Распределенный коммутатор на пороговых элементах
DISTRIBUTED SWITCH ON THRESHOLD ELEMENTS

Изобретение относится к высоковольтной импульсной технике и может быть использовано в формирователях мощных прямоугольных высоковольтных импульсов наносекундной и микросекундной длительности, используемых в ускорителях заряженных частиц, источниках высокочастотных колебаний и технологических установках.
Известен многоэлементный коммутатор в виде газового многозазорного разрядника [Pat. 2659839 USA, IPC H 03 K 03/55. Sequence Spark Gap System / Gardner A.L. – Appl. July 17, 1951, Ser. No. 237257; Publ. Nov. 17, 1953 ], включающего ряд (цепочку) последовательно соединенных парциальных разрядников (коммутационных элементов), образующих коммутационный ряд, каждый из парциальных разрядников имеет емкостную связь с нулевым (земляным) тоководом источника коммутируемого напряжения, параллельно парциальным разрядникам включены одинаковые резисторы, образующие резистивную делительную цепь, задающую равномерное распределение коммутируемого напряжения по парциальным разрядникам. Величина емкостной связи парциальных разрядников с землей существенно больше величины емкостной связи между их электродами (сильная емкостная связь выводов разрядников с обратным тоководом коммутатора).
Управляющий вход соединён с точкой соединения двух смежных парциальных разрядников, куда подается импульс напряжения, создающий скачок напряжения на этих разрядниках. В другом исполнении цепь управления имеет дополнительный разрядный промежуток, при замыкании которого возникает ультрафиолетовое излучение, способствующее замыканию примыкающих к нему парциальных разрядников. В исходном состоянии емкости, включенные между электродами парциальных разрядников и корпусом (обратным тоководом) коммутатора, заряжены до одинаковых напряжений за счет тока, протекающего через резистивную делительную цепь. Появление напряжения на управляющем входе коммутатора вызывает перенапряжение на примыкающем к нему парциальном разряднике и, как следствие, его замыкание (пробой). В результате выравнивания напряжения на емкостях, примыкающих к замкнутому парциальному разряднику, на соседнем с ним парциальном разряднике возникает полутора- кратный скачок напряжения, ведущий к его замыканию, после чего скачок напряжения возникает на смежном с ним парциальном разряднике и т.д., пока не будет замкнут последний парциальный разрядник коммутационного ряда.
п
п
п
Недостатком рассмотренного аналога являются ограниченный диапазон коммутируемых напряжений, определяемый соотношением: Nu/1,5 <E <Nu, где u- напряжение самостоятельного пробоя парциального разрядника, Е - коммутируемое напряжение, N - число парциальных разрядников, а также большие тепловые выделения на элементах резистивной делительной цепи, высокая неоднородность электрического поля вблизи электродов парциальных разрядников из-за несоответствия резистивного и емкостного распределения напряжений, что ограничивает его применение для коммутации высоких напряжений и для работы в частотных режимах.
Наиболее близким к предлагаемому техническому решению (прототипом) является многоэлементный коммутатор [ Патент 2352039 Российская Федерация, МПК H 01 T 4/16, H 03 K 3/53. Многоэлементный коммутатор / Кладухин В.В., Кладухин С.В., Ковалев Н.Ф., Храмцов С.П.; заявитель и патентообладатель Институт электрофизики Уральского отделения Российской академии наук. - № 2007131298/09; заявл. 16.08.07; опубл. 10.04.09. - 3 c.: ил.], выполненный в виде цепочки (ряда) последовательно соединенных пороговых коммутационных элементов, связанных с двумя, параллельными ему, емкостными делительными цепочками, величина емкостных элементов которых существенно больше емкости коммутационных пороговых элементов. Каждый емкостной пороговый элемент первой делительной цепи включен параллельно паре из двух соседних пороговых коммутационных элементов, начиная с пары, образуемой первым и вторым коммутационными пороговыми элементами, и так далее до пары, образуемой предпоследним и последним коммутационными пороговыми элементами, а каждый из емкостных элементов второй делительной цепи включен параллельно паре двух соседних коммутационных пороговых элементов, начиная с пары, образуемой вторым и третьим коммутационными элементами, и так далее до пары, образуемой предпоследним коммутационным пороговым элементом и его предшественником, кроме того, во вторую делительную цепь введены два дополнительных емкостных элемента, один из которых включен параллельно первому, а другой - параллельно последнему коммутационному элементам. Дополнительные емкостные элементы имеют удвоенную величину емкости по сравнению с основными емкостными элементами делительных цепочек, при этом величина основных и дополнительных емкостных пассивных элементов, образующих емкостные делительные цепочки, существенно больше величины собственной емкости пороговых коммутационных элементов и величины их емкостной связи с обратным тоководом коммутатора, что обеспечивает равномерное распределение приложенного к коммутатору напряжения по цепочке коммутационных пороговых элементов на уровне, близком к порогу их срабатывания.
