Высоковольтный импульсный модулятор
Полезная модель относится к электронной технике, в частности к импульсной технике, и может быть использована в высоковольтных импульсных модуляторах для выходных генераторных СВЧ-приборов импульсных передатчиков РЛС. Высоковольтный импульсный модулятор содержит столб из однотипных последовательно соединенных ячеек на полевых транзисторах, подключенный посредством RC-цепи к шинам питания и нагрузки. Для повышения надежности работы и увеличения срока службы модулятора в него дополнительно введены трансформаторы тока, число которых соответствует числу ячеек, при этом общая первичная обмотка трансформаторов подключена к генератору управляющих импульсов, а каждая из вторичных обмоток - к соответствующей ячейке столба, содержащей также ограничитель напряжения, катод которого соединен со стоком, а анод - с истоком полевого транзистора, и антизвонный резистор, подключенный к затвору полевого транзистора и первому выводу вторичной обмотки соответствующего трансформатора тока, второй вывод которой подключен к истоку полевого транзистора. 2 илл.
Полезная модель относится к электронной технике, в частности к импульсной технике, и может быть использована в высоковольтных импульсных модуляторах для выходных генераторных электровакуумных приборов СВЧ импульсных передатчиков РЛС.
Широко известны импульсные модуляторы для генераторных приборов СВЧ, в частности, магнетронов, построенные по традиционной схеме с использованием в ключевых каскадах электровакуумных приборов (см., например, [1]). Недостатками известных модуляторов являются ограниченный ресурс работы, низкий КПД, значительные габариты и вес.
От некоторых из перечисленных выше недостатков свободны импульсные модуляторы с высоковольтными ключами на n-р-n, р-n-р полевых или биполярных транзисторах (см., например, [2], [3], [4], [5]). К недостаткам таких модуляторов можно отнести то, что электрическая прочность транзисторов невысока, а меры, принимаемые для расширения областей безопасных режимов, приводят к дополнительным потерям энергии и уменьшению КПД.
Из них наиболее близким к заявляемой полезной модели является импульсный модулятор [6], содержащий столб из последовательно соединенных ячеек на полевых транзисторах, подключенный посредством RC-цепи к шинам питания и нагрузки, который выбран в качестве прототипа.
Полевые транзисторы обладают хорошими коммутирующими свойствами, однако они чрезвычайно восприимчивы к внезапным, мощным выбросам напряжения или тока, которые могут вывести их из строя, особенно если они находятся в запертом, т.е. непроводящем состоянии. Кроме того, существующие в настоящее время полевые транзисторы имеют максимальное напряжение сток-исток от 1 до 1,5 кВ, что практически исключает их использование для коммутации напряжений более высоковольтного диапазона. Принципиально прототип, в котором полевые транзисторы соединены последовательно, позволяет использовать эти транзисторы в модуляторных схемах, обеспечивающих коммутацию напряжений, превышающих максимально допустимое для транзисторов напряжение. Однако он ненадежен в работе, поскольку неравномерность распределения между полевыми транзисторами мгновенных значений мощности потерь, возникающих при их отпирании и запирании, может привести к перегрузке и пробою любого из транзисторов.
Задачей, на решение которой направлена заявляемая полезная модель, является создание высоконадежного малогабаритного импульсного
модулятора, предназначенного для коммутации коротких (0,3-1 мкс) высоковольтных (5-10 кВ) импульсов большой мощности.
Для решения поставленной задачи известный импульсный модулятор, содержащий столб из последовательно соединенных ячеек на полевых транзисторах, подключенный посредством RC-цепи к шинам питания и нагрузки, дополнительно снабжен трансформаторами тока, число которых соответствует числу ячеек столба, при этом общая первичная обмотка трансформаторов подключена к выходу генератора управляющих импульсов, а каждая из вторичных обмоток - к входу соответствующей ячейки столба, содержащей также ограничитель напряжения, катод которого соединен со стоком, а анод - с истоком полевого транзистора, и антизвонный резистор, подключенный к затвору полевого транзистора и первому выводу вторичной обмотки соответствующего трансформатора, второй вывод которой подключен к истоку полевого транзистора.
Отличительные признаки заявленного решения (в совокупности с известными признаками) обеспечивают получение указанного технического результата. Так, за счет введения трансформаторов тока, подключенных общей первичной обмоткой к выходу генератора управляющих импульсов, а вторичными - к входам транзисторных ячеек столба, достигается одновременность отпирания и запирания полевых транзисторов во всех ячейках столба, за счет чего в свою очередь достигается оптимальность динамического распределения напряжений между транзисторами и равномерность распределения мгновенных значений мощности потерь запирания (отпирания) транзисторов, и практически полностью исключается вероятность перегрузки и пробоя транзисторов. Это способствует повышению надежности работы модулятора и увеличению срока его службы.
Полезная модель поясняется чертежами, где на фиг.1 приведена схема электрическая высоковольтного импульсного модулятора, на фиг.2 - эпюры напряжений и токов, поясняющие его работу, где U1 - напряжение управляющего импульса; i1 - ток в первичной обмотке трансформаторов тока; i 2 - токи во вторичных обмотках трансформаторов тока; U З - напряжение на затворах полевых транзисторов ячеек столба; iМ - ток нагрузки (магнетрона).
