НАНОСЕКУНДНЫЙ SOS ГЕНЕРАТОР

ПРИБОРЫ И ТЕХНИКА ЭКСПЕРИМЕНТА, 2010, № 6, с. 62–67

62

Традиционная схема SOS�генератора содер�жит первичный накопитель энергии с тиристор�ным коммутатором, магнитный компрессор исобственно полупроводниковый прерыватель то�ка на SOS�диодах [1, 2]. Использование тиристо�ров в качестве первичных коммутаторов энергииограничивает частоту следования импульсов fустройства в целом. Поскольку для надежного за�пирания тиристора требуется время около 50–100 мкс, то с учетом последующего времени заря�да первичного накопителя максимально возмож�ная частота следования импульсов генератора непревышает 5–10 кГц.

С другой стороны, существуют области приме�нения наносекундных импульсных генераторов свыходным напряжением в десятки киловольт, гдепри относительно небольших значениях энергииимпульса, ~0.1–1 Дж, требуются частоты повто�рения в десятки килогерц. В частности, это отно�сится к системам питания лазеров и мощныхс.в.ч.�приборов, а также к мощным генераторамсверхширокополосного излучения.

В настоящей работе описан генератор, в кото�ром в качестве первичного коммутатора энергиииспользуются быстродействующие IGBT�тран�зисторы, не требующие дополнительного време�ни для перехода в блокирующее состояние. Мак�симальная частота следования импульсов в этомслучае определяется суммой времени заряда иразряда первичного накопителя.

СХЕМА И КОНСТРУКЦИЯ ЭЛЕМЕНТОВ ГЕНЕРАТОРА

Электрическая схема силовой части генерато�ра приведена на рис. 1. Схема содержит транзи�сторный модуль ТМ, расположенный в воздуш�ной части корпуса, и высоковольтный модульВМ, элементы которого помещены в металличе�ский бак с трансформаторным маслом. В составсхемы генератора также входят система контроляи управления транзисторными ключами и вынос�ной пульт управления [3]. Питание генератораосуществляется от трехфазной сети переменноготока с линейным напряжением 380 В, которое по�сле мостового выпрямителя заряжает конденса�торы фильтра С0 до напряжения ~540 В. Началь�ное напряжение на накопительном конденсатореС1 составляет 1.1 кВ (запасенная энергия ~1 Дж) иподдерживается маломощным источником пита�ния (на рис. 1 не показан). В исходном состояниитранзисторный ключ Т0 находится в замкнутомсостоянии, а ключи Т1 и Т2 разомкнуты.

При включении транзистора Т2 импульсомуправления энергия конденсатора С1 через им�пульсный трансформатор Тр передается в кон�денсаторы высоковольтного модуля С2 и С3. Ам�плитуда тока разряда С1 составляет 2.2 кА, времяразряда – около 1.2 мкс. В момент, когда разряд�ный ток близок к нулю, транзистор Т2 выключа�ется, а транзистор Т1 включается, и начинаетсяпроцесс заряда конденсатора С1. Конденсатор С1

заряжается в резонансном режиме до исходногонапряжения ~1.1 кВ от конденсаторов С0 черезтранзисторные ключи Т0 и Т1, зарядный диод Д2,зарядный дроссель L1 и первичную обмотку

ЭЛЕКТРОНИКА И РАДИОТЕХНИКА

НАНОСЕКУНДНЫЙ SOS�ГЕНЕРАТОРС ЧАСТОТОЙ СЛЕДОВАНИЯ ИМПУЛЬСОВ 20 кГц

© 2010 г. П. В. Васильев, С. К. Любутин, М. С. Педос, А. В. Пономарев, С. Н. Рукин, Б. Г. Словиковский, С. П. Тимошенков, С. О. Чолах

Институт электрофизики УрО РАН Россия, 620016, Екатеринбург, ул. Амундсена, 106

Поступила в редакцию 15.06.2010 г.

