Генератор высоковольтных импульсов



Генератор высоковольтных импульсов
Генератор высоковольтных импульсов
Генератор высоковольтных импульсов
Генератор высоковольтных импульсов
Генератор высоковольтных импульсов
Генератор высоковольтных импульсов
Генератор высоковольтных импульсов
Генератор высоковольтных импульсов
Генератор высоковольтных импульсов
Генератор высоковольтных импульсов
Генератор высоковольтных импульсов
Генератор высоковольтных импульсов
Генератор высоковольтных импульсов
Генератор высоковольтных импульсов

 

H03K3/53 - Импульсная техника (измерение импульсных характеристик G01R; механические счетчики с электрическим входом G06M; устройства для накопления /хранения/ информации вообще G11; устройства хранения и выборки информации в электрических аналоговых запоминающих устройствах G11C 27/02; конструкция переключателей для генерации импульсов путем замыкания и размыкания контактов, например с использованием подвижных магнитов, H01H; статическое преобразование электрической энергии H02M;генерирование колебаний с помощью схем, содержащих активные элементы, работающие в некоммутационном режиме, H03B; импульсная модуляция колебаний синусоидальной формы H03C;H04L ; схемы дискриминаторов с подсчетом импульсов H03D;

Владельцы патента RU 2636108:

Ефанов Михаил Владимирович (RU)

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

UM = N1U1 - напряжение генератора Маркса;

N1 - количество звеньев в генераторе Маркса;

U1 - напряжение, которое определяется зарядной цепью генератора Маркса;

UO = N2U2 + N2Ud - напряжение ограничителя;

N2 - количество звеньев в ограничителе;

U2 - напряжение, которое определяется зарядной цепью ограничителя;

Ud - падение напряжения на дрейфовом диоде;

Ud1 - 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 UM, равное N1U1, должно удовлетворять условию:

где

UM = N1U1 - напряжение генератора Маркса;

N1 - количество звеньев в генераторе Маркса;

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

UO = N2U2 + N2Ud - напряжение ограничителя;

N2 - количество звеньев в ограничителе;

U2 - напряжение, которое определяется зарядной цепью 7 ограничителя;

Ud - падение напряжения на дрейфовом диоде 8;

Ud1 - 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 IL в нагрузку 6. Дрейфовые диоды 8 ограничителя закрыты.

На нагрузке 6 возникает напряжение согласно формуле

UR = IL R, где

UR - напряжение на нагрузке 6;

IL - ток через дроссель 4;

R - сопротивление нагрузки 6.

Ток IL 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 UM также имеет синусоидальную форму:

В момент времени t = t1, напряжение UR на нагрузке 6 превышает сумму падений напряжения на дрейфовых диодах 8 N2Ud и напряжения на конденсаторах 9 ограничителя N2U2, то есть

Тогда часть тока IL 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 IL напряжение на нагрузке 6 не изменяется и остается равным:

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

где

Id - ток через дрейфовые диоды 8.

В дрейфовых диодах 8 накапливается заряд Qd.

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

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

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

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

В момент времени t = t4 заряд Qd 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 Id через дрейфовые диоды 8 прерывается. Напряжение UR на нагрузке 6 становится равным 0.

Таким образом, на нагрузке 6 формируется прямоугольный импульс напряжения длительностью t4 и амплитудой N2U2 + N2Ud.

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 UM при этом меньше нуля, то есть UM < 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 UR = 17-50 кВ на нагрузке R = 500 Ом, и регулируемой длительностью импульса tИМП = 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 Ud = 36 В, используемый импульсный диод 5 с малым временем восстановления имеет падение напряжения Ud1 = 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:

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

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

N2U2 + N2Ud = 50,36 кВ,

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

Через дрейфовые диоды 8 протекает ток, равный:

Id = IL - (N2U2 + N2Ud)/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

Qd = ∫Iddt = 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 Qd в дрейфовых диодах 8 уменьшается.

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

Id = (N2U2 + N2Ud)/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 UR 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

UM = 2 (N2U2 + N2Ud + Ud1) - N1U1 = - 80 В.

Энергия, полученная от разряда конденсаторов 3 Маркса, равна:

EBX = 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:

ЕВЫХ = UR2 * tИМП / 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:

UM > 2 (UO + Ud1) или N1U1 > 2 (N2U2 + N2Ud + Ud1), где

UM = N1U1 - напряжение генератора Маркса;

N1 - количество звеньев в генераторе Маркса;

U1 - напряжение, которое определяется зарядной цепью генератора Маркса;

UO = N2U2 + N2Ud - напряжение ограничителя;

N2 - количество звеньев в ограничителе;

U2 - напряжение, которое определяется зарядной цепью ограничителя;

Ud - падение напряжения на дрейфовом диоде;

Ud1 - падение напряжения на импульсном диоде с малым временем обратного восстановления.



 

Похожие патенты:

Предлагаемый способ относится к области измерительной техники и предназначен для преобразования напряжения в частоту следования импульсов. Технический результат заключается в уменьшении абсолютной погрешности дискретности преобразования в код выходной частоты следования импульсов и расширение диапазона входных напряжений.

Изобретение относится к области радиотехники и связи и может быть использовано для улучшения линейности усиления многочастотных сигналов. Технический результат заключается в снижении динамического диапазона многочастотных сигналов.

Изобретение относится к преобразовательной технике и может быть использовано в системах электроснабжения. Технический результат заключается в повышении коэффициента усиления напряжения.

Изобретение относится к области импульсной техники и может использоваться для питания обмоток возбуждения реверсивного двигателя возвратно-поступательного движения.

Изобретение относится к области и предназначено для получения последовательности случайных чисел с заданными статистическими характеристиками. Технический результат - повышение независимости вырабатываемой последовательности случайных чисел от параметров источника шума и получение последовательности случайных чисел с заданными статистическими характеристиками.

Изобретение относится к области вычислительной техники. Технический результат заключается в повышении быстродействия специализированных вычислителей таких как многозначный триггер.

Изобретение относится к импульсной технике и может быть использовано для формирования импульсов управления СВЧ-приборами с сеточным управлением. Техническим результатом является упрощение модулятора импульсов и повышение его надежности.

Изобретение относится к электронной технике в области преобразователей сигналов. Формирователь импульсов содержит микроконтроллеры, блок гальванической развязки, преобразователи питания, регуляторы напряжения, входы напряжения питания и входы сигнала тахометрических датчиков.

Изобретение относится к электротехнике и импульсной силовой электронике и предназначено для использования в самолетных электроимпульсных комплексах, в частности - в противообледенительных системах и системах питания бортовых проблесковых огней предупреждения.

Изобретение относится к высоковольтной импульсной технике и предназначено для управления тиратроном с холодным катодом серии ТДИ путем формирования импульсов поджига с нормированной крутизной фронта и следующих с высокой частотой следования импульсов.
Наверх