Высоковольтный импульсный модулятор содержит столб из последовательно соединенных ключевых ячеек Я1...ЯN , RC-цепь, состоящую из ограничительного резистора R огр, подключенного к шине питания Uпит , и накопительного конденсатора Снак, подключенного к шине магнетрона М, балластный резистор Rбал , подключенный к общей шине, и трасформаторы тока TT 1...TTN, общая первичная обмотка которых подключена к генератору управляющих импульсов (не показан), а вторичные обмотки - к входам соответствующих ключевых ячеек Я1...ЯN столба. Каждая из ячеек Я1...ЯМ содержит полевой транзистор VT1...VT N, антизвонный резистор R1...R N и ограничитель напряжения VD1...VD N соответственно. Количество ячеек
Я 1...ЯМ выбирается из соотношения N
Uпит/Umax, где N - количество последовательно соединенных в столб ячеек Я1...ЯМ, U max - максимально допустимое для транзисторов VT 1...VTN напряжение. Ограничители напряжения VD1...VDN , обеспечивающие защиту транзисторов VT1 ...VTN от перегрузки по напряжению, катодами подключены к стокам, а анодами - к истокам соответствующих транзисторов VT1...VTN и первым выводам вторичных обмоток соответствующих трансформаторов TT 1...TTN. Другие выводы вторичных обмоток трансформаторов TT1...TT N соединены с первыми выводами резисторов R 1...RN, у которых вторые выводы соединены с затворами транзисторов VT1...VT N.
Работа высоковольтного импульсного модулятора осуществляется следующим образом.
От источника высокого напряжения Плит через токоограничительный резистор R огр происходит постоянный подзаряд конденсатора С нак. При поступлении на вход модулятора управляющего сигнала (U1 и i1 на фиг.2) во всех вторичных обмотках трансформаторов TT 1...TTN одновременно начинает протекать импульс тока i2. При этом происходит заряд емкостей затворов транзисторов VT1...VT N, и на затворах транзисторов появляется напряжение U З, в момент достижения которым порогового значения U пop транзисторы VT1...VT N открываются. При этом по цепи первая обкладка С нак - VT1...VTN - Rбал - общая шина - магнетрон М - вторая обкладка Снак будет протекать ток i М, нарастающий за время 
ф формирования фронта до максимальной величины IМ. По окончании импульса напряжения U1 импульс тока i2 обратной полярности производит разряд емкостей затворов транзисторов VT1...VTN. Напряжение UЗ падает до нуля, транзисторы VT 1...VTN закрываются, и за время сп происходит спад импульса тока iМ. Поскольку мгновенные значения токов i2 одинаковы во всех ячейках, запирание и отпирание транзисторов VT1...VT N происходит одновременно, обеспечивая тем самым равномерное распределение мгновенных значений мощностей потерь между всеми ячейками столба, а также высокую крутизну фронта (ф) и спада (сп) импульса тока i М.
Экспериментальная проверка работоспособности заявленного решения была проведена в лабораторных условиях на макете импульсного передатчика РЛС с высоковольтным импульсным модулятором, содержащим столб из двенадцати последовательно соединенных ячеек (N=12) на полевых транзисторах IRFPG50, подключенных к генератору управляющих (запускающих) импульсов посредством двенадцати трансформаторов тока, имеющих общую первичную обмотку и раздельные - по числу ячеек - вторичные. В качестве нагрузки модулятора был использован магнетрон, имеющий импульсную мощность не менее 5 кВт, анодное напряжение 6 кВ, импульсный анодный ток в пределах от 7 до 10 А, и длительность высокочастотного импульса п в пределах от 0,3 до 0,6 мкс. Проверка осуществлялась при напряжении питания Uпит =9 кВ, импульсном токе в нагрузке IМ=10 А, частоте следования импульсов 2,5 кГц и скважности в
пределах от 750 до 1000. На фиг.2 изображены эпюры, иллюстрирующие формирование импульсов тока магнетрона iМ , полученные в результате экспериментальной проверки работоспособности схемы высоковольтного импульсного модулятора в соответствии с заявленным решением.
Результаты проверки показали, что высоковольтный импульсный модулятор, выполненный в соответствии с заявленным решением, устойчив и высоконадежен в работе. При этом он, по сравнению с известными, в том числе с прототипом, имеет улучшенные характеристики выходного сигнала (ф, п и сп на фиг.2), а также значительно меньшие габариты и вес.
Источники информации, принятые во внимание при составлении описания изобретения
1. Журнал "Современная электроника", №3, 2005, с.2, рис.1
2. Иванов-Цыганов А.И. и др. Источники вторичного электропитания приборов СВЧ. М., Радио и связь, 1989, с.102
3. Патент РФ №2006181, МПК Н03К 17/687, 1994
4. Европейский патент ЕПВ №0409747, МПК Н03К 17/687, 1990
5. Патент РФ №2024187, МПК Н03К 17/687, 1994
6. Вопросы разработки твердотельных импульсных модуляторов для электровакуумных приборов СВЧ. Ж. "Современная электроника", №3, 2005, с.2, рис.2 (прототип).
Высоковольтный импульсный модулятор, содержащий столб из однотипных последовательно соединенных ячеек на полевых транзисторах, подключенный посредством RC-цепи к шинам питания и нагрузки, отличающийся тем, что в него дополнительно введены трансформаторы тока, число которых соответствует числу ячеек, при этом общая первичная обмотка трансформаторов подключена к генератору управляющих импульсов, а каждая из вторичных обмоток - к соответствующей ячейке столба, содержащей также ограничитель напряжения, катод которого соединен со стоком, а анод - с истоком полевого транзистора, и антизвонный резистор, подключенный к затвору полевого транзистора и первому выводу вторичной обмотки соответствующего трансформатора тока, второй вывод которой подключен к истоку полевого транзистора.