Описан наносекундный SOS�генератор с частотой следования импульсов 20 кГц в постоянном ре�жиме работы и 100 кГц в режиме пачки импульсов. Генератор содержит низковольтный модуль спервичным емкостным накопителем и транзисторным ключом и высоковольтный модуль с магнит�ным компрессором и полупроводниковым прерывателем тока (SOS�диодом). На внешней нагрузкеот 50 до 500 Ом генератор формирует импульсы амплитудой от 40 до 100 кВ с пиковой мощностью20–30 МВт и длительностью 10–14 нс. Выходная средняя мощность в постоянном режиме работысоставляет 5 кВт. Описаны электрическая схема, принцип работы и конструкция элементов генера�тора, приведены результаты испытаний.

УДК 621.373+621.382.2

ПРИБОРЫ И ТЕХНИКА ЭКСПЕРИМЕНТА № 6 2010

НАНОСЕКУНДНЫЙ SOS�ГЕНЕРАТОР 63

трансформатора Тр, зашунтированную цепьюR1–Д3. Полная индуктивность зарядного контура~6 мкГн.

Цепь R1–Д3 выполняет две функции. Во�пер�вых, она служит для сокращения времени зарядаконденсатора С1. В начале зарядного процесса по�сле включения транзистора Т1 ток заряда проте�кает по цепи R1–Д3, поскольку сердечник транс�форматора не насыщен для пропускания по егопервичной обмотке тока этого направления. Па�дением напряжения на R1 сердечник перемагни�чивается за время ~3–4 мкс, и зарядный ток пере�ключается в цепь первичной обмотки. Во�вто�рых, как и в работе [4], эта цепь служит дляпоглощения отраженной энергии из высоко�вольтного модуля, передаваемой обратно из кон�денсатора С2 через Тр в резистор R1.

Элементы Т0–Д0 выполняют защитные функ�ции. При превышении амплитуды зарядного токачерез Т0 выше рабочего значения, что может на�блюдаться при пробое конденсаторов С1 илитранзисторов Т2, происходит плавное отключе�ние тока транзистором Т0, препятствующее раз�ряду конденсаторов фильтра С0 через поврежден�ную часть схемы.

Высоковольтный модуль работает следующимобразом. При передаче энергии из С1 через транс�форматор Тр в конденсаторы С2 и С3 (указанныеполярности напряжения на конденсаторах нарис. 1 соответствуют зарядным процессам) по�следние заряжаются до напряжения ~40 кВ. За�рядный ток конденсатора С3, протекая по обмот�кам магнитных ключей MS1 и MS2, перемагничи�вает их сердечники в нужном направлении. Посленасыщения сердечника Тр при изменении поляр�ности напряжения на конденсаторе С2 напряже�ние на магнитном ключе MS1 нарастает за время~0.2 мкс.

Насыщение сердечника ключа MS1 иницииру�ет процесс прямой накачки прерывателя тока,при котором соединенные последовательно кон�денсаторы С2 и С3 разряжаются на конденсатор С4

через прерыватель тока SOS. Длительность этогопроцесса составляет ~70 нс. После насыщениясердечника ключа MS2 в прерыватель тока приразряде конденсатора С4 вводится обратный ток,нарастающий до ~600 А за время ~30 нс. ДалееSOS обрывает протекающий через него обратныйток за ~2 нс, который переключается в нагрузкуRн и формирует на ней высоковольтный импульснапряжения.

ТМ

ВМ

С0

T0 T1 Д2

Д1Д0

L1С1

1

2

R1T2

Д3

1

2

Тр

w2w1

С3

С2

MS1 L2

С4

MS2SOS Rн

Рис. 1. Электрическая схема генератора. ТМ – транзисторный модуль; ВМ – высоковольтный модуль; С0 – К50�17�300В�8000 мкФ (48 параллельно и 2 последовательно); С1 – К78�2�1000 В�0.047 мкФ (70 параллельно и 2 последователь�но); С2 и С3 – КВИ�3�1000 пФ�16 кВ (по 2 параллельно и 4 последовательно); С4 – КВИ�3�470 пФ�20 кВ (2 параллельнои 4 последовательно); Т0 и Т1 – IRG4PH50UD (по 7 параллельно); Т2 – IRG4PH50UD (30 параллельно и 2 последова�тельно); Д0 – HFA30PB120 (8 параллельно); Д1 и Д2 – HFA30PB120 (по 16 параллельно); Д3 – HFA30PB120 (10 парал�лельно и 2 последовательно); Tр – трансформатор М1000НН К125 × 80 × 12 (3 кольца, w1 = 1, w2 = 43); MS1 – М1000ННК125 × 80 × 12 (5 колец, w = 13); MS2 – М1000НН К125 × 80 × 12 (5 колец, w = 4); L1 = 3 мкГн; L2 = 1 мкГн.

