ПРИБОРЫ И ТЕХНИКА ЭКСПЕРИМЕНТА, 2004, № 4, с. 53-56
_ ЭЛЕКТРОНИКА
- И РАДИОТЕХНИКА
ТРАНЗИСТОРНЫМ МОДУЛЯТОР СВЕРХВЫСОКОЧАСТОТНОГО МАГНЕТРОНА
© 2004 г. В. А. Визирь, С. В. Иванов, Б. М. Ковальчук, В. И. Манылов, Н. Г. Шубкин, В. В. Червяков, В. В. Юрьев, Л. Д. Бутаков*, В. И. Толмачев*
Институт сильноточной электроники СО РАН Россия, 634055, Томск, просп. Академический, 4 *НИИ ядерной физики при Томском политехническом университете Россия, 634050, Томск, просп. Ленина, 2а Поступила в редакцию 25.11.2003 г.
Модулятор предназначен для питания с.в.ч.-магнетрона с выходной импульсной мощностью 3 МВт и средней мощностью 10 кВт. В модуляторе используются 100 параллельно включенных ЮБТ-транзисторов, коммутирующих свои конденсаторы на первичную обмотку импульсного трансформатора. На вторичной обмотке генерируется импульс с амплитудой напряжения 50 кВ, током 100 А, длительностью 0.6-6 мкс и частотой до 2 кГц.
Классические модуляторы для с.в.ч.-магнетро-нов строятся на ламповых или тиратронных коммутаторах [1]. В настоящее время появились достаточно мощные и надежные транзисторы IGBT, способные конкурировать с лампами и тиратронами по мощности и быстродействию и превышающие их по сроку службы во много раз. Уже появились сообщения о создании модуляторов для магнетронов на транзисторах [2].
В модуляторе используется схема с частичным разрядом накопительных конденсаторов транзисторами на импульсный повышающий трансформатор. Типичное рабочее напряжение транзисторов IGBT составляет ~1000 В. При этом напряжении ток первичной цепи импульсного трансформатора составляет ~6000 А, а волновое сопротивление цепи ~0.15 Ом. Расчеты показывают, что для получения требуемой длительности фронта импульса напряжения на магнетроне ~500 нс индуктивность всей первичной цепи не должна превышать ~10 нГн. Такая индуктивность может быть получена только при большом числе параллельных конденсаторно-транзисторных цепей. Кроме того, время включения транзистора должно быть не больше ~200 нс при скорости нарастания общего тока первичной цепи ~30 кА/мкс.
Мы провели измерения коммутационных характеристик ряда IGBT-транзисторов при напряжении питания 900 В и амплитуде коммутируемого тока 70 А и остановились на транзисторе IRG4PH50UD фирмы International Rectifier. При скорости нарастания тока 300 А/мкс он имеет время включения (время спада напряжения коллектора до 0.05 200 нс. Максимальное допустимое напряжение коллектора 1200 В. Таким образом, в модуляторе было использовано 100 таких транзисторов.
Основной трудностью создания транзисторных модуляторов является обеспечение надежной защиты от перегрузок по напряжению и току, к которым они очень критичны. Поэтому в модуляторе используется два вида защиты по напряжению и три вида защиты по току. Защита по напряжению основана на ограничителях напряжения и фиксирующих цепочках, подключенных непосредственно к транзисторам. Основная защита по току основана на измерении тока каждого транзистора с помощью шунта ~0.01 Ом и запуска быстродействующего тиристора, закорачивающего базу транзистора на землю в случае превышения током значения 130-150 А. Упреждающие защиты по току основаны на регистрации тока первичной обмотки импульсного трансформатора трансформатором тока и на регистрации быстрых сбросов напряжения на магнетроне дифференцирующей цепью. Сигналы со всех датчиков поступают в блок управления и выключают импульс управления транзисторами.
Функциональная схема модулятора представлена на рис. 1. Модулятор содержит блок управления и вспомогательного питания; двадцать плат Р1-Р20, имеющих по 5 транзисторно-конденсаторных ячеек; импульсный повышающий трансформатор Тр; блок измерения и защиты; дифференцирующую цепь защиты Я1, Я2, С3 и корректирующую цепь Я3, С4, улучшающую согласование магнетрона с модулятором на фронте импульса, а также датчики (на схеме не показаны) - трансформатор первичного тока, делители первичного и вторичного напряжения и шунт вторичного тока.
В блоке управления формируется импульс управления платами, а также генерируются вспомо-
4-в-
Магнетрон
С
2
Рис. 1. Функциональная схема модулятора.
Р
+800 |---------------1 |-------------1
на Тр
Рис. 2. Схема платы модулятора.
гательные напряжения и токи, в частности ток подмагничивания трансформатора (10 А).
В блок измерения и защиты поступают импульсы с датчиков напряжения и тока и1, 11, и2,12, импульс дифференцирующей цепи идиф, а также импульсы тока плат 1Р и импульсы управления транзисторами иупр. В случае пробоев и перегрузок формируется сигнал обратной связи, идущий в блок управления и обрывающий импульс управления. В этом случае в блоке управления вырабатывается сигнал Перегрузка, который подается в
стойку управления. Туда же поступают сигналы состояния транзисторов.
Модулятор связан со стойкой управления кабельными линиями, по которым в модулятор поступают силовое питание (800 В, 15 А), импульс запуска, ток накала 1нак магнетрона (16 А), а из модулятора идут сигналы о состоянии транзисторов, основные измеряемые сигналы и1, 11, и2,12 и сигнал Перегрузка. Источник силового питания выполнен по схеме резонансного преобразователя, работающего на частоте 30 кГц.
