ГЕНЕРАТОР ВЫСОКОВОЛЬТНЫХ ИМПУЛЬСОВ НАПРЯЖЕНИЯ
GENERATOR OF HIGH-VOLTAGE PULSES

Изобретение относится к высоковольтной технике, использующей импульсные трансформаторы с номинальным выходным напряжением порядка сотен киловольт.
Отличительной особенностью предлагаемых трансформаторов является их высокая мощность, а значит, широкополосность, позволяющая формировать на резистивной (омической) нагрузке «прямоугольные» (точнее квазипрямоугольные) всплески высокого напряжения.
Наиболее близким известным устройством того же назначения к заявленному изобретению по совокупности существенных признаков является генератор импульсов высокого напряжения (прототип), состоящий из импульсного трансформатора с двумя магнитосвязанными обмотками, к которым подключены первичный и вторичный емкостные накопители, коммутирующий ключ, резистивная нагрузка [1, 2]. На фиг.1 приведена схема генератора импульсов высокого напряжения на основе высоковольтного трансформатора.
Такое устройство получило широкое распространение и обычно называется «трансформатором Тесла», теория которого досконально разработана в [1]. Его выходное напряжение по форме представляет собой суперпозицию двух гармонических функций различных частот и по этой причине не является «прямоугольным». В качестве нагрузки импульсного трансформатора обычно используется активный импеданс, либо длинная передающая линия, либо пучок заряженных частиц (электронов, ионов), создаваемых в соответствующих электровакуумных приборах.
1
1
2
2
2
Принцип действия устройства, принятого за прототип, основан на передаче энергии из первичного контура во вторичный, осуществляемый при замыкании ключа К. При этом происходит разряд сосредоточенного емкостного накопителя C, на первичную обмотку W, в которой возбуждается электрический ток и сопутствующее синфазное магнитное поле, заключенное, главным образом, в ферромагнитном сердечнике или в пространстве, ограниченном двумя обмотками. Этим полем, пронизывающим вторичную обмотку W, индуцируется импульсное высокое напряжение, одновременно воздействующее на вторичную емкость С и реактивную нагрузку R. Ток нагрузки, благодаря отбираемому от емкости Cэлектрическому заряду, вызывает существенное обострение высокого напряжения, приобретающего квазитреугольный вид с заостренной вершиной, что является недостатком прототипа, обусловленным его недостаточной широкополосностью.
1
Квазитреугольная форма высоковольтного импульса неудобна из-за чрезмерного ограничения его длительности - сокращения времени воздействия высокого напряжения на активную нагрузку. По существу квазитреугольная форма импульса приводит к снижению кпд преобразования энергии «трансформатором Тесла». Ситуация усугубляется использованием сосредоточенной емкости C, передающей энергию вторичному контуру, главным образом, в начальный период времени, а не равномерно в течение всего процесса формирования высокого напряжения.
Техническим результатом, обеспечиваемым предлагаемым изобретением, является расширение широкополосности трансформаторного устройства за счет снижения индуктивности рассеяния и исключения сосредоточенных емкостных накопителей, заменяемых распределенными формирующими линиями из элементов LC.
2
Формирующие линии в контуре первичной обмотки позволяют трансформировать прямоугольные - квазипрямоугольные импульсы высокого напряжения такой формы, у которых протяженность плоской вершины превалирует над длительностью переднего фронта. Характерный вид квазипрямоугольного импульса на выходе трансформатора, относящегося к стыку волнового сопротивления формирующей линии с приведенным к первичному контуру сопротивления нагрузки R/n, где Т - длительность прямоугольного импульса, τ - фронт прямоугольного импульса, t - текущее время, показан на фиг.2.
2
s
В данном случае коэффициент отражения на стыке составляет β=0,75, благодаря чему через вторичную обмотку переходит до 90% напряжения. Пунктиром на фиг.3 показан формируемый импульс, который мог бы быть, если бы сердечник трансформатора не насыщался при сильных полях в соответствии с кривой намагничивания. Соотношение между длительностью Т плоской вершины импульса и фронтом τ обусловлено числом витков Wвторичной обмотки, как это следует из формул индуктивности рассеяния L и временем ненасыщения сердечника, равного Т.
Фронт прямоугольного импульса логично оценивать отношением индуктивности рассеяния к резистивной нагрузке
s
0
H
2
R
2
R
-7
где L - индуктивность рассеяния вторичной обмотки, причем µ=4π×10Гн/м; g - геометрический фактор, м [3], но есть и другое значение, указанное в [4]; R=U/J - сопротивление нагрузки, Ом; U - вторичное напряжение (амплитуда) импульса, В; J - ток нагрузки.
Длительность интервала времени Т, в течение которого сохраняются плоская вершина импульса, а сердечник пребывает в ненасыщенном состоянии, имеет такой вид:
,
2
макс
H
где S - сечение сердечника, м; ΔВ - приращение индукции, обычно определяемое из кривой намагничивания между двумя точками насыщения, причем максимальное значение практически соответствует удвоенной индукции насыщения ΔВ≈2B, достигаемого при намагничивании сердечника встречным полем.
Условие прямоугольности импульса высокого напряжения может быть сформулировано в виде неравенства, связывающего две указанные выше характеристики:
,
из которого следуют такие заключения.
