Твердотельный сеточный модулятор

Синхронное управление группой высоковольтных MOSFET транзисторов, находящихся под потенциалом, осуществляется с помощью простых, компактных импульсных токовых трансформаторов, использующих в качестве первичной обмотки один виток высоковольтного провода, рассчитанного на постоянное рабочее напряжение в десятки кВ.

Провод пропущен последовательно через сердечники токовых трансформаторов, прилегая к внутренней и внешней поверхности сердечников, тем самым образуя один виток первичной обмотки. Отличительной чертой данной модели является то, что функцию развязки по напряжению и управления транзисторами осуществляет не многообмоточный высокопотенциальный развязывающий импульсный трансформатор, а группа простых токовых трансформаторов с одним высоковольтным проводом в качестве первичной обмотки.

Полезная модель относится к радиотехнике и может быть использовано в управлении передающими устройствами радиолокационных станций (РЛС).

В мощных передающих устройства РЛС в качестве выходных усилительных приборов, усиливающих сверхвысокочастотную (СВЧ) энергию, используется вакуумный клистронный усилитель с сеточной модуляцией. Импульсная амплитудная модуляция выходного сигнала в выходном каскаде передающего устройства производится по управляющему электроду (сетки) клистрона. Качество излучаемого выходного сигнала зависит и от стабильности управляющего напряжения, подаваемого сеточным модулятором на управляющий электрод клистрона.

В работе [1] был предложен вариант твердотельного сеточного модулятора, управляемого короткими импульсами фиксированной длительности, который позволяет формировать модулирующий импульс с широким диапазоном длительностей и частот повторения. В качестве высоковольтного ключа предлагалось использовать последовательное соединение современных высоковольтных, быстродействующих MOSFET (metall-oxede-semiconductor field effect transistor) транзисторов. Структурная схема такого транзисторного сеточного модулятора приведена на фиг.1, на котором обозначены:

U _от - источник напряжения превышения клистрона;

U_см - источник напряжения смещения;

Кл1, Кл2 - высоковольтные ключи;

СУ - схема управления;

ПМ - подмодулятор;

ИТ - импульсный трансформатор;

МС - модулятор сеточный.

Управление высоковольтными ключами осуществляется от подмодуля-тора через высокопотенциальный импульсный трансформатор ИТ входящий в состав модулятора. В составе модулятора можно выделить часть, находящуюся под высоким потенциалом (потенциалом катода порядка 30 кВ), в которую входят высоковольтные ключи Кл1 и Кл2 и часть находящуюся на уровне земли - подмодулятор ПМ, который управляет высоковольтными ключами Кл1 и Кл2 через импульсный высокопотенциальный трансформатор, обеспечивающий развязку по высокому напряжению разных составных частей сеточного модулятора.

Недостатком данного варианта твердотельного сеточного модулятора (прототипа) является применение в его составе импульсного высокопотенциального трансформатора. Схема соединения импульсного трансформатора с высоковольтными ключами Кл1 и Кл2 приведена на рис.2. В качестве высоковольтных ключей Кл1 и Кл2 используется последовательное соединение высоковольтных транзисторов (VТ1VТN), производящих коммутацию напряжения смещения U _см (до минус 10 кВ относительно потенциала катода клистрона), либо коммутацию потенциала катода U_кат на управляющий электрод клистрона, тем самым управляя режимами работы (усилением СВЧ мощности) вакуумного клистронного усилителя.

Примененный в этом варианте импульсный высокопотенциальный трансформатор имеет одну первичную обмотку и множество вторичных обмоток, необходимых для управления сразу всеми выходными высоковольтными транзисторами. Конструкция данного высокопотенциального импульсного трансформатора является сложной для исполнения, т.к. должно выполняться жесткое условие обеспечения идентичности электрических параметров вторичных обмоток, что невозможно сделать простым наматыванием одинакового числа витков вторичных обмоток трансформатора из-за разной величины рассеяния магнитного поля в разных частях сердечника. Разработка и изготовление такого высокопотенциального импульсного трансформатора, рассчитанного на развязку в 40 кВ и более, представляет собой сложную конструкторскую и технологическую задачу, для решения которой необходимы соответствующие оригинальные разработки, технологии и материалы. Точность и качество исполнения этого импульсного трансформатора, в конечном счете, определяет качество и надежность работы всего сеточного модулятора.

Техническим результатом, на достижение которого направлено заявляемая полезная модель, является устранение недостатков, принадлежащих прототипу, а именно упрощение разработки и изготовления высокопотенциального импульсного трансформатора и в конечном итоге повышение надежности работы всего устройства в целом.

