ПРИБОРЫ И ТЕХНИКА ЭКСПЕРИМЕНТА, 2014, № 2, с. 48-52
^ ЭЛЕКТРОНИКА
И РАДИОТЕХНИКА
УДК 621.373.5
ТВЕРДОТЕЛЬНЫЙ ГЕНЕРАТОР С КОНТУРОМ УДАРНОГО ВОЗБУЖДЕНИЯ
© 2014 г. А. В. Пономарев, А. С. Пудиков, А. И. Гусев, М. С. Педос
Институт электрофизики УрО РАН Россия, 620016, Екатеринбург, ул. Амундсена, 106 E-mail: avponomarev@yandex.ru Поступила в редакцию 15.07.2013 г.
Разработан твердотельный генератор импульсов высокочастотных затухающих колебаний на основе контура ударного возбуждения. Частота высокочастотных колебаний достигает единиц мегагерц при частоте следования импульсов в постоянном режиме до 1 кГц. Частота выходных импульсов определяет потребляемую из сети мощность, которая не превышает 700 Вт, при этом мощность выходных импульсов достигает в пике сотен киловатт при эффективности генератора до 65% в случае использования оптимальной резистивной нагрузки. Основная область применения генератора — генерация низкотемпературной плазмы при атмосферном давлении.
DOI: 10.7868/S0032816214020219
1. ВВЕДЕНИЕ
Хорошо известны мощные генераторы высокочастотных колебаний, в которых используется принцип ударного возбуждения колебательного контура импульсами тока большой амплитуды. Получаемые прерывистые колебания имеют затухающий характер, что для ряда применений (возбуждение низкотемпературной плазмы, индукционный нагрев) не имеет принципиального значения [1].
Работа коммутатора в ключевом режиме позволяет значительно повысить технико-экономические параметры высокочастотных источников питания. В качестве коммутатора в них обычно используются тиратроны. Недостатками использования тиратронов являются ограниченный ресурс работы прибора, необходимость в мощном источнике питания накала и высоковольтном источнике анодного напряжения.
В [2] описан высокочастотный генератор для ионно-плазменного нанесения покрытий, основанный на возбуждении затухающих автоколебаний в цепи резонансного контура после пробоя разрядника. Недостатками использования разрядника в качестве коммутатора, по мнению авторов, являются шум при работе, яркое свечение, при высоких напряжениях — мягкое рентгеновское излучение.
Цель данной работы — разработка генератора импульсов высокочастотных затухающих колебаний на основе контура ударного возбуждения (в дальнейшем — генератор) с использованием в качестве коммутаторов только твердотельных приборов. Достоинствами данного подхода являются
повышенная надежность и длительный срок службы оборудования без деградации элементов системы коммутации вследствие отсутствия в конструкции генератора элементов с заведомо заложенным расходом либо износом.
Другим немаловажным достоинством твердотельных генераторов является стабильность выходных параметров. Минимальное время готовности к работе оборудования является также преимуществом данной системы коммутации. Отсутствие накаливаемых электродов, как в тиратронах и электронных лампах, позволяет получить импульс на нагрузке сразу же после подачи питающего напряжения.
2. ПРИНЦИП РАБОТЫ ГЕНЕРАТОРА
Упрощенная принципиальная схема генератора представлена на рис. 1.
Для удобства рассмотрения схему условно можно разделить на 2 основные части: низко -вольтную, представляющую собой транзисторно-зарядное устройство с системой управления, и высоковольтную — формирователь высокочастотных затухающих колебаний.
Транзисторно-зарядное устройство выполнено по схеме четвертьмостового инвертора, т.е. одно-тактного несимметричного преобразователя, и служит для преобразования энергии низкочастотной питающей сети в импульсы микросекундной длительности, частота следования которых определяет частоту импульсов, формируемых генератором.
Питание генератора осуществляется от однофазной сети напряжением 110—240 В частотой 50/60 Гц. Для независимости параметров генера-
Рис. 1. Принципиальная схема генератора. ККМ - корректор коэффициента мощности; Т - IRG4PH50UD, Т2 — IRG4PH50UD (18 параллельно); Д - ОТА30РВ120; Тр1 - К120 х 80 х 10, 50НП, 10 мкм (1 кольцо, wl = 1, = 40); -2 мГн (без сердечника); С1 - К50-17-1000 мкФ-400 В; С2 - К78-2-0.15 мкФ-1000 В (12 параллельно); С3 - КВИ-3-1000 пФ-16 кВ (3 параллельно и 3 последовательно).
тора от входного напряжения питающем сети и соответствия устройства международному стандарту 1ЕС 1000-3-2 на входе устройства применен корректор коэффициента мощности (ККМ), выполненный на микросхеме Ж1155. Корректор коэффициента мощности преобразует энергию питающей сети и осуществляет зарядку емкости фильтра С до напряжения 430 В.
При включении зарядного транзистора Т1 происходит зарядка первичного накопителя С2 через цепь резонансной зарядки Ьъ Д до напряжения 800 В за время 200 мкс. При протекании зарядного тока С2 через первичную обмотку импульсного трансформатора Тр1 происходит перемагничива-ние его сердечника, что необходимо для формирования следующего рабочего импульса.
После окончания процесса зарядки и срабатывании разрядного (коммутационного) транзистора Т2 начинается передача энергии из конденсатора С2 через импульсный трансформатор Тр1 в конденсатор С3 за время, равное 1.3 мкс. Ток через транзистор Т2 при этом достигает величины 2 кА.
