ГЕНЕРАТОР ВЫСОКОВОЛЬТНЫХ ИМПУЛЬСОВ
HIGH-VOLTAGE PULSE GENERATOR

Изобретение относится к области высоковольтной импульсной техники и может найти применение для генерации прямоугольных коротких высоковольтных импульсов напряжения.
Известен генератор импульсов высокого напряжения прямоугольной формы, включающий накопительные конденсаторы, разрядники, зарядные резисторы и источник питания, включенные по схеме Аркадьева-Маркса (см. патент RU №2102834, МПК Н03K 3/53, 1988).
Недостатками данного устройства является низкий коэффициент полезного действия и невозможность регулировки длительности выходного импульса напряжения.
Наиболее близким по технической сущности к заявляемому решению является мощный широтно-импульсный модулятор, включающий зарядную цепь, устройство накопления энергии, полупроводниковый диод с накоплением заряда и резким восстановлением, нагрузку (см. патент US №3486043, МПК H03K 3/33, H03K 7/08, 1969).
В данном устройстве используют первый ключ для накачки диода с накоплением заряда, и второй ключ для подключения диода к нагрузке. Длительность выходного импульса определяет заряд, накопленный в диоде, скорость рекомбинации носителей заряда в диоде и задержка включения второго ключа. Регулировка длительности достигается изменением задержки включения второго ключа.
Наличие второго ключа приводит к потерям и требует сложной системы управления.
Длительность выходного импульса в данной схеме значительно зависит от времени рекомбинации носителей заряда в диоде с накоплением заряда, которое в свою очередь достаточно сильно зависит от температуры.
Данное устройство требует применения высоковольтного источника постоянного напряжения, что приводит к увеличению габаритов устройства за счет повышенных требований к электрической изоляции.
Таким образом, недостатками данного устройства являются низкий коэффициент полезного действия (далее - КПД), большие габариты, сложность управления и значительная зависимость длительности выходного импульса от температуры, что снижает стабильность работы устройства.
Технический результат заявляемого решения заключается в повышении КПД генератора до 70% и выше при одновременной высокой надежности работы устройства при получении прямоугольных импульсов высокого напряжения с регулируемой длительностью и амплитудой с высокой стабильностью и в широком диапазоне.
1
1
2
2
2
1
2
Для достижения указанного технического результата в генераторе высоковольтных импульсов, предназначенном для получения прямоугольных импульсов напряжения, включающем зарядную цепь, ограничитель и нагрузку, согласно изобретению, зарядная цепь введена в генератор Маркса, содержащий также N - звеньев, состоящих из ключей с конденсаторами, соединенных по каскадной схеме умножения напряжения Аркадьева-Маркса, причем конденсатор генератора Маркса первого звена подключен к общей шине, а зарядная цепь генератора Маркса подключена к общей шине и к точкам соединения конденсаторов и ключей в каждом из N - звеньев, при этом между последним ключом генератора Маркса и общей шиной последовательно подключены дроссель и импульсный диод с малым временем обратного восстановления, а ограничитель включает зарядную цепь и N - звеньев, состоящих из соединенных последовательно дрейфовых диодов и конденсаторов, причем конденсатор ограничителя первого звена подключен к общей шине, а зарядная цепь ограничителя подключена к общей шине и к точкам соединения конденсаторов и дрейфовых диодов в каждом звене из N - звеньев, при этом последний дрейфовый диод из N - звеньев ограничителя подключен к точке соединения нагрузки и импульсного диода с малым временем обратного восстановления, причем параметры зарядных цепей генератора Маркса и ограничителя и количество их звеньев N и N должны удовлетворять условию:
где
M
1
1
U = NU - напряжение генератора Маркса;
1
N - количество звеньев в генераторе Маркса;
1
U - напряжение, которое определяется зарядной цепью генератора Маркса;
O
2
2
2
d
U = NU + NU - напряжение ограничителя;
2
N - количество звеньев в ограничителе;
2
U - напряжение, которое определяется зарядной цепью ограничителя;
d
U - падение напряжения на дрейфовом диоде;
d1
U - падение напряжения на импульсном диоде с малым временем обратного восстановления.