Для достижения заявленного технического результата предлагается решения, сутью которого является замена одного сложного высокопотенциального импульсного трансформатора на множество простых, одинаковых импульсных токовых трансформаторов, рассчитанных на развязку по высокому напряжению до 40 кВ и управляющих двумя высоковольтными MOSFET транзисторами, соседними по потенциалу, схема соединения которых представлена на рис.3.

Трансформатор представляет собой элемент конструкции сеточного модулятора, состоящий из кольцевого сердечника с намотанными на него двумя вторичными обмотками, которые подключаются к платам с высоковольтными транзисторами (высоковольтным ячейкам), для непосредственного управления выходными высоковольтными MOSFET транзисторами сеточного модулятора и высоковольтного провода, рассчитанного на рабочее напряжение более 40 кВ, выполняющего роль первичной обмотки токового трансформатора и обеспечивающий развязку по высокому напряжению. Провод пропущен через сердечник токового трансформатора в прямом направлении, прилегая к внутренней поверхности сердечника, и в обратном направлении, прилегая к внешней поверхности сердечника, тем самым, образуя один виток первичной обмотки трансформатора. Все импульсные токовые трансформаторы размещены на одном высоковольтном проводе, проходящем последовательно через все сердечники, что позволяет обеспечивать синхронность и идентичность наведения импульсов во вторичных обмотках токовых трансформаторов по времени, необходимых для управления выходными высоковольтными транзисторами. Общий вид сердечников, объединенных одним высоковольтным проводом, показан на рис.4. Все сердечники расположены в ряд, на одной прямой линии, провод одинаково плотно огибает поверхности всех сердечников, при этом в промежутках между сердечниками части провода примыкают друг к другу, тем самым минимизируются потери на рассеивание. Применение множества одинаковых токовых трансформаторов, находящихся в одинаковых условиях распределения плотности потока мощности магнитного поля, позволяет обеспечить идентичность электрических параметров импульсов, наводящихся во вторичных обмотках трансформаторов, что крайне необходимо для надежной и устойчивой работы транзисторного сеточного модулятора.

Применение одинаковых импульсных токовых трансформаторов, объединенных одним высоковольтным проводом, выполняющим функцию единой первичной обмотки трансформаторов, также позволяет развязать высоковольтную часть транзисторного сеточного модулятора от схем управления на потенциал до 40 кВ, при этом управление транзисторным сеточным модулятором может осуществляться сигналами ТТL уровня.

Реализация данной полезной модели в конструкции транзисторных сеточных модуляторов позволяет:

- значительно упростить схемотехнику сеточного модулятора;

- работать в более широком диапазоне частот повторений и длительностей модулирующих импульсов по сравнению с сеточным модулятором на электровакуумных приборах;

- значительно упростить управление модулятором, не требуя применения многих промежуточных элементов, обеспечивающих развязку по высокому напряжению;

- значительно снизить массогабаритные характеристики прибора;

- в несколько раз увеличить срок службы и надежности прибора по сравнению с другими сеточными модуляторами, в частности построенными на основе применения электровакуумных ламп;

- значительно снизить потребляемую мощность прибора как по высокому напряжению, из-за малой паразитной емкости монтажа и применения точной настройки электрических параметров модулятора, так и по низкому напряжению, из-за отсутствия различных подсистем, обеспечивающих работу вакуумной техники входящей в состав сеточных модуляторов первых поколений, т.е. повысить экономичность прибора. Это приводит к уменьшению требований, предъявляемых к источникам питания, обеспечивающих работу модулятора;

- значительно снизить (в несколько раз) себестоимость сеточного модулятора из-за отсутствия в нем дорогостоящих электровакуумный приборов;

Технология изготовления токовых трансформаторов проста и не требует дополнительных затрат на подготовку производства, позволяет изготовить трансформаторы квалифицированному монтажнику, а отсутствие необходимости применения материалов для заливки трансформаторов значительно повышает надежность трансформаторов и самого модулятора в целом.

Полезная модель является универсальной и позволяет создавать транзисторные сеточные модуляторы на различное рабочее напряжение.

Список литературы:

1. С.В. Монин, А.Ю. Млинник, В.И. Казанцев "Сеточный твердотельный модулятор с широким диапазоном изменения параметров модулирующих импульсов". Россия, Вестник МГТУ им.Баумана. Сер. "Приборостроение". 2003. 1

Твердотельный сеточный модулятор, включающий транзисторные ключи, импульсный источник тока для управления транзисторными ключами, подмодулятор, отличающийся тем, что импульсный источник тока состоит из множества импульсных токовых трансформаторов в виде кольцевых сердечников с намотанными на них вторичными обмотками, подключенными к управляющим входам высоковольтных транзисторных ключей, высоковольтного провода, который последовательно пропущен через сердечники, прилегая к внутренней и внешней поверхности сердечников и образуя один виток первичной обмотки трансформатора.