Время передачи и значение протекающего тока обуславливают требования к разрядному транзистору. Применение силовых транзисторных модулей в данной ситуации не оправдано в силу их низкого быстродействия, поэтому транзистор Т2 был выполнен из 18 параллельно включенных дискретных ультрабыстрых ЮВТ-транзисторов.
Выключается разрядный транзистор по окончании процессов передачи энергии, формирования выходного импульса и релаксации энергии в системе. Это обуславливает его выключение без каких-либо коммутационных потерь и перенапряжений вследствие отсутствия тока через него в момент запирания.
Энергия первичного накопителя передается во вторичную цепь, заряжая конденсатор С3 до напряжения ~30 кВ. Диод Д2 в момент зарядки С3 находится в обратном включении и не оказывает влияния на процесс передачи энергии.
Процесс формирования высокочастотных затухающих колебаний иллюстрируется представ-
ленными на рис. 2 осциллограммами токов, протекающих через элементы высоковольтной цепи.
После насыщения сердечника трансформатора Тр1 конденсатор С3 разряжается через вторич-
I, А 100
0
-100 -200 200 100 0
-100 200 300 200 100 0
-100 200
100
0
-100
0
10
20
t, мкс
30
Рис. 2. Осциллограммы токов в высоковольтной цепи: а - через вторичную обмотку Тр1, б - через вторичную обмотку Тр2 (ток колебательного контура), в - через диод Д2, г - колебательного контура с нагрузкой Ян = 4.2 кОм.
Я
н
ную обмотку трансформатора Тр1 и первичную обмотку трансформатора Тр2. В момент максимума тока разряда напряжение на вторичной обмотке Тр1 изменяет свою полярность, что приводит к отпиранию диода Д2. При этом вторичная цепь может быть рассмотрена в виде двух независимых контуров.
В первом контуре, состоящем из вторичной обмотки Тр1 и диода Д2, возникает так называемый режим "crowbar". В этом режиме энергия, накопленная во вторичной обмотке Тр1, диссипирует с постоянной времени L/R, где L — индуктивность обмотки в насыщенном состоянии, R — сопротивление диода в прямом включении и омическое сопротивление проводников цепи (рис. 2a). Спадающий ток, протекающий через диод в прямом направлении, поддерживает его в открытом состоянии.
Второй контур состоит из конденсатора С3 и первичной обмотки выходного трансформатора Тр2. Для этой цепи открытый диод Д2 является не более чем просто проводником тока в обоих направлениях. Импульс тока в момент насыщения трансформатора Тр1 возбуждает этот колебательный контур, что приводит к появлению в нем затухающих колебаний (рис. 2б). Частота колебаний определяется параметрами контура и имеет значение ~1 МГц в данном эксперименте [3].
При этом ток через диод (рис. 2в) представляет собой суперпозицию токов двух описанных выше контуров. В начальный момент, в области больших токов, через диод протекает прямой спадающий ток, насыщающий структуру диода носителями. Это позволяет диоду проводить ток не только в положительные, но и в отрицательные периоды высокочастотных колебаний. В области малых токов вероятность процесса рекомбинации носителей снижается, и диод также способен пропускать через себя высокочастотный ток в обоих направлениях и без протекающего через него постоянного прямого тока.
Кривые на рис. 2а—2в получены в режиме холостого хода при отсутствии нагрузки во вторичной цепи трансформатора Тр2. Затухание колебаний в этом случае происходит только благодаря омическим потерям в колебательном контуре. Таким образом, диод Д2 выступает в роли полупроводникового ключа, находящегося в закрытом состоянии в момент передачи энергии во вторичную цепь и открытого в момент возникновения в ней высокочастотных колебаний.
Диод Д2 представляет собой сборку, составленную из двух параллельных диодов, каждый из которых состоит из 15 последовательных элементарных диодов. Параметры элементарного диода: количество последовательных полупроводниковых структур — 4, площадь структуры — 2 см2, охладитель — медная пластина размером 30 х 30 мм и толщиной 0.5 мм.
СУ
з1 к затворам |—► Т2 (рис. 1)
-| |—► к эмиттерам
R31| Т2 (рис. 1)
I
R318
CZH
Рис. 3. Принципиальная схема драйвера разрядного транзистора. СУ - система управления; М^ - HCPL-3120; Т1 - Т2 - 1К^9110, Т3 - ^530^
Т4 - 1ЯР640^ все резисторы - МЛТ-0.25: Я1 = 100 Ом,
Яз1-*з18 = 10 Ом, ЯЭ1-ЯЭ18 = 1 Ом.
Диоды изготовлены из кремния с толщиной подложки 340 мкм и глубиной залегания р-п-пе-рехода 180 мкм. Они могут быть заменены в схеме сборками из частотных диодов с рабочим током не менее 300 А в импульсе и обратным напряжением не ниже 30 кВ.
Кривая тока в колебательном контуре с нагрузкой Ян = 4.2 кОм и трансформатором Тр2, имеющим соотношение обмоток 1:1, приведена на рис. 2г. В отличие от кривой на рис. 2б, снятой в режиме холостого хода, энергия из контура в этом случае передается через трансформатор Тр2 в нагрузку и затухание колебаний происходит за более короткое время. Время затухания зависит от величины нагрузки и коэффициента магнитной связи между обмотками, ко
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.