книги / Новые принципы коммутации больших мощностей полупроводниковыми приборами

Рис, 35. Схема ключевого одноячейкового высокочастотного РВД-геиератора синусоидальных колебаний.

Рабочая частота 30 кГц, амплитуда тока 2.5 кА, сродпяя мощность 50 кВт при двухстороннем водяном охлаждении полупроводниковых приборов.

1, 2 — . блок управления; 3 —» формирователь импульсов; 4 —>возбу­ дитель.

чим напряжением 1.2 кВ и частотой 15 кГц; VDv VD2 — высокочастотные диоды Д-4-143-1000. Гене­ ратор работает в режиме утроения частоты и через согласующий трансформатор подключен к выходной цепи, представляющей собой однозвенный фильтр низкой частоты, нагруженный на ппзкодобротный параллельный контур. В анодные цепп РВД после-, довательно с линейными разрядными дросселями Ьр

включены нелинейные дроссели L3 с насыщающи­ мися ферритовыми сердечниками, обеспечивающие разделение силовой и управляющей цепей на время

протекания импульса тока накачки. В выходном контуре при частоте 20—30 кГц средняя мощность генератора была более 40 кВт; амплитуда импульсов тока в РВД превышала 2 кА, а средний анодный ток был более 300 А (при двухстороннем водяном охлаж­ дении РВД и диодов). Оценки показывают, что мощ­ ность аналогичного пятиячейкового генератора с де­ сятью РВД составит 300 кВт на частоте 66 кГц. Для получения больших мощностей на этой частоте целесообразно применять последовательное соедине­ ние РВД в генераторных ячейках. Мощность генера­ тора будет возрастать пропорционально числу по­ следовательно соединенных РВД вследствие возра­ стания рабочего напряжения. Так, для генератора мощностью 1 МВт необходимо около сорока РВД и диодов.

2. Наносекундами диапазон. ДДРВ-коммутаторы

ДДРВ по сути является размыкателем тока, что дает возможность построения схем по двум основ­ ным вариантам.

на время установления в линии требуемой ампли­ туды волны, а потом резко «открывает» линию (рис. 36). В этом случае фронт импульса в нагрузке определяется переходным процессом в ДДРВ, а дли­ тельность — задающим генератором.

б) Схема с промежуточным накоплением энергии в индуктивном накопителе, в которой выходной им­ пульс формируется при резком обрыве тока в цепи,

В таком генераторе формируется колоколообразный

или прямоугольный (в слу­ чае ФЛ) импульс напряже­ ния.

В схеме рис. 36 па ДДРВ через фильтр подается им­ пульс накачки с длительно­ стью tFи амплитудой JfS (S— рабочая площадь ДДРВ), за­ тем прикладывается обостряе­ мый импульс обратной поляр­ ности длительностью tn и фрон­ том парастаипя £ф. За время

обратпый ток нарастает до оптимальной плотности JR—Ja, а напряжение на ДДРВ и нагрузке Ra остается малым; при этом LC-фильтр не пропускает

импульс в цепь генератора накачки. Протекание тока сопровождается удалением из базы неосновных носи­ телей, которое к моменту t—tф заканчивается.

Дальнейшее протекание тока происходит за счет вы­ ведения основных носителей и приводит к резкому

постоянным до окончания импульса.

В этой схеме ток JR ограничивается в основном волновым сопротивлением р высокочастотного тракта (кабель), поэтому параметры прибора и режим включения должны удовлетворять соотношению:

jR— J„=gNdV, ~ UJp S, где Um — амплитуда напря­ жения обостряемого импульса. Амплитуда тока на­ качки JF выбирается с таким расчетом, чтобы на этапе восстановления весь заряд выносился к моменту

площадь должна быть £ = 0 .2 см2 и амплитуда тока

юз

в импульсе будет 32 А. Для получения фронта нара­ стания в единицы наносекунд длительность накачки tp должна быть менее 0.5 мкс. Если фронт обостряе­

равна 4 А.

На рис. 37 приведена схема генератора папосе­ кундных импульсов с промежуточным индуктивным накопителем энергии. Цепь, состоящая из транзи­ сторного ключа Vv высоковольтного трансформа­ тора Трх и разделительного диода Д„, заряжает накопительную емкость Сд за время ти= 10 0 мкс до напряжения 1.5 кВ от источника питания на 100 В. В момент £=0 формируется импульс накачки ДДРВ J&с длительностью 0.5 мкс и амплитудой 3 А (цепь накачки — дроссель Lp1 трансформатор Тр2, тран­

зисторный ключ F2). В момент tx включается тири­ стор Т и разряжает емкость Сд по цепи Т, Сц, нако­ питель Lai ДДРВ. Энергия, накопленная в С„, переводится в La. В момент £2> определяемый равен­ ством накачанного и выведенного заряда в ДДРВ (заштрихованные области на рис. 37), происходит обрыв тока в ДДРВ, а накопленная в Ln энергия поступает в виде короткого импульса длительностью ъж==Ьа1р в согласованную линию передачи с волно­ вым сопротивлением р = Д д и затем в нагрузку R u. Амплитуда волны в линии передачи Um= I mp , где 1п — ток через Ьа в момент разрыва (в рассматривае­ мом генераторе при / от= 3 0 А и р = 5 0 Ом Um= 1.5 кВ). Стабильность работы генератора чрезвычайно вы­ сокая (при нестабильности источника питания ме­ нее 5 % нестабильность импульса менее 100 пс).