64


ВАСИЛЬЕВ и др.

Элементы транзисторного модуля охлаждают�ся вентиляторами (например, конденсаторы С1) ипроточной водой (все полупроводниковые эле�менты, дроссель L1 и резистор R1). Обмотка дрос�селя L1 выполнена в форме медной трубки, черезкоторую проходит проточная вода. Резистор R1

бифилярной конструкции выполнен из нихромо�вой фольги сечением 14 × 0.2 мм2, имеет сопро�тивление ~0.33 Ом и размещен в диэлектриче�ском цилиндре с проточной водой.

Элементы высоковольтного модуля размеще�ны в металлическом баке, заполненном транс�форматорным маслом. Масло в баке циркулиру�ется и охлаждается по замкнутому циклу с ис�пользованием четырех входных каналов (4 насосамарки GRUNDFOS UPS 32�60�180 либо VILOSTAR�RS 30/7) и двух выходных каналов, в кото�рых масло охлаждается проточной водой в тепло�обменниках фирмы SWEP International AB с пере�даваемой мощностью 5 кВт каждый. После тепло�обменников охлажденное масло через насосыпоступает в корпусы всех магнитных элементов ив корпус прерывателя тока.

Конструкция магнитного элемента на приме�ре трансформатора Тр упрощенно показана нарис. 2. Ферритовые кольца 1 расположены в ци�линдрическом диэлектрическом корпусе, образо�ванном внутренним цилиндром 2, наружным ци�линдром 3 и крышками 4 и 5. Холодное масло по�ступает в корпус через патрубок 6, протекает поокружности вдоль поверхности ферритовых ко�лец и затем выходит в общий масляный объем че�рез отверстие 7.

Прерыватель тока содержит один SOS�диод срабочим напряжением 150 кВ, выполненный ввиде последовательной сборки из 50 элементар�ных кремниевых диодов. Выбор SOS�диода с уве�личенным рабочим напряжением продиктованнеобходимостью снижения напряжения и, как

следствие, тепловой нагрузки на элементарныедиоды при высокой частоте следования импуль�сов. Параметры элементарного диода: количествопоследовательных полупроводниковых структур 4,площадь структуры 0.25 см2, толщина структуры320 мкм, глубина залегания p–n)перехода 180 мкм,охладители – медные пластины 30 × 30 мм толщи�ной 0.5 мм.

Рис. 3 иллюстрирует схему охлажденияSOS�диода 1, размещенного в диэлектрическомпрямоугольном корпусе 2. Холодное масло черезпатрубок 3 нагнетается насосом в прямоугольнуюполость 4, откуда через продольную прорезь 5поступает на SOS�диод, охлаждая его структурыпо всей длине сборки. Через прорезь 6 большейширины нагретое масло возвращается в общиймасляный объем.

Конструктивно генератор выполнен в настоль�ном варианте, габариты корпуса: длина 1.5 м, ши�рина 0.6 м и высота 0.4 м. Масса устройства с мас�лом ~200 кг. Расход проточной воды в системеохлаждения от 10 до 15 л/мин. Потребляемаямощность в постоянном режиме при f = 20 кГц со�ставляет ~23 кВт, в режиме пачки импульсов приf = 100 кГц – до 110 кВт.

РЕЗУЛЬТАТЫ ИСПЫТАНИЙ

Средства измерения включали в себя поясаРоговского и дифференциальные пробники дляизмерения параметров в транзисторной частиустройства, емкостный делитель напряжения дляизмерения напряжения на конденсаторе С2, токо�вые шунты в SOS и нагрузке Rн. Шунты имелисобственное время нарастания сигнала ≤0.5 нс.Для регистрации выходных импульсов использо�вался осциллограф TDS684 с полосой пропуска�ния 1 ГГц и широкополосные ослабители сигна�лов фирмы Barth Electronics.