Для реализации управляемого запуска, последовательно с дополнительными сопротивлениями, в начале или конце второй емкостной делительной цепочки, включены сопротивления, точка сопряжения которых с дополнительным емкостным элементом образует управляющий вход. Появление напряжения на управляющем входе коммутатора изменяет потенциал примыкающих к нему емкостных элементов второй делительной цепочки, а следовательно, и напряжение, прикладываемое к коммутационным пороговым элементам, в результате чего, в зависимости от полярностей коммутируемого напряжения и запускающего импульса, на четных, либо на нечётных коммутационных элементах формируется скачок напряжения, величина которого близка к сумме управляющего и исходного напряжений, под действием которой произойдет замыкание как минимум одного из них. При замыкании любого коммутационного порогового элемента на смежных с ним коммутационных пороговых элементах возникнет близкое к двукратному увеличение напряжения (перенапряжение), которое по мере замыкания коммутационных пороговых элементов распространяется на соседние незамкнутые коммутационные пороговые элементы до тех пор, пока не будут замкнуты все элементы коммутационного ряда.
Известен также созданный на основе этого изобретения, управляемый многозазорный газовый разрядник [В.В. Кладухин, С.В. Кладухин, С.П. Храмцов, В.Ю. Ялов. Управляемый многозазорный газовый разрядник // ПТЭ. - 2012. - №5. - С. 62-66].
п
п
п
Недостатком прототипа является ограниченный диапазон коммутируемых напряжений, определяемый соотношением: Nu/2 < E < Nu, где u- напряжение замыкания порогового элемента коммутационного ряда, Е - коммутируемое напряжение, N - число пороговых элементов в коммутационном ряду.
Задачей данного изобретения является расширение, по сравнению с прототипом, диапазона коммутируемых напряжений за счёт многократного увеличения напряжения на фронте коммутационной волны, распространяющейся вдоль коммутационного ряда.
п
п
п
Техническим результатом является: расширение диапазона коммутируемых напряжений до Nu/n < E < Nu, сокращение времени коммутации элементов коммутационного ряда в соответствии с их вольт- секундными характеристиками, определяющими зависимость времени коммутации пороговых элементов от величины перенапряжения, возможность создания коммутаторов из пороговых элементов, требующих для своей работы трех- и более кратных кратковременных перенапряжений, где n > 2 - число емкостных делительных цепей, Е - коммутируемое напряжение, N - число пороговых элементов в коммутационном ряду, u- напряжение замыкания порогового элемента коммутационного ряда.
