовательно включенных полупроводниковых динисторов. Между сборкой динисторов и земляной шиной 5 включают сборку из развязывающих диодов 4.
л1
л2
л3
лn
имп.
раб.
Суммарное лавинное напряжение развязывающих диодов больше импульса перенапряжения отрицательной полярности и достаточно для переключения сборки динисторов, то есть U+U+U+U>ΔU. Максимальный предельный импульсный ток через сборку развязывающих диодов больше рабочего тока через сборку ключей, то есть I>I
Развязывающий диод выполняют в виде диска, обладающего малой индуктивностью, при использовании сборки диодов их собирают из дисков, поставленных один на другой.
Заявляемое изобретение позволяет не только приложить импульс перенапряжения к электронному ключу или генератору Маркса, но и одновременно обеспечить малую индуктивность цепи замыкания рабочего тока.