УСТРОЙСТВО МАГНИТНОГО СЖАТИЯ И УМНОЖЕНИЯ НАПРЯЖЕНИЯ ИМПУЛЬСА Российский патент 2005 года по МПК H03K3/53 

Изобретение относится к импульсной технике и может быть использовано для питания импульсных частотных нагрузок, импульсных газовых лазеров, ускорителей частиц, клистронов, магнетронов высоковольтными наносекундными импульсами с высокой частотой повторения.

Известно устройство магнитного сжатия и умножения напряжения импульса, содержащее высоковольтный зарядный источник, первичный емкостный накопитель, газоразрядный коммутирующий тиратрон, вспомогательный пассивный магнитный коммутатор для передачи энергии от первичного емкостного накопителя к умножителю напряжения, пассивный магнитный коммутатор и LC (индуктивно-емкостный) инверторный умножитель напряжения импульса на N LC-инверторах и распределительные дроссели для параллельной зарядки конденсаторов инверторов [United States Patent 5105097 от 14.04.1992, МПК Н 02 М 9/04].

Недостатки устройства: ограничение коэффициента умножения напряжения величиной 2N, ограничение коэффициента сжатия импульса величиной g, где g - отношение времени насыщения пассивного магнитного коммутатора и времени синхронного инвертирования напряжения на емкостях всех LC-инверторов через обмотки пассивного магнитного коммутатора, синхронная перезарядка инверторов с помощью единого магнитного коммутатора, требует увеличения объема сердечника коммутатора пропорционально количеству LC-инверторов, что затрудняет отвод тепла на высоких частотах повторения, наличие вспомогательных зарядных дросселей приводит к усложнению схемы и вносит дополнительные потери в работу устройства.

Наиболее близким к предлагаемому является устройство магнитного сжатия и умножения напряжения импульса, имеющее формирующую входной импульс цепь, в состав которой входит первичный емкостный накопитель, тиристорный коммутатор, подключенные к первичной обмотке импульсного трансформатора, нагрузку, зашунтированную конденсатором и катушкой индуктивности, N последовательно соединенных звеньев магнитного сжатия, которые включены между вторичной обмоткой импульсного трансформатора и нагрузкой. В каждом звене магнитного сжатия дополнительно к первым накопительным конденсаторам подключены вторые накопительные конденсаторы. Каждое звено содержит выходные магнитные ключи. Выводы выходных магнитных ключей, кроме последнего, соединены с точкой соединения первого и второго накопительных конденсаторов последующих звеньев, а параллельно первому накопительному конденсатору каждого из магнитных звеньев, кроме первого, подключены дополнительные магнитные ключи [Патент РФ 2089042, МПК Н 03 К 3/53, Бюл. от 27.08.1997].

Недостатками устройства являются: наличие первичного емкостного накопителя и импульсного трансформатора, усложняющего схему и увеличивающего размеры устройства, коэффициент умножения напряжения ограничен величиной 2^N где N - количество последовательно соединенных звеньев магнитного сжатия, коэффициент сжатия импульса ограничен величиной g, где g - отношение времени насыщения пассивного магнитного коммутатора к времени перезарядки емкостей звена магнитного сжатия.

Техническим результатом изобретения является увеличение коэффициента умножения напряжения при передаче энергии от звена к звену, увеличение коэффициента сжатия импульса при передаче энергии от звена к звену, а также упрощение устройства.

Технический результат достигается тем, что в устройстве магнитного сжатия и умножения напряжения импульса, имеющем N звеньев магнитного сжатия, включенных последовательно, в состав каждого из которых входит пассивный магнитный коммутатор, причем выходной ток предыдущего звена является зарядным током следующего, новым является то, что в каждом звене магнитного сжатия между высоковольтным выводом первого конденсатора и эквипотенциальным выводом выходного конденсатора введена 2-звенная интегрирующая LC-цепочка, в которой в качестве индуктивностей используются пассивные магнитные коммутаторы, причем величина емкости в первом звене интегрирующей LC-цепочки составляет 1/3 от емкости первого конденсатора звена магнитного сжатия, а емкости второго конденсатора в интегрирующей LC-цепочке и выходного конденсатора в звене магнитного сжатия равны между собой и составляют 1/12 от емкости первого конденсатора звена магнитного сжатия, при этом суммарная емкость конденсаторов последующего звена магнитного сжатия равна половине емкости выходного конденсатора предыдущего звена магнитного сжатия, а в первом звене магнитного сжатия последовательно с первым пассивным магнитным коммутатором подключен активный коммутатор и оба они подключены параллельно первому конденсатору.

Таким образом, в устройстве магнитного сжатия и умножения напряжения импульса, по сравнению с прототипом, введен новый элемент - двухзвенная интегрирующая LC-цепочка, в которой в качестве индуктивностей используются пассивные магнитные коммутаторы.

