ВЫСОКОВОЛЬТНЫЙ ИМПУЛЬСНЫЙ МОДУЛЯТОР

Полезная модель относится к электронной технике, в частности к импульсной технике, и может быть использована в высоковольтных импульсных модуляторах для выходных генераторных электровакуумных приборов СВЧ импульсных передатчиков РЛС.
Широко известны импульсные модуляторы для генераторных приборов СВЧ, в частности, магнетронов, построенные по традиционной схеме с использованием в ключевых каскадах электровакуумных приборов (см., например, [1]). Недостатками известных модуляторов являются ограниченный ресурс работы, низкий КПД, значительные габариты и вес.
От некоторых из перечисленных выше недостатков свободны импульсные модуляторы с высоковольтными ключами на n-р-n, р-n-р полевых или биполярных транзисторах (см., например, [2], [3], [4], [5]). К недостаткам таких модуляторов можно отнести то, что электрическая прочность транзисторов невысока, а меры, принимаемые для расширения областей безопасных режимов, приводят к дополнительным потерям энергии и уменьшению КПД.
Из них наиболее близким к заявляемой полезной модели является импульсный модулятор [6], содержащий столб из последовательно соединенных ячеек на полевых транзисторах, подключенный посредством RC-цепи к шинам питания и нагрузки, который выбран в качестве прототипа.
Полевые транзисторы обладают хорошими коммутирующими свойствами, однако они чрезвычайно восприимчивы к внезапным, мощным выбросам напряжения или тока, которые могут вывести их из строя, особенно если они находятся в запертом, т.е. непроводящем состоянии. Кроме того, существующие в настоящее время полевые транзисторы имеют максимальное напряжение сток-исток от 1 до 1,5 кВ, что практически исключает их использование для коммутации напряжений более высоковольтного диапазона. Принципиально прототип, в котором полевые транзисторы соединены последовательно, позволяет использовать эти транзисторы в модуляторных схемах, обеспечивающих коммутацию напряжений, превышающих максимально допустимое для транзисторов напряжение. Однако он ненадежен в работе, поскольку неравномерность распределения между полевыми транзисторами мгновенных значений мощности потерь, возникающих при их отпирании и запирании, может привести к перегрузке и пробою любого из транзисторов.
Задачей, на решение которой направлена заявляемая полезная модель, является создание высоконадежного малогабаритного импульсного
модулятора, предназначенного для коммутации коротких (0,3-1 мкс) высоковольтных (5-10 кВ) импульсов большой мощности.
Для решения поставленной задачи известный импульсный модулятор, содержащий столб из последовательно соединенных ячеек на полевых транзисторах, подключенный посредством RC-цепи к шинам питания и нагрузки, дополнительно снабжен трансформаторами тока, число которых соответствует числу ячеек столба, при этом общая первичная обмотка трансформаторов подключена к выходу генератора управляющих импульсов, а каждая из вторичных обмоток - к входу соответствующей ячейки столба, содержащей также ограничитель напряжения, катод которого соединен со стоком, а анод - с истоком полевого транзистора, и антизвонный резистор, подключенный к затвору полевого транзистора и первому выводу вторичной обмотки соответствующего трансформатора, второй вывод которой подключен к истоку полевого транзистора.
Отличительные признаки заявленного решения (в совокупности с известными признаками) обеспечивают получение указанного технического результата. Так, за счет введения трансформаторов тока, подключенных общей первичной обмоткой к выходу генератора управляющих импульсов, а вторичными - к входам транзисторных ячеек столба, достигается одновременность отпирания и запирания полевых транзисторов во всех ячейках столба, за счет чего в свою очередь достигается оптимальность динамического распределения напряжений между транзисторами и равномерность распределения мгновенных значений мощности потерь запирания (отпирания) транзисторов, и практически полностью исключается вероятность перегрузки и пробоя транзисторов. Это способствует повышению надежности работы модулятора и увеличению срока его службы.
1
1
2
З
М
Полезная модель поясняется чертежами, где на фиг.1 приведена схема электрическая высоковольтного импульсного модулятора, на фиг.2 - эпюры напряжений и токов, поясняющие его работу, где U - напряжение управляющего импульса; i - ток в первичной обмотке трансформаторов тока; i - токи во вторичных обмотках трансформаторов тока; U - напряжение на затворах полевых транзисторов ячеек столба; i - ток нагрузки (магнетрона).
