ГЕНЕРАТОР МОЩНЫХ НАНОСЕКУНДНЫХ ИМПУЛЬСОВ (ВАРИАНТЫ)
HIGH-POWER NANOSECOND PULSE GENERATOR (VERSIONS)

Группа изобретений относится к импульсной технике и может быть использована для систем питания мощных лазеров и т.д.
Известен генератор мощных наносекундных импульсов, включающий источник постоянного тока, ключи, индуктивный накопитель, размыкающий элемент, выходную шину (см. патент RU №1487774, H03K 3/53, 1994).
Недостатком известного устройства является низкий коэффициент полезного действия, низкая частота следования импульсов.
Известен также полупроводниковый генератор наносекундных импульсов на базе дрейфового диода с резким восстановлением, включающий коммутатор цепи прямого тока, цепь нагрузки, коммутатор цепи обратного тока, катушку индуктивности обратного тока (см. патент RU №2009611, H03K 3/53, 1994).
Недостатком известного устройства является низкий коэффициент полезного действия, низкая частота следования импульсов.
Наиболее близким по технической сущности к заявляемому решению является генератор мощных наносекундных импульсов, содержащий последовательно соединенные индуктивный накопитель энергии и дрейфовый диод с резким восстановлением обратного сопротивления, а также нагрузку, подсоединенную параллельно дрейфовому диоду, и ключи (см. авторское свидетельство SU №1804271, H03K 3/53, 1996).
Недостатком известного устройства является низкая частота следования импульсов (ниже 1 МГц), поскольку в процессе генерации импульса происходит полный разряд конденсаторов, которые необходимо заряжать перед следующим циклом генерации импульса, что ограничивает частоту следования импульсов.
Недостатками известного устройства также являются: низкий коэффициент полезного действия из-за потерь при заряде конденсаторов; сложная процедура настройки схемы, так как для изменения времени прохождения прямого тока через дрейфовый диод требуется менять величину индуктивности дросселей или величину емкости конденсаторов.
Технический результат заявляемого решения заключается в повышении коэффициента полезного действия при формировании импульсов напряжения с высокой частотой повторения импульсов за счет сокращения времени подготовки к началу следующего цикла генерации импульсов.
Для достижения указанного технического результата в генераторе мощных наносекундных импульсов (вариант 1), содержащем последовательно соединенные индуктивный накопитель энергии и дрейфовый диод с резким восстановлением обратного сопротивления, а также нагрузку, подсоединенную параллельно дрейфовому диоду, и ключи, согласно изобретению ключи расположены последовательно, к точке их соединения подключен индуктивный накопитель энергии с возможностью регулировки амплитуды импульсов на нагрузке посредством изменения времени замыкания и размыкания ключей, причем момент замыкания второго ключа находится в интервале времени между размыканием первого ключа и моментом изменения полярности тока через индуктивный накопитель, а момент его размыкания находится в интервале времени от начала формирования импульса на нагрузке до момента следующего замыкания первого ключа, при этом введены два источника постоянного напряжения разной полярности, и каждый ключ соединен с одним из источников.
Также согласно изобретению по варианту 1 первый ключ соединен с источником постоянного напряжения положительной полярности, второй ключ соединен с источником постоянного напряжения отрицательной полярности, а дрейфовый диод соединен с общей шиной катодом.
Также согласно изобретению по варианту 1 первый ключ соединен с источником постоянного напряжения отрицательной полярности, второй ключ соединен с источником постоянного напряжения положительной полярности, а дрейфовый диод соединен с общей шиной анодом.
Также согласно изобретению по варианту 1 генератор дополнительно содержит цепь из последовательно соединенных дросселя и резистора, подключенных параллельно дрейфовому диоду, а нагрузка подключена к дрейфовому диоду через блокировочный конденсатор.
Для достижения указанного технического результата в генераторе мощных наносекундных импульсов (вариант 2), содержащем последовательно соединенные индуктивный накопитель энергии и дрейфовый диод с резким восстановлением обратного сопротивления, а также нагрузку, подсоединенную параллельно дрейфовому диоду, и ключи, согласно изобретению ключи расположены последовательно, к точке их соединения подключен индуктивный накопитель энергии с возможностью регулировки амплитуды импульсов на нагрузке посредством изменения времени замыкания и размыкания ключей, причем момент замыкания второго ключа находится в интервале времени между размыканием первого ключа и моментом изменения полярности тока через индуктивный накопитель, а момент его размыкания находится в интервале времени от начала формирования импульса на нагрузке до момента следующего замыкания первого ключа, при этом введены два источника постоянного напряжения одинаковой полярности, причем один из них соединен с первым ключом, а второй источник с меньшей амплитудой, чем у первого источника, соединен с дрейфовым диодом, при этом второй ключ соединен с общей шиной, а нагрузка подключена к дрейфовому диоду через разделительный диод.