1 4 2 3

57

6

Рис. 2. Конструкция магнитного элемента. 1 – ферритовые кольца; 2, 3 – внутренний и наружный цилиндры диэлек�трического корпуса; 4, 5 – крышки корпуса; 6 – патрубок; 7 – отверстие.



В качестве резистивной нагрузки Rн при крат�ковременных включениях генератора и в режимепачек импульсов использовались резисторы мар�ки ТВО�10 и ТВО�20. Для проведения испытанийв продолжительном режиме работы в качестве на�грузки генератора использовался цилиндр из ка�пролона с внутренним диаметром 80 мм и длиной250 мм, снабженный двумя торцевыми металли�ческими электродами. Со стороны заземленногоэлектрода цилиндр соединялся с охлаждаемымрезервуаром объемом 0.2 м3, в котором содержал�ся раствор NaCl в воде. Из резервуара растворпрокачивался через нагрузку по замкнутому циклусо скоростью ∼10 л/мин с охлаждением в теплооб�меннике. Сопротивление нагрузки при испытани�ях находилось в диапазоне от 120 до 130 Ом.

Рис. 4 иллюстрирует форму импульса тока черезнакопительный конденсатор С1 транзисторногомодуля. Отрицательный импульс тока соответ�ствует разряду конденсатора (амплитуда 2.1 кА,длительность по основанию 1.2 мкс), положи�тельный – зарядному процессу (амплитуда 270 А,длительность по основанию ~9 мкс). Полныйцикл заряд–разряд занимает 10 мкс, что позволя�ет генератору работать с частотой до 100 кГц.

Характерные осциллограммы тока через SOS�диод и напряжения на резистивной нагрузке ге�нератора приведены на рис. 5. Обратный ток че�рез прерыватель нарастает до 600 А за время 30 нс,после чего с задержкой ~3 нс наступает стадия об�рыва тока. Время обрыва тока по уровню 0.1–0.9 отамплитуды составляет 2 нс (рис. 5б). Амплитуда

импульса напряжения на нагрузке 128 Ом равна60 кВ с длительностью на полувысоте около 13 нс.

Характеристики генератора при его работе на на�грузку с другим сопротивлением приведены нарис. 6. В диапазоне сопротивлений нагрузок ~50–500 Ом амплитуда импульса меняется от 40 до100 кВ, а пиковая мощность лежит в интервале20–30 МВт при длительности импульса 10–14 нс.Вблизи максимума мощности энергия, вводимаяв нагрузку, максимальна и составляет 0.25–0.3 Дж.

Испытания генератора в постоянном режимеработы проводились при f = 20 кГц, время непре�рывной работы составляло 30 мин с последую�щим перерывом 10 мин. В перерыве проводилосьизмерение температуры элементов генератора имасла в баке. Затем испытания повторялись.Было установлено, что переход элементов генера�тора в установившийся тепловой режим происхо�дит в течение первых 2–3 мин работы. За это вре�мя происходит плавное уменьшение амплитудыимпульса на выходе на 7–8%, после чего ампли�туда стабилизируется.

Основным элементом, ответственным за сни�жение напряжения в начале работы, являетсямагнитный ключ MS2, сердечник которого имеетнаименьшее время перемагничивания и, следова�тельно, находится в наиболее тяжелом тепловомрежиме работы. Снижение амплитуды импульсана выходе было обусловлено снижением напря�жения на конденсаторе С4 за счет уменьшениявольт�секундного интеграла сердечника этогоключа.

2 1 66 1

2

A A–A

5

4

3A

34 5

Рис. 3. Схема охлаждения прерывателя тока. 1 – SOS�диод; 2 – диэлектрический прямоугольный корпус; 3 – патру�бок; 4 – прямоугольная полость; 5, 6 – прорези.

5

66


ВАСИЛЬЕВ и др.