Сочетание в заявляемом изобретении генератора Маркса в качестве источника высокого напряжения и ограничителя в виде каскада дрейфовых диодов позволяет получать высоковольтные сильноточные прямоугольные импульсы с диапазоном ширины 100 наносекунд - 100 микросекунд и с диапазоном амплитуды 1 kV - 400 kV. При этом фронт получаемого импульса для наносекундного диапазона составляет менее 20 наносекунд, а для микросекундного диапазона - менее 100 микросекунд.
Заявляемое изобретение дает возможность регулировки и амплитуды и длительности импульсов с высокой стабильностью и в широком диапазоне.
В устройстве регулировка длительности выходного импульса достигается за счет изменения заряда, накопленного в дрейфовом диоде. А изменение указанного заряда в свою очередь достигается изменением напряжения на конденсаторах генератора Маркса.
При этом в дрейфовых диодах рекомбинация носителей слабо влияет на накопленный заряд в течение длительности выходного импульса. Следовательно, длительность выходного импульса слабо зависит от времени рекомбинации носителей заряда в диоде и, следовательно, слабо зависит от температуры.
Заявляемое устройство не содержит ключа, соединяющего дрейфовый диод с нагрузкой, что приводит к уменьшению потерь и, как следствие, повышению КПД, и упрощению управления.
Заявляемое устройство не содержит источника высокого постоянного напряжения, что приводит к уменьшению его габаритов. Вместо источника высокого постоянного напряжения используют конденсаторы генератора Маркса и ограничителя, которые заряжаются до низкого напряжения и подключаются последовательно для формирования высокого напряжения только на короткое время формирования импульса напряжения на нагрузке.
Из вышесказанного следует, что введенные отличительные признаки влияют на указанный технический результат, находятся с ним в причинно-следственной связи.
Способ иллюстрируется чертежами, где: на фиг. 1 представлена функциональная схема генератора высоковольтных импульсов; на фиг. 2 представлены временные графики токов, зарядов и напряжений в схеме, а именно, на фиг. 2а представлен временной график напряжения генератора Маркса; на фиг. 2б представлен временной график тока через дроссель; на фиг. 2в представлен временной график напряжения на нагрузке; на фиг. 2г представлен временной график тока через дрейфовые диоды; на фиг. 2д представлен временной график заряда, накопленного в дрейфовых диодах.
1
1
2
2
На чертежах использованы следующие позиции: 1 - зарядная цепь генератора Маркса; 2 - ключи N - звеньев генератора Маркса; 3 - конденсаторы N - звеньев генератора Маркса; 4 - дроссель; 5 - импульсный диод с малым временем обратного восстановления; 6 - нагрузка; 7 - зарядная цепь ограничителя; 8 - дрейфовые диоды N - звеньев ограничителя; 9 - конденсаторы N - звеньев ограничителя.
Генератор высоковольтных импульсов включает источник высокого напряжения, в качестве которого использован генератор Маркса.
1
Генератор Маркса содержит зарядную цепь 1 и N - звеньев, состоящих из ключей 2 с конденсаторами 3, соединенных по каскадной схеме умножения напряжения Аркадьева-Маркса.
При этом конденсатор 3 первого звена подключен к общей шине, а зарядная цепь 1 подключена к общей шине и к точкам соединения конденсаторов 3 и ключей 2 в каждом звене.
1
Устройство также включает дроссель 4, импульсный диод 5 с малым временем обратного восстановления и нагрузку 6, подключенные последовательно между последним ключом 2 из N - звеньев генератора Маркса и общей шиной.
2
2
Устройство включает ограничитель, содержащий зарядную цепь 7 и N - звеньев, состоящих из соединенных последовательно дрейфовых диодов 8 и конденсаторов 9. При этом конденсатор 9 первого звена из N - звеньев ограничителя подключен к общей шине, а зарядная цепь 7 подключена к общей шине и к точкам соединения конденсаторов 9 и дрейфовых диодов 8 в каждом звене.
2
Последний дрейфовый диод 8 из N - звеньев ограничителя подключен к точке соединения нагрузки 6 и импульсного диода 5 с малым временем обратного восстановления.
Генератор высоковольтных импульсов работает следующим образом.
1
1
В начальный момент ключи 2 разомкнуты, каждый конденсатор 3 из N - звеньев в генераторе Маркса заряжен до напряжения U, которое определяется зарядной цепью 1 генератора Маркса.