1
N
огр
пит
нак
бал
1
N
1
N
1
М
1
N
1
N
1
N
Высоковольтный импульсный модулятор содержит столб из последовательно соединенных ключевых ячеек Я...Я, RC-цепь, состоящую из ограничительного резистора R, подключенного к шине питания U, и накопительного конденсатора С, подключенного к шине магнетрона М, балластный резистор R, подключенный к общей шине, и трасформаторы тока TT...TT, общая первичная обмотка которых подключена к генератору управляющих импульсов (не показан), а вторичные обмотки - к входам соответствующих ключевых ячеек Я...Я столба. Каждая из ячеек Я...Я содержит полевой транзистор VT...VT, антизвонный резистор R...R и ограничитель напряжения VD...VD соответственно. Количество ячеек
1
М
пит
max
1
М
max
1
N
1
N
1
N
1
N
1
N
1
N
1
N
1
N
Я...Я выбирается из соотношения N≥U/U, где N - количество последовательно соединенных в столб ячеек Я...Я, U - максимально допустимое для транзисторов VT...VT напряжение. Ограничители напряжения VD...VD, обеспечивающие защиту транзисторов VT...VT от перегрузки по напряжению, катодами подключены к стокам, а анодами - к истокам соответствующих транзисторов VT...VT и первым выводам вторичных обмоток соответствующих трансформаторов TT...TT. Другие выводы вторичных обмоток трансформаторов TT...TT соединены с первыми выводами резисторов R...R, у которых вторые выводы соединены с затворами транзисторов VT...VT.
Работа высоковольтного импульсного модулятора осуществляется следующим образом.
огр
нак
1
1
1
N
2
1
N
З
пop
1
N
нак
1
N
бал
нак
М
ф
М
1
2
1
N
З
1
N
сп
М
2
1
N
ф
сп
М
От источника высокого напряжения Плит через токоограничительный резистор R происходит постоянный подзаряд конденсатора С. При поступлении на вход модулятора управляющего сигнала (U и i на фиг.2) во всех вторичных обмотках трансформаторов TT...TT одновременно начинает протекать импульс тока i. При этом происходит заряд емкостей затворов транзисторов VT...VT, и на затворах транзисторов появляется напряжение U, в момент достижения которым порогового значения U транзисторы VT...VT открываются. При этом по цепи первая обкладка С - VT...VT - R - общая шина - магнетрон М - вторая обкладка С будет протекать ток i, нарастающий за время τ формирования фронта до максимальной величины I. По окончании импульса напряжения U импульс тока i обратной полярности производит разряд емкостей затворов транзисторов VT...VT. Напряжение U падает до нуля, транзисторы VT...VT закрываются, и за время τ происходит спад импульса тока i. Поскольку мгновенные значения токов i одинаковы во всех ячейках, запирание и отпирание транзисторов VT...VT происходит одновременно, обеспечивая тем самым равномерное распределение мгновенных значений мощностей потерь между всеми ячейками столба, а также высокую крутизну фронта (τ) и спада (τ) импульса тока i.
п
пит
М
Экспериментальная проверка работоспособности заявленного решения была проведена в лабораторных условиях на макете импульсного передатчика РЛС с высоковольтным импульсным модулятором, содержащим столб из двенадцати последовательно соединенных ячеек (N=12) на полевых транзисторах IRFPG50, подключенных к генератору управляющих (запускающих) импульсов посредством двенадцати трансформаторов тока, имеющих общую первичную обмотку и раздельные - по числу ячеек - вторичные. В качестве нагрузки модулятора был использован магнетрон, имеющий импульсную мощность не менее 5 кВт, анодное напряжение 6 кВ, импульсный анодный ток в пределах от 7 до 10 А, и длительность высокочастотного импульса τ в пределах от 0,3 до 0,6 мкс. Проверка осуществлялась при напряжении питания U=9 кВ, импульсном токе в нагрузке I=10 А, частоте следования импульсов 2,5 кГц и скважности в
М
пределах от 750 до 1000. На фиг.2 изображены эпюры, иллюстрирующие формирование импульсов тока магнетрона i, полученные в результате экспериментальной проверки работоспособности схемы высоковольтного импульсного модулятора в соответствии с заявленным решением.
ф
п
сп
Результаты проверки показали, что высоковольтный импульсный модулятор, выполненный в соответствии с заявленным решением, устойчив и высоконадежен в работе. При этом он, по сравнению с известными, в том числе с прототипом, имеет улучшенные характеристики выходного сигнала (τ, τ и τ на фиг.2), а также значительно меньшие габариты и вес.
Источники информации, принятые во внимание при составлении описания изобретения
1. Журнал "Современная электроника", №3, 2005, с.2, рис.1
2. Иванов-Цыганов А.И. и др. Источники вторичного электропитания приборов СВЧ. М., Радио и связь, 1989, с.102
3. Патент РФ №2006181, МПК Н03К 17/687, 1994
4. Европейский патент ЕПВ №0409747, МПК Н03К 17/687, 1990
5. Патент РФ №2024187, МПК Н03К 17/687, 1994
6. Вопросы разработки твердотельных импульсных модуляторов для электровакуумных приборов СВЧ. Ж. "Современная электроника", №3, 2005, с.2, рис.2 (прототип).