Генератор высоковольтных импульсов

Изобретение относится к области высоковольтной импульсной техники. Генератор включает зарядную цепь, ограничитель и нагрузку. Зарядная цепь введена в генератор Маркса, содержащий также N₁ - звеньев, состоящих из ключей с конденсаторами, соединенных по каскадной схеме умножения напряжения Аркадьева-Маркса. 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 N₁ - звеньев. Между последним ключом генератора Маркса и общей шиной последовательно подключены дроссель и импульсный диод с малым временем обратного восстановления. Ограничитель включает зарядную цепь и N₂ - звеньев, состоящих из соединенных последовательно дрейфовых диодов и конденсаторов. Конденсатор ограничителя первого звена подключен к общей шине. Зарядная цепь ограничителя подключена к общей шине и к точкам соединения конденсаторов и дрейфовых диодов в каждом звене из N₂ - звеньев. Последний дрейфовый диод из N₂ - звеньев ограничителя подключен к точке соединения нагрузки и импульсного диода с малым временем обратного восстановления. Параметры зарядных цепей генератора Маркса и ограничителя и количество их звеньев N₁ и N₂ должны удовлетворять заданным условиям. Технический результат заключается в повышении КПД генератора. 2 ил.

.

 

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.

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 N₁ - 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 N₁ - 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 N₂ - 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 N₂ - звеньев, при этом последний дрейфовый диод из N₂ - 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 N₁ и N₂ должны удовлетворять условию:

где

U_M = N₁U₁ - напряжение генератора Маркса;

N₁ - количество звеньев в генераторе Маркса;

U₁ - напряжение, которое определяется зарядной цепью генератора Маркса;

U_O = N₂U₂ + N₂U_d - напряжение ограничителя;

N₂ - количество звеньев в ограничителе;

U₂ - напряжение, которое определяется зарядной цепью ограничителя;

U_d - падение напряжения на дрейфовом диоде;

U_d1 - 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.

На чертежах использованы следующие позиции: 1 - зарядная цепь генератора Маркса; 2 - ключи N₁ - звеньев генератора Маркса; 3 - конденсаторы N₁ - звеньев генератора Маркса; 4 - дроссель; 5 - импульсный диод с малым временем обратного восстановления; 6 - нагрузка; 7 - зарядная цепь ограничителя; 8 - дрейфовые диоды N₂ - звеньев ограничителя; 9 - конденсаторы N₂ - звеньев ограничителя.

Генератор высоковольтных импульсов включает источник высокого напряжения, в качестве которого использован генератор Маркса.

Генератор Маркса содержит зарядную цепь 1 и N₁ - 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.

Устройство также включает дроссель 4, импульсный диод 5 с малым временем обратного восстановления и нагрузку 6, подключенные последовательно между последним ключом 2 из N₁ - звеньев генератора Маркса и общей шиной.

Устройство включает ограничитель, содержащий зарядную цепь 7 и N₂ - звеньев, состоящих из соединенных последовательно дрейфовых диодов 8 и конденсаторов 9. При этом конденсатор 9 первого звена из N₂ - 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.

Последний дрейфовый диод 8 из N₂ - звеньев ограничителя подключен к точке соединения нагрузки 6 и импульсного диода 5 с малым временем обратного восстановления.

Генератор высоковольтных импульсов работает следующим образом.

В начальный момент ключи 2 разомкнуты, каждый конденсатор 3 из N₁ - звеньев в генераторе Маркса заряжен до напряжения U₁, которое определяется зарядной цепью 1 генератора Маркса.

Также каждый конденсатор 9 из N₂ - звеньев ограничителя заряжен до напряжения U₂, определяемого зарядной цепью 7 ограничителя. Напряжение генератора Маркса U_M, равное N₁U₁, должно удовлетворять условию:

где

U_M = N₁U₁ - напряжение генератора Маркса;

N₁ - количество звеньев в генераторе Маркса;

U₁ - напряжение, которое определяется зарядной цепью 1 генератора Маркса;

U_O = N₂U₂ + N₂U_d - напряжение ограничителя;

N₂ - количество звеньев в ограничителе;

U₂ - напряжение, которое определяется зарядной цепью 7 ограничителя;

U_d - падение напряжения на дрейфовом диоде 8;

U_d1 - 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.