2
2
1
2
Согласно (1) и (2) фронт импульса τ пропорционален квадрату числа витков  вторичной обмотки, а интервал времени Т - только первой степени W. Поэтому условие прямоугольности (3) выполняется, как правило, при достаточно малом числе витков вторичной обмотки и, соответственно, при сравнительно больших сечениях S ферромагнитного сердечника, что характерно для импульсных трансформаторов большой мощности, обладающих, соответственно, высокой широкополосностью. Мощным трансформаторам наряду с малым числом витков вторичной обмотки, как следствие, характерен низкий коэффициент трансформации (n=W/W), благодаря чему, во-первых, упрощаются возможности согласования импедансов обоих контуров, а, во-вторых, существенно ослабляется влияние вторичной емкости С в сравнении с превалирующей резистивной нагрузкой.
При этом должно выполняться необходимое условие:
,
H
2
где R - резистивное (омическое) сопротивление нагрузки. Ом; τ - фронт прямоугольного импульса, с; C - емкость вторичной обмотки относительно сердечника трансформатора.
0
0
Соблюдение этого условия гарантирует передачу из первичного контура во вторичный любого импульса напряжения без искажения формы. Это относится и к прямоугольным импульсам, которые формируются линиями, состоящими из сосредоточенных элементов емкостей С и индуктивностей L.
Эффективным средством понижения коэффициента трансформации является параллельное включение нескольких первичных обмоток, питаемых собственными формирующими линиями. В этом случае коэффициент трансформации (n) определяется по формуле, устанавливающей обратнопропорциональную зависимость от числа первичных обмоток (m)
,
1
2
1
2
где U, U - первичное и вторичное напряжение трансформатора; m - число первичных обмоток, W, W - число витков первичной и вторичной обмоток.
Технический результат достигается тем, что генератор высоковольтных импульсов напряжения, содержащий импульсный трансформатор с взаимосвязанными первичной и вторичной обмотками, коммутирующий ключ, резистивную (активную) нагрузку, содержит m параллельно соединенных формирующих линий (m≥1), состоящих из цепочек k последовательно соединенных катушек индуктивности (k≥1) и k+1 параллельно соединенных емкостных конденсаторов, причем каждая формирующая линия подсоединена своей выходной цепочкой к началу первичной обмотки, а своей входной цепочкой к источнику питания и коммутирующему ключу, второй контакт которого соединен с концом первичной обмотки, резистивная (активная) нагрузка подсоединяется ко вторичной обмотке, при этом должно выполняться соотношение (4).
1
2
1
2
H
0
2
0
На фиг.3 изображена схема генератора прямоугольных импульсов высокого напряжения на основе импульсного трансформатора, используемого в режиме бегущей волны при разряде формирующих линий на первичные обмотки. U, U - первичные и вторичные напряжения, W, W- число витков первичной и вторичной обмоток, К - коммутационный ключ, R - резистивная (омическая) нагрузка. С - емкость отдельных звеньев формирующей линии, C - вторичная (паразитная) емкость трансформатора, L - индуктивность катушки звена формирующей линии.
Генератор высоковольтных импульсов напряжения содержит импульсный трансформатор 1 с взаимосвязанными первичной 2 и вторичной обмотками 3, вторичный (паразитный) сосредоточенный емкостной накопитель 4, резистивную (омическую) нагрузку 5; m≥1 параллельно соединенных формирующих линий 6, состоящих из цепочек k (k≥1) последовательно соединенных катушек индуктивности 7 и k+1 параллельно соединенных емкостных конденсаторов 8, причем каждая формирующая линия подсоединена своей выходной цепочкой к началу первичной обмотки 2, а своей входной цепочкой к источнику питания и коммутирующему ключу 9, второй контакт которого соединен с концом первичной обмотки 2. Резистивная (активная) нагрузка 5 подсоединяется ко вторичной обмотке 3.
Устройство работает следующим образом.
1
В генераторе вместо сосредоточенных первичных емкостных накопителей используются распределенные формирующие линии, состоящие из цепочек последовательно соединенных катушек индуктивности 7 и параллельно соединенных емкостных конденсаторов 8. Формирующим линиям характерны достаточно низкое волновое сопротивление (≤10 Ом) и широкополосность, допускающая прохождение импульсов с крутым фронтом (~0,1 мкс). Все формирующие линии, число которых определяется по приведенным ниже формулам, заряжаются от источника напряжения U и коммутируются одновременно общим ключом 9 каждая на подключенную к ней первичную обмотку 2. Начиная с этого момента времени (момента коммутации), на первичных обмотках 2 формируются прямоугольные импульсы высокого напряжения, которые передаются посредством взаимоиндукции во вторичную обмотку 3 импульсного трансформатора 1. Благодаря резистивной нагрузке 5 вторичной обмотки 3 трансформация происходит без искажения формы транзитного импульса, то есть с сохранением прямоугольности при допустимом переднем фронте. При этом прямоугольная форма импульса на нагрузке, то есть на вторичной обмотке, сохраняется неизменной, благодаря режиму бегущей волны, до момента насыщения ферромагнитного сердечника. При наступлении насыщения нарушается сильная связь между обмотками и происходит спад высокого напряжения, свидетельствующий о завершении процесса формирования прямоугольного импульса.
Источники информации
1. Heisl W. Tesla-transformatoren fur hohe spanhugen // AEG-Mitteilung 1962. Bd 52, N-Z, 8 H 354-361.
2. К.А.Желтов. Пикосекундные сильноточные электронные ускорители, М.: Энергоатомиздат, 1991 г., стр.62, рис.3.1.
3 К.А.Желтов. Пикосекундная субмегавольтная техника. М. 2007, Институт стратегической стабильности, стр.146, 151.
4 Под ред. Л.А.Меяровича. Магнитные генераторы импульсов, «Сов. радио», Москва, 1968 г., стр.83.