Приведенная совокупность признаков приводит к тому, что процессе магнитного сжатия импульса при переходе энергии от предыдущего звена магнитного сжатия к последующему происходит умножение напряжения в шесть раз. Величина выходного напряжения устройства составляет U₀·6^N, где U₀ - напряжение питания устройства, а N - число последовательно включенных звеньев магнитного сжатия. Кроме того, при переходе от звена к звену магнитного сжатия происходит сокращение длительности фронта нарастания импульса напряжения в g⁴ раз. А общий коэффициент сжатия равен g^4N. В отличие от прототипа высокий коэффициент умножения напряжения позволяет отказаться от импульсного трансформатора и первичного емкостного накопителя, а накапливать энергию в первом звене магнитного сжатия непосредственно от источника питания, что существенно упрощает устройство.

На чертеже дана схема предлагаемого устройства.

Предложенное устройство магнитного сжатия и умножения напряжения импульса содержит активный коммутатор 1, N-звенную цепь из последовательно подключенных звеньев магнитного сжатия 2, 3. Узел нагрузки содержит нагрузочный элемент 4, параллельно которому подключены шунтирующий конденсатор 5 и индуктивность 6. Каждое звено магнитного сжатия содержит четыре конденсатора 7, 8, 9, 10 в первом звене и 11, 12, 13, 14 соответственно во втором, и т.д. При этом величины емкостей конденсаторов в каждом звене магнитного сжатия имеют одинаковые соотношения C₇:C₈:C₉:C₁₀=12:4:1:1 и соответственно C₁₁:C₁₂:C₁₃:C₁₄=12:4:1:1. При этом суммарная емкость конденсаторов последующего звена магнитного сжатия равна половине емкости последнего конденсатора предыдущего звена магнитного сжатия: C₁₁+C₁₂+C₁₃+C₁₄=C₁₀/2. Каждое звено магнитного сжатия имеет четыре пассивных магнитных коммутатора 15, 16, 17, 18 в первом и 19, 20, 21, 22 во втором. Конденсаторы 8, 9 и индуктивности 16, 17 в первом звене магнитного сжатия и соответственно конденсаторы 12, 13 и индуктивности 20, 21 во втором образуют двухзвенные интегрирующие цепочки 29, 30, включенные между высоковольтными выводами 23, 27 первых конденсаторов 7, 11 в звеньях магнитного сжатия и эквипотенциальными выводами 25, 31 выходных конденсаторов 10, 14. Последовательно с первым пассивным коммутатором 15 в первом звене магнитного сжатия подключен активный коммутатор 1 в качестве которого может быть использован тиратрон, лампа, транзистор, тиристор и т.д, а оба они подключены параллельно первой емкости 7. Во втором и последующих звеньях магнитного сжатия первый пассивный коммутатор 19 подключен параллельно первому конденсатору 11. Между незаземленными выводами первого 7, 11 и второго 8, 12 конденсаторов во всех звеньях магнитного сжатия подключен второй пассивный магнитный коммутатор 16, 20. Между незаземленными выводами второго 8, 12 и третьего 9, 13 конденсаторов во всех звеньях магнитного сжатия подключен третий пассивный магнитный коммутатор 17, 21. Выходные четвертые конденсаторы 10, 14 во всех звеньях магнитного сжатия подключены одним выводом к незаземленному выводу третьих конденсаторов 9, 13. Последовательно с четвертыми конденсаторами 10, 14 подключены четвертые пассивные магнитные коммутаторы 18, 22. Свободный вывод которых, кроме последнего, подключен ко входу последующего звена магнитного сжатия. Четвертый пассивный магнитный коммутатор последнего звена магнитного сжатия 22 подключен вторым выводом к нагрузочному элементу 4.

Устройство работает следующим образом.

Конденсаторы первого звена магнитного сжатия 7, 8, 9, 10 заряжаются от внешнего источника питания до напряжения U₀, причем зарядный ток протекает по пассивным магнитным коммутаторам 15, 16, 17, 18 первого звена магнитного сжатия и 19 второго звена магнитного сжатия в направлении пунктирной стрелки. При включении активного коммутатора 1 перепад напряжения на первом пассивном магнитном коммутаторе 15 нарастает от 0 до U₀ в течение времени открытия активного коммутатора 1. К этому моменту происходит насыщение сердечника первого магнитного коммутатора 15, его индуктивность резко падает и заряд с первого конденсатора 7 протекает через первый пассивный магнитный коммутатор 15 и активный коммутатор 1. В результате чего напряжение в точке 23 устанавливается - U₀. К этому моменту происходит насыщение сердечника второго магнитного коммутатора 16, и заряд со второго конденсатора 8 протекает через второй пассивный магнитный коммутатор 16 на первый конденсатор. В результате чего напряжение в точке 24 устанавливается - 2U₀, а в точке 23 - ноль. К этому моменту происходит насыщение сердечника третьего магнитного коммутатора 17, и заряд с третьего 9 и четвертого 10 конденсаторов протекает через третий пассивный магнитный коммутатор 17 на второй конденсатор 8. В результате чего напряжение в точке 25 устанавливается - 3U₀, а в точке 24 - ноль. Токи разряда конденсаторов протекают по направлению сплошной стрелки. При этом напряжение в точке 26 изменяется от 0 до - 6U₀. К моменту достижения напряжения в точке 26 максимального значения происходит насыщение сердечника четвертого пассивного магнитного коммутатора 10 и начинается процесс зарядки конденсаторов 11, 12, 13, 14 второго звена магнитного сжатия до напряжения - 6U₀, причем зарядный ток протекает по пассивным магнитным коммутаторам 20, 21, 22 и индуктивности 6 в направлении пунктирной стрелки. К моменту полной зарядки конденсаторов 11, 12, 13, 14 происходит насыщение сердечника первого пассивного магнитного коммутатора 19 и происходит перезарядка первого конденсатора. При этом напряжение в точке 27 устанавливается +6U₀. Процессы перезарядки конденсаторов 12, 13, 14 второго звена магнитного сжатия аналогичны процессам перезарядки конденсаторов 8, 9, 10 первого звена магнитного сжатия, только с обратной полярностью, а токи перезарядки протекают по направлению сплошных стрелок через пассивные магнитные коммутаторы 19, 20, 21, 22. При этом напряжение в точке 28 изменяется от 0 до +36U₀. Насыщение сердечника магнитного коммутатора 22 происходит в момент достижения в точке 28 максимального значения напряжения, что приводит к передаче энергии из последнего звена магнитного сжатия в нагрузку.