2
2
M
1
1
Также каждый конденсатор 9 из N - звеньев ограничителя заряжен до напряжения U, определяемого зарядной цепью 7 ограничителя. Напряжение генератора Маркса U, равное NU, должно удовлетворять условию:
где
M
1
1
U = NU - напряжение генератора Маркса;
1
N - количество звеньев в генераторе Маркса;
1
U - напряжение, которое определяется зарядной цепью 1 генератора Маркса;
O
2
2
2
d
U = NU + NU - напряжение ограничителя;
2
N - количество звеньев в ограничителе;
2
U - напряжение, которое определяется зарядной цепью 7 ограничителя;
d
U - падение напряжения на дрейфовом диоде 8;
d1
U - падение напряжения на импульсном диоде 5 с малым временем обратного восстановления.
Дрейфовые диоды 8 ограничителя обратно смещены и ток через них не протекает. На нагрузке 6 напряжение равно 0.
1
1
В момент времени t = 0 замыкаются ключи 2 в генераторе Маркса, в точке подключения дросселя 4 к генератору Маркса возникает напряжение NU.
L
Через дроссель 4 и импульсный диод 5 с малым временем обратного восстановления начинает протекать ток I в нагрузку 6. Дрейфовые диоды 8 ограничителя закрыты.
На нагрузке 6 возникает напряжение согласно формуле
R
L
U = I R, где
R
U - напряжение на нагрузке 6;
L
I - ток через дроссель 4;
R - сопротивление нагрузки 6.
L
Ток I через дроссель 4 имеет синусоидальную форму, а именно
, где
1
1
C = C/N - суммарная емкость конденсаторов 3 генератора Маркса;
L - индуктивность дросселя 4;
t - переменная времени.
M
Напряжение генератора Маркса U также имеет синусоидальную форму:
1
R
2
d
2
2
В момент времени t = t, напряжение U на нагрузке 6 превышает сумму падений напряжения на дрейфовых диодах 8 NU и напряжения на конденсаторах 9 ограничителя NU, то есть
L
Тогда часть тока I дросселя 4 начинает течь через дрейфовые диоды 8 в конденсаторы 9 ограничителя. При этом конденсаторы 9 ограничителя имеют достаточно большую емкость, и изменением напряжения на них можно пренебречь.
L
При дальнейшем увеличении тока I напряжение на нагрузке 6 не изменяется и остается равным:
2
Таким образом, в момент времени t = t через дрейфовые диоды 8 протекает ток равный:
где
d
I - ток через дрейфовые диоды 8.
d
В дрейфовых диодах 8 накапливается заряд Q.
2
L
В момент времени t = t ток I дросселя 4 спадает до значения:
d
d
Тогда ток I через дрейфовые диоды 8 меняет направление и начинает течь из генератора Маркса в нагрузку 6. При этом заряд Q в дрейфовых диодах 8 уменьшается.
3
L
В момент времени t = t, когда ток I дросселя 4 спадает до 0, импульсный диод 5 с малым временем обратного восстановления переходит в непроводящее состояние, ток через дрейфовые диоды 8 равен:
d
Ток I остается постоянным до момента обратного восстановления дрейфовых диодов 8.
4
d
1
4
В момент времени t = t заряд Q в дрейфовых диодах 8 уменьшается до 0, то есть в промежуток времени от t до t
d
R
При этом происходит обратное восстановление дрейфовых диодов 8, и ток I через дрейфовые диоды 8 прерывается. Напряжение U на нагрузке 6 становится равным 0.
4
2
2
2
d
Таким образом, на нагрузке 6 формируется прямоугольный импульс напряжения длительностью t и амплитудой NU + NU.
2
1
Амплитуду импульса можно регулировать, изменяя напряжение U. Длительность импульса на нагрузке 6 можно регулировать, изменяя напряжение U.
3
К моменту времени t = t конденсаторы 3 генератора Маркса разряжены до суммарного напряжения:
1
2
За счет выбора напряжений U и U таких значений, что соблюдалось условие:
M
M
напряжение генератора Маркса U при этом меньше нуля, то есть U < 0 и импульсный диод 5 с малым временем обратного восстановления остается в закрытом состоянии до следующего замыкания ключей 2 генератора Маркса.
1
1
Ток через ключи 2 не течет и их можно разомкнуть и начать заряд конденсаторов 3 до начального суммарного значения NU. Напряжение на конденсаторах 9 ограничителя за счет их большой емкости меняется мало, постоянство напряжения на времени много большем времени импульса обеспечивает зарядная цепь 7 ограничителя.