0
i
i
0
i
i
Достигается технический результат тем, что в рассматриваемом коммутаторе, в отличие от прототипа, параллельно коммутационному ряду состоящему из N последовательно-соединенных идентичных пороговых элементов, включаются несколько 2 < n < N емкостных делительных цепей, каждая из которых состоит из начального, конечного и промежуточных емкостных элементов. Начала делительных цепочек, через разделительное сопротивление Z , соединены с началом коммутационного ряда, их концы соединены с концом коммутационного ряда, начальный элемент первой емкостной делительной цепи включается параллельно первому элементу коммутационного ряда, его промежуточные элементы включаются параллельно группам из n соседних элементов коммутационного ряда, начиная со второго, до тех пор, пока число неохваченных ими элементов превышает n, оставшиеся элементы коммутационного ряда охватываются конечным емкостным элементом, начальный элемент второй емкостной делительной цепи включается параллельно двум первым элементам коммутационного ряда, его промежуточные элементы включаются параллельно группам из n соседних элементов коммутационного ряда, начиная с третьего, до тех пор пока число неохваченных ими элементов превышает n, оставшиеся элементы коммутационного ряда охватываются конечным емкостным элементом, начальный элемент третьей емкостной делительной цепи включается параллельно трем первым элементам коммутационного ряда, его промежуточные элементы включаются параллельно группам из n соседних элементов коммутационного ряда, начиная с четвертого, до тех пор, пока число неохваченных элементов превышает n, оставшиеся элементы коммутационного ряда охватываются конечным емкостным элементом, и т.д. Промежуточные элементы делительных цепей имеют одинаковую емкость C, а емкость их начальных и конечных элементов (C) определяется числом охватываемых ими элементов коммутационного ряда: C=Cn/k, где k - число пороговых элементов, охватываемых емкостным элементом i-ой делительной цепи.
0
S
g
z
п
z
п
В исходном состоянии к коммутатору приложено коммутируемое напряжение (E), равномерно распределенное по элементам коммутационного ряда. Для обеспечения равномерного распределения коммутируемого напряжения по элементам коммутационного ряда емкость элементов делительных цепей ( C ) берется много больше емкости пороговых элементов (C ) и их емкостной связи с нулевым тоководом источника напряжения (C), кроме того, ток заряда емкостных делительных цепей, определяемый скоростью нарастания коммутируемого напряжения (E), ограничивается выполнением условия: u<<u, где u - падение напряжения на разделительном сопротивлении при заряде емкостных делительных цепей до напряжения E, u - напряжение замыкания порогового элемента коммутационного ряда.
contr
Запуск коммутатора осуществляется подачей управляющего импульса напряжения амплитудой U ≈ -(n-1)E/N на разделительное сопротивление Z.
Предложенное техническое решение обладает новизной, так как, в сравнении с прототипом, в нем вместо связи коммутационного ряда с двумя емкостными делительными цепочками используется его связь с совокупностью делительных цепочек количеством более двух, чем обеспечивается многократное увеличение диапазона коммутируемых напряжений, путем формирования многократного перенапряжения на элементах коммутационного ряда, находящихся на фронте коммутационной волны, начиная с начальной стадии коммутационного процесса. Проведенный заявителями анализ технических решений по патентным и научно-техническим источникам информации и поиск источников, содержащих сведения об аналогах заявляемого изобретения, позволяют заявить об отсутствии аналога, характеризующегося признаками, аналогичными заявленным в формуле изобретения.
i
п
k1
0
km+1
0
jk
0
Изобретение поясняется схемой коммутатора, изображенной на фиг. 1, включающего коммутационный ряд из одинаковых пороговых элементов S, i = 1..N, с пороговым напряжением u, и четыре емкостные делительные цепи (n = 4), состоящие из начальных C=4C/k, k=1..4, конечных C=4C/(5-k), k=1..4 и промежуточных С=С, j = 1..4, k = 2..m емкостных элементов, где N(mod n) = 1.
Н
g
i
S0
п
Коммутатор подключен к источнику коммутируемого напряжения (E) через нагрузку (Z). Элементы коммутационного ряда и делительных цепей имеют такое расположение относительно нулевого токовода (6), что величина емкости С между любым пороговым элементом S и нулевым тоководом существенно меньше емкости делительных цепей, т.е. емкостная связь пороговых элементов коммутационного ряда с нулевым тоководом мало влияет на распределение входного напряжения (E) по емкостям делительных цепей, чем обеспечиваются одинаковые начальные напряжения на всех элементах коммутационного ряда (u = E/N < u). Нулевой токовод (6) может быть заземлен (7) и, при необходимости, может являться корпусом коммутатора.