Также согласно изобретению по варианту 2 источники постоянного напряжения имеют положительную полярность, при этом дрейфовый диод соединен с источником постоянного напряжения катодом.
Также согласно изобретению по варианту 2 источники постоянного напряжения имеют отрицательную полярность, при этом дрейфовый диод соединен с источником постоянного напряжения анодом.
Сущность изобретения поясняется чертежами, где на фиг. 1 представлена функциональная схема генератора импульсов напряжения отрицательной полярности (вариант 1); на фиг. 2 представлены временные графики токов, зарядов и напряжений в схеме, а именно на фиг. 2а представлен временной график тока через индуктивный накопитель; на фиг. 2б представлен временной график тока через дрейфовый диод; на фиг. 2в представлен временной график тока через нагрузку; на фиг. 2г представлен временной график заряда, накопленного в дрейфовом диоде; на фиг. 2д представлен временной график напряжения на нагрузке; на фиг. 3 представлена схема генератора импульсов напряжения положительной полярности (вариант 1); на фиг. 4 представлена схема генератора с развязкой по постоянному току в цепи нагрузки (вариант 1); на фиг. 5 представлена функциональная схема генератора импульсов напряжения отрицательной полярности (вариант 2); на фиг. 6 представлена функциональная схема генератора импульсов напряжения положительной полярности (вариант 2).
Следует учесть, что на чертежах представлены только те детали, которые необходимы для понимания сущности изобретения, а сопутствующее оборудование, хорошо известное специалистам в данной области, на чертеже не представлено.
На чертежах использованы следующие позиции: 1 - первый ключ; 2 - второй ключ; 3 и 4 - источники постоянного напряжения; 5 - индуктивный накопитель энергии; 6 - дрейфовый диод; 7 - дроссель; 8 - резистор; 9 - блокировочный конденсатор; 10 - разделительный диод; Н - нагрузка.
Генератор мощных наносекундных импульсов по варианту 1 включает последовательно соединенные между собой ключи 1 и 2, каждый из которых соединен с источником постоянного напряжения, то есть ключ 1 соединен с источником постоянного напряжения 3 положительной полярности, а ключ 2 - с источником постоянного напряжения 4 отрицательной полярности (см. фиг. 1).
Источники постоянного напряжения 3 и 4 соединены между собой общей шиной. Ключи 1 и 2 являются полупроводниковыми приборами, поэтому между их электродами существует некоторая емкость.
Устройство также содержит индуктивный накопитель энергии 5, который подключен к точке А соединения ключей 1 и 2 между собой и последовательно соединен с нагрузкой Н. Устройство также включает дрейфовый диод 6 с резким восстановлением (размыкающий элемент), который подключен между индуктивным накопителем 5 и общей шиной источников постоянного напряжения 3 и 4, при этом дрейфовый диод 6 соединен с общей шиной катодом. При этом нагрузка Н подсоединена параллельно дрейфовому диоду 6 между выходом дрейфового диода 6 и общей шиной источников постоянного напряжения 3 и 4.
Схема генератора, представленная на фиг. 3, отличается полярностью источников постоянного напряжения 3 и 4 и направлением включения дрейфового диода 6. В этой схеме ключ 1 соединен с источником постоянного напряжения 3 отрицательной полярности, а ключ 2 - с источником постоянного напряжения 4 положительной полярности, при этом дрейфовый диод 6 соединен с общей шиной анодом.
На фиг. 4 представлена схема генератора с развязкой по постоянному току в цепи нагрузки Н. Параллельно дрейфовому диоду 6 включена цепь из последовательно соединенных дросселя 7 и резистора 8. Нагрузка Н подключена к дрейфовому диоду 6 через блокировочный конденсатор 9.
Конденсатор 9 предназначен для блокировки протекания низкочастотных токов в нагрузку Н, что может быть необходимо в случае работы генератора на антенну, сумматор и другую нагрузку, обладающую высоким коэффициентом отражения на низкой частоте. Дроссель 7 и резистор 8 необходимы для разряда межэлектродных емкостей разомкнутых ключей 1 и 2.