На рис. 38 приведена схема двухтактного генера­ тора с индуктивными накопителями, позволяющая полностью суммировать в нагрузке энергию, запа­ сенную как в цепи обратного тока, так и в цепи на-

Рис. 38. Двухтактный мощный ДДРВ-генератор напосекундных импульсов (а) и осциллограммы тока через ДДРВ и напряжения на нагрузке (б).

качки; такая схема удобна для создания генераторов большой мощности. Схема работает следующим обра­ зом. При замыкании ключа Кх контура C1L1 в тече­ ние первого полулериода колебаний через ДДРВ проходит ток накачки 1г. В момент смены направле­ ния тока /ц замыканием ключа К2 включается контур обратного тока С2Ь2> полностью идентичный С ^ . Ток / 2 этого контура суммируется с 1г в ДДРВ.

Вмомент максимума суммарного тока (t— T J2)

выведенный заряд равен введенному (с точностью до потерь в ключах и ДДРВ), ток через ДДРВ обры­ вается и суммарный ток контуров ( / i + / 2) перебрасы­ вается в нагрузку. При этом формируемый в нагрузке импульс напряжения может значительно (в 10 и бо­ лее раз) превышать начальное напряжение заряда

емкостей Сг и С2. Время срабатывания ключей Kj и К2 должно быть много меньше полупериода колеба­ ний контуров. На основе этой схемы был выполнен генератор, формирующий на нагрузке 10 Ом им­ пульс напряжения амплитудой 4 кВ и полушириной 5 нс, т. е. с мощностью в импульсе ~1 .6 МВт. Ра­ бочая частота определялась вспомогательными эле­ ментами, а полный кпд был более 40 %.

Предельно высокую рабочую частоту, определяе­ мую только процессами в ДДРВ, можно реализовать, используя в качестве ключей Ki и К2 сильноточные СВЧ-транзисторы. На рис. 39 приведена схема высо­ кочастотного генератора импульсов с двумя ступе­ нями формирования, первая из которых является двухтактной. В начальном положении накопитель­ ная емкость Cj,3 заряжена до напряжения источника питания Un, а Сщ И Сн, — до 2Un. Величины Ьвар и # аар выбраны таким образом, что постоянная вре­

мени заряда CHv Сщ, СИз меньше периода следования выходных импульсов. В момент £0 подается импульс управления / у на ключ первого контура Cav индук­

тивный накопитель энергии ИНЭ1} ДДРВ2. Этот ключ ТС2 состоит из двух транзисторов КТ912, включенных по схеме Дарлингтона. Через ДДРВХ протекает импульс накачки / п длительностью

0.5 мкс; диод Д препятствует протеканию этого тока через ДДРВ2. В момент tv когда ток через ДДРВХ переходит через ноль, подаются импульсы управле­ ния на ключи ТС2 и ТС3, аналогичные ТС^ Вклю­ чение ТС3 обеспечивает импульс тока накачки через ДДРВ2, а ТС2 — удвоение обратного тока через ДДРВ! ; через четверть периода / обр= 2 / 11рвесь заряд

оказывается выведенным из ДДРВ! и ток резко обры­ вается. В этот момент суммарный ток первого и вто­ рого контуров перебрасывается в третий накопи-

тель ИНЭ3. Этот ток является обратным для ДДРВ2; накалка прибора подобрана с таким раслетом, лтобы обрыв обратного тока происходил в максимуме. Па­ раметры сформированного таким образом выходного импульса генератора на нагрузке 50 Ом: амплитуда напряжения 1300 В, передний фронт 2 нс, задний фронт 5 нс, ластота следования до 100 кГц. Частот­ ный предел определялся допустимой мощностью рас­ сеяния транзисторов КТ912. Напряжение истолника питания 50 В, полный кпд генератора бо­ лее 30 %,

3. Пикосекундный диапазон. Коммутаторы на основе ДО

Как показано в гл. 2, принцип задержанной ударно-ионизационной волны позволяет сформиро­ вать киловольтные перепады напряжения за время, меньшее 10~10 с. Единственный альтернативный ме­ тод столь быстрой коммутации больших мощно­ стей — это создание плазмы в полупроводнике мощ­ ным импульсом света пилкового лазера. Однако та­ кой лазер представляет собой сложное крупногаба­ ритное устройство с низкой надежностью; кроме того, крайне сложно осуществляется синхронизация с ним электринеских систем. Полупроводниковые же обострители, имеющие олень малый вес и габариты (менее 0.1 см3), высокую стабильность и надежность, олень легко вписываются в обылную схемо­ технику; они просто включаются в разрыв линии передали от генератора обостряемого импульса к на­ грузке. Как правило, используются отдельные обо­ стрительные головки, подключаемые непосредственно к нагрузке. Это позволяет избежать размытия им­ пульса в передающей линии. Одна головка обеспечи­ вает фронт длительностью 0.2 нс; включение последо-