Замыкание отдельного порогового элемента (переход в проводящее состояние) происходит при появлении на нем напряжения превышающего величину порогового напряжения и сохраняется в течение времени замыкания всего коммутационного ряда. Задержка времени замыкания отдельного порогового элемента определяется его вольт-секундной характеристикой, которая, как правило, уменьшается по мере превышения приложенного напряжения над пороговым.
contr
11
S
S1
contr
С11
S0
contr
п
S2
contr
С21
S0
S3
contr
С31
S0
S5
C12
S6
C22
Запуск коммутатора осуществляется подачей управляющего импульса с амплитудой напряжения U ≈ -(n-1)·E/N = -3E/N на управляющий вход (5) относительно входного полюса (1), под действием которого (учитывая, что С>>C) напряжение на пороговом элементе S1 примет значение u≈ |U| + u≈ 4u. Напряжение на остальных элементах коммутационного ряда изменится незначительно и примет значение: (E - U)/N. Под действием высокого напряжения на пороговом элементе S1, существенно превышающем пороговое напряжение (u), произойдет его быстрая коммутация (замыкание), в результате чего, увеличение напряжения произойдет на элементе S2, которое примет значение u≈ |U| + u≈ 5u, после замыкания второго элемента увеличение напряжения произойдет на элементе S3, u≈ |U| + u≈ 6u, и т.д. После замыкания элемента S4 управляющий вход 5 будет зашунтирован на входной полюс 1, и его влияние прекратится, но при замыкании элемента S4 близкое к четырехкратному увеличение напряжения произойдет на элементе S5, т.к. u= u ≈ 4E /(N-4) после замыкания которого близкий к четырехкратному скачок напряжения возникнет уже на S6, т.к. u = u ≈ 4E /(N-5), и т.д.
1
3
На процесс последовательной коммутации может накладываться процесс нерегулярной коммутации элементов коммутационного ряда, связанный с тем, что при последовательном замыкании элемента коммутационного ряда скачок напряжения возникает не только на соседнем с ним пороговом элементе. но и на других элементах сопряженных с теми же емкостными делительными цепями, что и этот элемент. Так при замыкании порогового элемента S скачок напряжения будет наблюдаться на только на S2, но и на пороговых элементах : S6, S10, S14,..., После замыкании S2 вслед за S1,скачок напряжения будет наблюдаться на S и на пороговых элементах : S7, S11, S15,...., и т.д, при этом величина скачка напряжения будет уменьшаться по мере их удаления от коммутируемого элемента. Эти нерегулярные замыкания пороговых элементов коммутационного ряда не ухудшают условия распространения последовательной коммутации входящих в него пороговых элементов, так как в результате такого замыкания и выравнивания в точке замыкания потенциалов соединяемых емкостных делительных цепей, потенциал точки соединения несколько уменьшится по сравнению с потенциалом точки между замыкаемым элементом и предшествующим ему элементом коммутационного ряда в отсутствии такого замыкания.
C12
S0
contr
+
C21
C22
S0
C12
C23
Si
C32
C32
St
C23
Например, в случае замыкания элемента S6 до элемента S2, при замкнутом S1, потенциал соединения С12 иС22будет находиться в интервале между E-u≈ E -4u и E-(|U|u+u) ≈ E -9u вместо E-u,имевшего место для точки соединения C12 с элементом S5 коммутационного ряда при разомкнутом S6. При замыкании элемента S11 до элемента S7, при замкнутых S1÷S6, потенциал соединения С23 иС33будет находиться в интервале между E-u≈ E -4u и E-(u+u) ≈ E -8u вместо E-u, имевшего место для точки соединения C13 с элементом S10 коммутационного ряда при разомкнутом элементе S11.
St
S0
St
п
Так как в процессе коммутации коммутируемое напряжение будет распределяться только по оставшимся (N-M) незамкнутым элементам коммутационного ряда, то напряжение прикладываемое к отдельному незамкнутому пороговому элементу будет расти до напряжения u ≈ E /(N-M)>u=E /N и при достижении значения u > u, наряду с процессами последовательной и нерегулярной коммутации пороговых элементов коммутационного ряда, может начаться процесс их параллельной коммутации.