Генератор мощных наносекундных импульсов по варианту 1 работает следующим образом.
В исходном состоянии ключи 1 и 2 разомкнуты.
L
1
В момент времени t=0 замыкается ключ 1, к индуктивному накопителю 5 приложено напряжение, равное величине U=U-Vd,
1
где U - напряжение источника 3;
Vd - падение напряжения на дрейфовом диоде 6.
L
1
Ток через индуктивный накопитель 5 (см. фиг. 2а) возрастает линейно со скоростью нарастания dI/dt=(U-Vd)/L,
где L - индуктивность индуктивного накопителя 5.
L
L
Основная часть тока I через индуктивный накопитель 5 проходит через дрейфовый диод 6, так как сопротивление дрейфового диода 6 много меньше сопротивления нагрузки Н, а именно Id≈I, где Id - ток через дрейфовый диод 6 (см. фиг. 2б).
1
В момент времени t=t размыкается ключ 1. Ток через индуктивный накопитель 5 начинает уменьшаться. Ток течет через межэлектродные емкости ключей 1 и 2.
2
В момент времени t=t замыкается ключ 2.
При этом ключ 2 замыкается не ранее размыкания ключа 1 и до момента изменения полярности тока через индуктивный накопитель энергии 5.
L
2
К индуктивному накопителю 5 приложено напряжение U=-U+Vd,
2
где U - напряжение источника постоянного напряжения 4.
Ток через индуктивный накопитель 5 спадает линейно со скоростью
L
2
dI/dt=(-U+Vd)/L (см. фиг. 2а).
3
3
Ток через индуктивный накопитель 5 продолжает течь через дрейфовый диод 6 до момента времени t. В этот момент происходит обратное восстановление дрейфового диода 6, то есть восстановление происходит тогда, когда заряд Qd, прошедший через дрейфовый диод 6, становится равным нулю, а именно Qd=∫Id*dt=0, при этом t=0…t (см. фиг. 2г).
3
L
3
После момента времени t ток через индуктивный накопитель 5 протекает через нагрузку Н, а именно Ir≈I, при t>t,
где Ir - ток через нагрузку Н (см. фиг. 2в).
На нагрузке Н возникает напряжение Up=Ip*R,
где Ip - пиковое значение, которого достиг ток через дрейфовый диод 6 в момент обратного восстановления;
R - сопротивление нагрузки Н (см. фиг. 2д).
4
3
LR
LR
Передний фронт напряжения на нагрузке Н определяется емкостью Cd дрейфового диода 6, задний фронт определяется величиной индуктивности L индуктивного накопителя 5 и сопротивления R нагрузки Н. Напряжение достигает значения 0,37*Up ко времени t=t+t, где t=L/R - постоянная времени.
Размыкание ключа 2 происходит не ранее начала формирования высоковольтного импульса на нагрузке Н.
1
2
1
2
Благодаря тому, что отсутствуют конденсаторы, которые необходимо заряжать между циклами формирования импульсов, можно достичь высокой частоты повторения импульсов. Частота повторения ограничена только параметрами дрейфового диода 6 и ключей 1 и 2, при этом возможна настройка параметров импульсов в широких пределах с помощью изменения напряжений U, U и времен t, t.
В качестве полупроводниковых ключей 1 и 2 могут быть использованы биполярные транзисторы, полевые транзисторы, биполярные транзисторы с изолированным затвором, тиристоры и другие электронные ключи.
Приводим пример конкретного выполнения генератора импульсов напряжения по варианту 1 с амплитудой Up=-475 В на нагрузке с сопротивлением R=12,5 Ом.
3
4
1
2
1
2
Напряжения источников постоянного напряжения 3 и 4 выбраны равными U=10 В, U=65 В. Времена размыкания ключа 1 (t) и замыкания ключа 2 (t) выбраны соответственно t=5 нс и t=5,5 нс. Индуктивность индуктивного накопителя энергии 5 выбрана равной величине L=1,5 нГн. Используемый дрейфовый диод 6 обладает падением напряжения Vd=7 В.
При замкнутом ключе 1 ток через индуктивный накопитель энергии 5 возрастает линейно со скоростью нарастания согласно выражению:
1
К моменту времени t ток через индуктивный накопитель энергии 5 и через дрейфовый диод 6 достигает значения:
1
В момент времени t размыкается ключ 1. Ток через индуктивный накопитель энергии 5 спадает до 0 за 0,5 нс. Время спадания тока определяется межэлектродными емкостями ключей 1 и 2.