ТРАНЗИСТОРНЫЙ МОДУЛЯТОР 55
336
Рис. 3. Импульсный трансформатор. 1 - корпус (первичная обмотка); 2 - фланец ввода импульса первичного напряжения; 3 - изолятор первичной обмотки; 4 - стяжные болты; 5 - магнитные сердечники; 6 - изоляторы сердечников; 7,9 - изоляторы вторичной обмотки; 8 - вторичная обмотка; 10 - низковольтный изолятор; 11 - высоковольтный изолятор; 12 - трансформатор первичного тока; 13 - трансформатор вторичного тока; 14 - шунт вторичного тока; 15 -расширитель.
На рис. 2 приведена схема платы модулятора. Она состоит из 5 транзисторно-конденсаторных ячеек (Т - Ж04РН50иБ, С2 - К75-81-20 мкФ, 1000 В), выходы которых коаксиальными кабелями длиной 0.7 м подаются на первичную обмотку трансформатора Тр (рис. 1). Запуск всех пяти транзисторов Т осуществляется через трансформатор Тр1 (рис. 2). Накопительный конденсатор С2 каждой ячейки заряжается через диод Д1. Параллельно транзистору Т включены ограничитель напряжения Д3 и фиксирующая цепь Д2, С1, Лх, которые ограничивают выбросы напряжения на коллекторе транзистора на уровне ~1000 В. В цепь коллектора включен предохранитель. При аварийном пробое транзистора он отключает последний, и система продолжает работать с меньшим числом транзисторов. Сигнал о пробое транзистора обрабатывается в плате индикации и подается в стойку управления. В эмиттер транзи-
стора включен шунт Я6 (0.01 Ом). Сигналы со всех шунтов суммируются в плате индикации и подаются в блок измерения и защиты. Каждый транзистор имеет индивидуальную защиту по току. Сигнал с шунта при превышении тока ~150 А запускает быстрый тиристор Д4 (КУ104Г), и тот, замыкая базу транзистора на землю, выключает его. Трансформатор Тр2 передает сигнал о перегрузке в схему индикации. Сигнал о срабатывании защиты также обрабатывается и передается в стойку управления.
При пробоях нагрузки (искрение магнетрона) вследствие наличия разброса уровня срабатывания защиты транзисторы, выключающиеся последними, перегружаются по току. Поэтому в системе предусмотрены две упреждающие защиты. Первая основана на регистрации пробоев в магнетроне или вне его с помощью дифференцирующей цепи Яъ Я2, С3 (рис. 1), сигнал с которой по-
Рис. 4. Осциллограммы напряжения (1, 14 кВ/деле-ние) и тока (2, 35 А/деление) модулятора при работе на активную нагрузку 500 Ом. Время - 1 мкс/деление.
ступает в блок измерения и защиты, а затем в блок управления и обрывает импульс управления транзисторов. Вторая основана на регистрации первичного тока трансформатором тока и действует аналогично. При срабатывании защиты подача импульсов запуска прекращается на ~0.5 с. При повторении аварийной ситуации система переходит в режим "икания" до вмешательства оператора.
Импульсный трансформатор (рис. 3) имеет первичную обмотку в виде одного объемного витка, в полости которого располагается магнитный сердечник 5 с намотанной на нем вторичной обмоткой 8. Первичная обмотка одновременно является корпусом трансформатора 1, изолирующая среда - трансформаторное масло. Вторичная обмотка выполнена двумя параллельными ветвями (число витков 65) для подачи тока накала магнетрона. Магнитный сердечник состоит из шести отдельных сердечников размером 180 х 110 х 20 мм, намотанных лентой из металлоаморфного сплава 5БДСР с индукцией насыщения 1.3 Тл. Все изоляторы трансформатора выполнены из капролона. Одновитковая объемная первичная обмотка обеспечивает минимальную индуктивность рассеяния трансформатора (~20 нГн), необходимую для получения требуемой длительности фронта импульса. Трансформатор первичного тока (пояс Рогов-
Рис. 5. Осциллограммы напряжения (1, 14 кВ/деле-ние) и импульса излучения (2) модулятора при работе на магнетрон. Время - 1 мкс/деление.
ского) 12 выполнен на сердечнике из сплава 5БДСР и уложен в паз между корпусом и фланцем. Конструктивно модулятор вместе с магнетроном размещен в шкафу размером 1 х 0.8 х 1.8 м. Модулятор имеет воздушное охлаждение, магнетрон -водяное.
На рис. 4 показаны осциллограммы импульсов напряжения и тока модулятора на активной нагрузке 500 Ом, на рис. 5 - осциллограммы импульса напряжения магнетрона и импульса излучения.
Итак, разработан модулятор для питания мощного с.в.ч.-магнетрона. В качестве коммутатора применены 100 параллельных IGBT-транзисто-ров IRG4PH50UD. Опыт разработки показал, что для получения надежной работы большого числа параллельных транзисторов требуется тщательно отлаженная схема защиты транзисторов по току и напряжению.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Верещагин Е.М. Модуляция в генераторах сверхвысоких частот. М.: Сов. радио, 1972.
2. Richardson R, Rush R, Iskander M. et al. // Digest of Technical Paper Pulse Power Plasma Science 2001 (13th IEEE Int. Pulsed Power Conference. Las Vegas, Nevada, USA, June 17-22, 2001). P. 636.
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.