В момент времени t = 0 замыкаются ключи 2 в генераторе Маркса, в точке подключения дросселя 4 к генератору Маркса возникает напряжение N₁U₁.

Через дроссель 4 и импульсный диод 5 с малым временем обратного восстановления начинает протекать ток I_L в нагрузку 6. Дрейфовые диоды 8 ограничителя закрыты.

На нагрузке 6 возникает напряжение согласно формуле

U_R = I_L R, где

U_R - напряжение на нагрузке 6;

I_L - ток через дроссель 4;

R - сопротивление нагрузки 6.

Ток I_L через дроссель 4 имеет синусоидальную форму, а именно

, где

C = C₁/N₁ - суммарная емкость конденсаторов 3 генератора Маркса;

L - индуктивность дросселя 4;

t - переменная времени.

Напряжение генератора Маркса U_M также имеет синусоидальную форму:

В момент времени t = t₁, напряжение U_R на нагрузке 6 превышает сумму падений напряжения на дрейфовых диодах 8 N₂U_d и напряжения на конденсаторах 9 ограничителя N₂U₂, то есть

Тогда часть тока I_L 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.

При дальнейшем увеличении тока I_L напряжение на нагрузке 6 не изменяется и остается равным:

Таким образом, в момент времени t = t₂ через дрейфовые диоды 8 протекает ток равный:

где

I_d - ток через дрейфовые диоды 8.

В дрейфовых диодах 8 накапливается заряд Q_d.

В момент времени t = t₂ ток I_L дросселя 4 спадает до значения:

Тогда ток I_d через дрейфовые диоды 8 меняет направление и начинает течь из генератора Маркса в нагрузку 6. При этом заряд Q_d в дрейфовых диодах 8 уменьшается.

В момент времени t = t₃, когда ток I_L дросселя 4 спадает до 0, импульсный диод 5 с малым временем обратного восстановления переходит в непроводящее состояние, ток через дрейфовые диоды 8 равен:

Ток I_d остается постоянным до момента обратного восстановления дрейфовых диодов 8.

В момент времени t = t₄ заряд Q_d в дрейфовых диодах 8 уменьшается до 0, то есть в промежуток времени от t₁ до t₄

При этом происходит обратное восстановление дрейфовых диодов 8, и ток I_d через дрейфовые диоды 8 прерывается. Напряжение U_R на нагрузке 6 становится равным 0.

Таким образом, на нагрузке 6 формируется прямоугольный импульс напряжения длительностью t₄ и амплитудой N₂U₂ + N₂U_d.

Амплитуду импульса можно регулировать, изменяя напряжение U₂. Длительность импульса на нагрузке 6 можно регулировать, изменяя напряжение U₁.

К моменту времени t = t₃ конденсаторы 3 генератора Маркса разряжены до суммарного напряжения:

За счет выбора напряжений U₁ и U₂ таких значений, что соблюдалось условие:

напряжение генератора Маркса U_M при этом меньше нуля, то есть U_M < 0 и импульсный диод 5 с малым временем обратного восстановления остается в закрытом состоянии до следующего замыкания ключей 2 генератора Маркса.

Ток через ключи 2 не течет и их можно разомкнуть и начать заряд конденсаторов 3 до начального суммарного значения N₁U₁. 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.

Например, генератор прямоугольных импульсов напряжения с регулируемой амплитудой U_R = 17-50 кВ на нагрузке R = 500 Ом, и регулируемой длительностью импульса t_ИМП = 5-15 мкс.

Выбраны следующие параметры генератора Маркса:

N₁ = 20 звеньев с конденсаторами 3 емкостью C₁ = 112 нФ, при этом каждый конденсатор 3 заряжался до напряжения U₁ = 5-10 кВ в зависимости от амплитуды и длительности выходного импульса.