Таким образом, в предложенном устройстве в процессе магнитного сжатия импульса при переходе энергии от звена к звену происходит умножение напряжения в шесть раз. Величина выходного напряжения устройства составляет U₀·6^N, где U₀ - напряжение питания устройства, а N - число последовательно включенных звеньев магнитного сжатия. Кроме того, при переходе от звена к звену происходит сокращение длительности фронта нарастания импульса напряжения в g⁴ раз. А общий коэффициент сжатия равен g^4N. В отличие от прототипа, высокий коэффициент умножения напряжения позволяет отказаться от импульсного трансформатора и первичного емкостного накопителя, а накапливать энергию в первом звене магнитного сжатия непосредственно от источника питания, что существенно упрощает устройство. Сравнение с прототипом при равном количестве дискретных элементов (конденсаторов и пассивных магнитных коммутаторов) показывает, что, например, при наличии 4 конденсаторов и 4 дросселей заявляемое устройство позволяет повысить напряжение в 6 раз, а для прототипа - только в 4, при 8 конденсаторах и 8 дросселях - в 36 раз, а для прототипа - только в 16 и т.д.

Изобретение относится к импульсной технике и может быть использовано для питания импульсных частотных нагрузок, импульсных газовых лазеров, ускорителей частиц, клистронов, магнетронов высоковольтными наносекундными импульсами с высокой частотой повторения. Техническим результатом изобретения является увеличение коэффициента умножения напряжения при передаче энергии от звена к звену, увеличение коэффициента сжатия импульса при передаче энергии от звена к звену, а также упрощение устройства. Технический результат достигается тем, что в устройстве магнитного сжатия и умножения напряжения импульса, имеющем N звеньев магнитного сжатия, включенных последовательно, в состав каждого из которых входит пассивный магнитный коммутатор, причем выходной ток предыдущего звена является зарядным током следующего, новым является то, что в каждом звене магнитного сжатия между высоковольтным выводом первого конденсатора и эквипотенциальным выводом выходного конденсатора введена 2-звенная интегрирующая LC-цепочка, в которой в качестве индуктивностей используются пассивные магнитные коммутаторы, причем величина емкости в первом звене интегрирующей LC-цепочки составляет 1/3 от емкости первого конденсатора звена магнитного сжатия, а емкости второго конденсатора в интегрирующей LC-цепочке и выходного конденсатора в звене магнитного сжатия равны между собой и составляют 1/12 от емкости первого конденсатора звена магнитного сжатия, при этом суммарная емкость конденсаторов последующего звена магнитного сжатия равна половине емкости выходного конденсатора предыдущего звена магнитного сжатия, а в первом звене магнитного сжатия последовательно с первым пассивным магнитным коммутатором подключен активный коммутатор и оба они подключены параллельно первому конденсатору. 1 ил.

Устройство магнитного сжатия и умножения напряжения импульса, содержащее N звеньев магнитного сжатия, включенных последовательно, в состав каждого из которых входит пассивный магнитный коммутатор, причем выходной ток предыдущего звена магнитного сжатия является зарядным током следующего, отличающееся тем, что в каждом звене магнитного сжатия между высоковольтным выводом первого конденсатора и эквипотенциальным выводом выходного конденсатора введена 2-звенная интегрирующая LC-цепочка, в которой в качестве индуктивностей используются пассивные магнитные коммутаторы, причем величина емкости в первом звене интегрирующей LC-цепочки составляет 1/3 от емкости первого конденсатора звена магнитного сжатия, а емкости второго конденсатора в интегрирующей LC-цепочке и выходного конденсатора в звене магнитного сжатия равны между собой и составляют 1/12 от емкости первого конденсатора звена магнитного сжатия, при этом суммарная емкость конденсаторов последующего звена магнитного сжатия равна половине емкости выходного конденсатора предыдущего звена магнитного сжатия, а в первом звене магнитного сжатия последовательно с первым пассивным магнитным коммутатором подключен активный коммутатор и оба они подключены параллельно первому конденсатору.