Вклад процессов нерегулярной и параллельной коммутации в замыкание пороговых элементов коммутационного ряда существенно зависит от вольт-секундных характеристик используемых пороговых элементов.
После замыкания последнего элемента коммутационного ряда через коммутатор начнет течь ток, который прекратится лишь после спада коммутируемого напряжения (E) до уровня близкого к нулю.
П
S0
St
Процесс изменения напряжений на элементах коммутационного ряда иллюстрирует рисунок приведенный на фиг. 2, где N - число элементов в коммутационном ряду, M - номер последнего замкнутого элемента коммутационного ряда, u - пороговое напряжение элементов коммутационного ряда, u - начальное напряжение на элементах коммутационного ряда, u - текущее напряжение на основной части незамкнутых элементов коммутационного ряда. Стрелками показаны направление распространения перенапряжений вдоль элементов коммутационного ряда при их последовательной коммутации.
Процесс восстановления электропрочности элементов коммутационного ряда начинается после прекращения протекающего по ним тока и определяется их восстановительной характеристикой. По завершении процесса восстановления электропрочности этих элементов коммутатор готов к выполнению следующего процесса коммутации.
Работа коммутатора при n≠4 и любом N(mod n) происходит аналогичным образом.
В вариантах коммутаторов, выполненных по фиг.1, величины промежуточных элементов делительных цепей должны соответствовать условиям:
0
g
C ≥ 3CN, (1)
0
S
C ≥ 10C,
где N - число пороговых элементов в коммутационном ряду,
0
С - величина емкости промежуточных элементов в емкостных делительных цепях,
Cs - величина емкости между выводами порогового элемента коммутационного ряда,
Сg - величина емкостной связи вывода порогового элемента коммутационного ряда с землей (нулевым тоководом) источника питания.
Длительность запускающего (управляющего) импульса должна удовлетворять условию:
contr
sn
τ> nτ , (2)
где
n - число емкостных делительных цепей,
contr
τ - длительность управляющего импульса,
sn
τ - среднестатистическое время замыкания порогового элемента коммутационного ряда при n- кратном перенапряжении.
Разделительное сопротивление (Z) может быть выполнено в виде резистора, но более целесообразно его выполнить в виде индуктивности, величина которой определяется из условий:
0
LC/N << Т, (3)
contr
contr
contr
2
L >> ( u) τ /P,
где
L - величина разделительной индуктивности,
T - время нарастания коммутируемого напряжения,
contr
contr
u - амплитуда напряжения управляющего импульса u = -(n-1)E/N,
contr
P - мощность источника запускающего импульса.
Элементы емкостных делительных цепочек могут быть выполнены как в виде конструктивных элементов, например в виде зазоров между электродами парциальных разрядников, так и с помощью стандартных конденсаторов. В качестве пороговых элементов коммутационного ряда могут быть использованы парциальные разрядники (газовые, жидкостные и твердотельные), динисторы, другие элементы с пороговыми характеристиками включения (замыкания).
С использованием заявленных признаков был изготовлен макет многозазорного газового разрядника с параметрами: n=3, N=20, в котором в качестве пороговых элементов использовались парциальные газовые разрядники выполненные, в виде миллиметровых зазоров между медными пластинами миллиметровой толщины, выполняющими роль электродов этих разрядников, которые находились в среде элегаза под давлением 5 атм, при этом емкостные делительные цепи формировались за счет емкостной связи этих пластин, которая для их промежуточных емкостей составляла около 25 пФ, емкость коммутационных зазоров - около 3 пФ, напряжение самостоятельного пробоя разрядника, за счет неоднородности полей вблизи электродов, составляло около 600 кВ, т.е. 30кВ на зазор. Разрядник тестировался в режимах коммутации 1 нФ емкости, заряжаемой до напряжения 250 и 500 кВ, на 50-ти омную нагрузку, запуск разрядника осуществлялся управляющими импульсами длительностью 10 нс, напряжением 25 кВ при зарядном напряжении 250 кВ, и 50 кВ при зарядном напряжении 500 кВ, при этом разрядник устойчиво запускался в обоих тестовых режимах.