Выбраны следующие параметры ограничителя:

N₂ = 10 звеньев с конденсаторами 9, каждый из них заряжен до напряжения U₂ = 1,7-5 кВ в зависимости от амплитуды выходного импульса.

Индуктивность дросселя 4 выбрана L = 60 мкГн.

Используемые дрейфовые диоды 8 имеют падения напряжения U_d = 36 В, используемый импульсный диод 5 с малым временем восстановления имеет падение напряжения U_d1 = 100 В.

Для оценки КПД генератора представляем работу генератора с амплитудой 50,36 кВ и длительностью 5,5 мкс.

В таком случае напряжения на конденсаторах 3 и 9 выбираются следующих значений: U₁ = 5,05 кВ и U₂ = 5 кВ.

Форма напряжения на нагрузке 6 имеет вид:

U_R = I_LR = 241*103*sin (l,7*106*t) В, при t = 0…0,l мкс.

В момент времени t₁ = 0,1 мкс, напряжение U_R на нагрузке 6 превышает сумму падений напряжения на дрейфовых диодах 8 и напряжения на конденсаторах 9 ограничителя:

N₂U₂ + N₂U_d = 50,36 кВ,

при дальнейшем увеличении тока I_L напряжение на нагрузке 6 не изменяется и остается равным 50,36 кВ.

Через дрейфовые диоды 8 протекает ток, равный:

I_d = I_L - (N₂U₂ + N₂U_d)/R = 482 * sin (1,7*106*t) - 100,7 A, при t = 0,1…1,8 мкс.

К моменту t₂ = 1,7 мкс в дрейфовых диодах 8 накапливается заряд

Q_d = ∫I_ddt = 400 мкКл, при t = 0,1…1,7 мкс.

Далее ток через дрейфовые диоды 8 меняет направление и начинает течь из генератора Маркса в нагрузку 6. При этом заряд Q_d в дрейфовых диодах 8 уменьшается.

В момент времени t₃ = 1,8 мкс, когда ток I_L дросселя 4 спадает до 0, импульсный диод 5 с малым временем обратного восстановления переходит в непроводящее состояние, ток через дрейфовые диоды 8 равен:

I_d = (N₂U₂ + N₂U_d)/R = 100,7 А.

Ток остается постоянным до момента обратного восстановления дрейфовых диодов 8.

В момент времени t₄ = 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_R на нагрузке 6 становится равным 0.

Таким образом, на нагрузке 6 формируется прямоугольный импульс напряжения длительностью 5,5 мкс и амплитудой 50,36 кВ.

К моменту времени t₃ = 1,8 мкс конденсаторы 3 генератора Маркса разряжены до суммарного напряжения

U_M = 2 (N₂U₂ + N₂U_d + U_d1) - N₁U₁ = - 80 В.

Энергия, полученная от разряда конденсаторов 3 Маркса, равна:

E_BX = 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:

Е_ВЫХ = U_R² * t_ИМП / 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.

Генератор высоковольтных импульсов, предназначенный для получения прямоугольных импульсов напряжения, включающий зарядную цепь, ограничитель и нагрузку, отличающийся тем, что зарядная цепь введена в генератор Маркса, содержащий также N₁-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 N₁-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 N₂-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 N₂-звеньев, при этом последний дрейфовый диод из N₂-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 N₁ и N₂ должны удовлетворять условию:

U_M > 2 (U_O + U_d1) или N₁U₁ > 2 (N₂U₂ + N₂U_d + U_d1), где

U_M = N₁U₁ - напряжение генератора Маркса;

N₁ - количество звеньев в генераторе Маркса;

U₁ - напряжение, которое определяется зарядной цепью генератора Маркса;

U_O = N₂U₂ + N₂U_d - напряжение ограничителя;

N₂ - количество звеньев в ограничителе;

U₂ - напряжение, которое определяется зарядной цепью ограничителя;

U_d - падение напряжения на дрейфовом диоде;

U_d1 - падение напряжения на импульсном диоде с малым временем обратного восстановления.