2
В момент времени t замыкается ключ 2. Ток через индуктивный накопитель энергии 5 спадает линейно со скоростью согласно выражению:
3
В момент времени t=6,5 нс заряд Qd, прошедший через дрейфовый диод 6, равен 0 и происходит обратное восстановление дрейфового диода 6. В этот момент ток через индуктивный накопитель энергии 5 и дрейфовый диод 6 достигает значения
После обратного восстановления дрейфового диода 6 ток протекает через нагрузку Н и создает напряжение на нагрузке амплитудой
Напряжение на нагрузке Н достигает значения 0,37*Up=175,8 В ко времени
4
После момента времени t происходит размыкание ключа 2 и генератор готов к следующему циклу генерации импульсов. Таким образом, максимальная частота повторения импульсов равна
Таким образом, устройство позволяет генерировать импульсы напряжения с высокой частотой повторения, значительно превышающей частоту повторения импульсов прототипа.
Заявляемое устройство позволяет осуществлять регулировку времени прохождения прямого и обратного токов через дрейфовый диод с помощью изменения времени замыкания и размыкания ключей. При этом увеличение времени прохождения прямого тока через индуктивный накопитель энергии при неизменных величинах напряжений источников постоянного напряжения приводит к увеличению амплитуды напряжения на нагрузке.
Устройство позволяет использовать в качестве индуктивного накопителя любые индуктивные элементы, при этом не требуется согласование при их работе. В устройстве отсутствуют зарядные цепи, что приводит к сокращению времени подготовки к началу следующего цикла генерации импульсов и, как следствие, к повышению коэффициента полезного действия.
Генератор мощных наносекундных импульсов по варианту 2 включает последовательно соединенные между собой ключи 1 и 2, при этом ключ 1 соединен с источником постоянного напряжения 3, а ключ 2 соединен с общей шиной (см. фиг. 5).
Источник постоянного напряжения 4 в данном варианте изобретения имеет одинаковую с источником 3 полярность.
Устройство также содержит индуктивный накопитель энергии 5, который подключен к точке А соединения ключей 1 и 2 между собой и последовательно соединен с нагрузкой Н.
Устройство также включает дрейфовый диод 6 с резким восстановлением (размыкающий элемент), который подключен между индуктивным накопителем 5 и источником постоянного напряжения 4.
На фиг. 5 представлена схема генератора, в которой источники постоянного напряжения 3 и 4 имеет положительную полярность, при этом дрейфовый диод 6 соединен с источником постоянного напряжения 4 катодом.
Индуктивный накопитель энергии 5 соединен с нагрузкой Н через разделительный диод 10, которая в свою очередь подключена между анодом разделительного диода 10 и общей шиной.
Схема генератора, представленная на фиг. 6, отличается полярностью источников постоянного напряжения 3 и 4 и направлением включения дрейфового диода 6. В этой схеме ключ 1 соединен с источником постоянного напряжения 3 отрицательной полярности, а дрейфовый диод 6 соединен с источником постоянного напряжения 4 отрицательной полярности анодом.
Генератор мощных наносекундных импульсов по варианту 2 работает аналогично генератору по варианту 1. Отличия работы генератора по варианту 2 от работы генератора по 1 варианту заключаются в следующем:
2
2
2
3
2
1. Во время протекания через дрейфовый диод 6 прямого тока в период от t=0 до t на аноде дрейфового диода 6 напряжение составляет Ud=U+Vd относительно общей шины, а в период протекания обратного тока от t до t - Ud=U-Vd. От нагрузки Н данное напряжение блокируется разделительным диодом 10.
2
H
2
2. После обратного восстановления дрейфового диода 6 напряжение на нагрузке Н начинает нарастать после того, как напряжение на аноде дрейфового диода 6 превысит величину U (откроется разделительный диод 10) и составит U=Vd-U.
Генератор мощных наносекундных импульсов по варианту 2 позволяет использовать источники постоянного напряжения одной полярности, то есть позволяет использовать один основной источник, а не два, поскольку потребление источника питания дрейфового диода определяется только потерями в самом диоде и составляет малую долю общего потребления.
Преимуществом данного варианта также является то, что возможна работа с одним формирователем импульсов управления для обоих ключей, так как момент времени размыкания второго ключа можно совместить с моментом замыкания первого ключа следующего цикла.