Приводим пример конкретного выполнения генератора высоковольтных импульсов как доказательство высоких показателей заявленного устройства и достижения технического результата.
R
ИМП
Например, генератор прямоугольных импульсов напряжения с регулируемой амплитудой U = 17-50 кВ на нагрузке R = 500 Ом, и регулируемой длительностью импульса t = 5-15 мкс.
Выбраны следующие параметры генератора Маркса:
1
1
1
N = 20 звеньев с конденсаторами 3 емкостью C = 112 нФ, при этом каждый конденсатор 3 заряжался до напряжения U = 5-10 кВ в зависимости от амплитуды и длительности выходного импульса.
Выбраны следующие параметры ограничителя:
2
2
N = 10 звеньев с конденсаторами 9, каждый из них заряжен до напряжения U = 1,7-5 кВ в зависимости от амплитуды выходного импульса.
Индуктивность дросселя 4 выбрана L = 60 мкГн.
d
d1
Используемые дрейфовые диоды 8 имеют падения напряжения U = 36 В, используемый импульсный диод 5 с малым временем восстановления имеет падение напряжения U = 100 В.
Для оценки КПД генератора представляем работу генератора с амплитудой 50,36 кВ и длительностью 5,5 мкс.
1
2
В таком случае напряжения на конденсаторах 3 и 9 выбираются следующих значений: U = 5,05 кВ и U = 5 кВ.
Форма напряжения на нагрузке 6 имеет вид:
R
L
U = IR = 241*103*sin (l,7*106*t) В, при t = 0…0,l мкс.
1
R
В момент времени t = 0,1 мкс, напряжение U на нагрузке 6 превышает сумму падений напряжения на дрейфовых диодах 8 и напряжения на конденсаторах 9 ограничителя:
2
2
2
d
NU + NU = 50,36 кВ,
L
при дальнейшем увеличении тока I напряжение на нагрузке 6 не изменяется и остается равным 50,36 кВ.
Через дрейфовые диоды 8 протекает ток, равный:
d
L
2
2
2
d
I = I - (NU + NU)/R = 482 * sin (1,7*106*t) - 100,7 A, при t = 0,1…1,8 мкс.
2
К моменту t = 1,7 мкс в дрейфовых диодах 8 накапливается заряд
d
d
Q = ∫Idt = 400 мкКл, при t = 0,1…1,7 мкс.
d
Далее ток через дрейфовые диоды 8 меняет направление и начинает течь из генератора Маркса в нагрузку 6. При этом заряд Q в дрейфовых диодах 8 уменьшается.
3
L
В момент времени t = 1,8 мкс, когда ток I дросселя 4 спадает до 0, импульсный диод 5 с малым временем обратного восстановления переходит в непроводящее состояние, ток через дрейфовые диоды 8 равен:
d
2
2
2
d
I = (NU + NU)/R = 100,7 А.
Ток остается постоянным до момента обратного восстановления дрейфовых диодов 8.
4
R
В момент времени t = 5,5 мкс заряд в дрейфовых диодах 8 уменьшается до 0. При этом происходит обратное восстановление дрейфовых диодов 8, и ток через дрейфовые диоды 8 прерывается. Напряжение U на нагрузке 6 становится равным 0.
Таким образом, на нагрузке 6 формируется прямоугольный импульс напряжения длительностью 5,5 мкс и амплитудой 50,36 кВ.
3
К моменту времени t = 1,8 мкс конденсаторы 3 генератора Маркса разряжены до суммарного напряжения
M
2
2
2
d
d1
1
1
U = 2 (NU + NU + U) - NU = - 80 В.
Энергия, полученная от разряда конденсаторов 3 Маркса, равна:
BX
E = 20 * 112 нФ * (5,05 кВ + 80 В / 20) 2 / 2 = 28,6 Дж.
Напряжение на конденсаторах 9 ограничителя в процессе генерации менялось мало, то есть можно пренебречь изменениями энергии связанной с конденсаторами 9 ограничителя.
Энергия, поступающая на нагрузку 6 в импульсе, равна:
ВЫХ
R
ИМП
2
Е = U * t / R = 27,9 Дж
Таким образом, КПД составил 27,9 Дж/28,6 Дж = 97,5%.
На практике КПД генератора составил немногим более 70%. Отличие связано с тем, что выше не учитывались потери в ключах 2 генератора Маркса и зарядных цепях 1 и 7 генератора Маркса и ограничителя.