Были проведены оценки потерь энергии в эле�ментах и узлах генератора. Полная потребляемаямощность от сети при f = 20 кГц с учетом потреб�ления энергии вспомогательными системами(главным образом насосами и вентиляторами)измерялась счетчиком электроэнергии и состави�ла ~23 кВт. Выходная средняя мощность в согла�сованной водяной нагрузке равна ~5 кВт, что со�ответствует полному к.п.д. генератора 21–22%.Основной источник потерь энергии – сердечни�ки магнитных элементов, имеющие суммарную

мощность потерь ~10 кВт. Потери энергии в SOS�диоде ~0.1 Дж (2 кВт).

Испытания генератора при более высоких ча�стотах проводились в режиме пачек импульсов.Максимальное значение f = 100 кГц было ограни�чено длительностью цикла заряд–разряд конден�сатора С1 (10 мкс). Максимальное количество им�пульсов в пачке составляло 1000. При большемколичестве импульсов возрастала вероятностьвыхода элементов генератора из строя из�за ихперегрева.

2 мкc

450 А

Рис. 4. Осциллограмма тока через накопительный конденсатор С1.

20 нc

150 А

10 нc

16 кВ

(а) (б)

1 2 1

2

Рис. 5. Осциллограммы тока через SOS (1) и напряжения на нагрузке Rн (2) на развертках 20 нс/деление (а) и 10 нс/де�ление (б). Rн = 128 Ом.



Динамика изменения амплитуды импульсов впачке показана на рис. 7. В течение первых 200–300 импульсов для f = 50 кГц и ~400 импульсовдля f = 100 кГц энергия в первичный накопительС1 поступает в основном из конденсаторов филь�тра С0. Разряд С0 приводит к снижению напряже�ния на выходе. Затем разность напряжений междупитающей сетью и конденсаторами С0 становитсядостаточной для отбора из сети соответствующеймощности (~110 кВт при f = 100 кГц), и амплиту�да импульсов на выходе генератора стабилизиру�ется. Всего в течение испытаний было произведе�но более 200 пачек с частотой f от 50 до 100 кГц.

Также были проведены испытания генераторав режимах холостого хода и короткого замыка�ния. Испытания проводились при f = 20 кГц цик�лами по 4 мин работы. В режиме холостого ходанапряжение на SOS составляло 110–120 кВ придлительности импульса ~20 нс. Эти режимы посравнению с нагрузочными характеризуются от�ражением дополнительной энергии из высоко�

вольтного модуля обратно в конденсатор C1 черезTр и встроенные диоды транзисторов Т2. По�скольку остаточное напряжение на C1 снижаетамплитуду зарядного тока, то зарядное напряже�ние на C1 также снижалось с 1100 до 1000–1050 Ви соответственно наблюдалось падение потреб�ляемой генератором мощности.

Работа выполнена при финансовой поддержкеРФФИ (проект 10�08�00312�а).

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Рукин С.Н. // ПТЭ. 1999. № 4. С. 5.2. Любутин С.К., Рукин С.Н., Словиковский Б.Г., Цы)

ранов С.Н. // ПТЭ. 2000. № 3. С. 52.3. Пономарев А.В., Титов В.Н. // ПТЭ. 2009. № 6.

С. 139.4. Chung Y.H., Kim H.J., Yang C.S. // In Digest of Tech�

nical Papers of the 13th IEEE Int. Pulsed Power Confer�ence. 2001. June 17–22. Las Vegas, Nevada, USA. V. 2.P. 1237.

100

40

0

60

80

100

120

15

20

25

30

35

10500200 300 400

R, Ом

20

U, кВ P, МВт

1 2

Рис. 6. Зависимости амплитуды импульса (1) и егомощности (2) от сопротивления нагрузочного рези�стора Rн.

200

55

050

60

65U, кВ

400 600 800 1000Номер импульса

1

2

Рис. 7. Зависимости амплитуды импульса от его но�мера в пачке при частоте следования импульсов f == 50 кГц (1) и 100 кГц (2).

5*

НАНОСЕКУНДНЫЙ SOS ГЕНЕРАТОР

Documents

Transcript of НАНОСЕКУНДНЫЙ SOS ГЕНЕРАТОР