МОЩНЫЙ МОДУЛЯТОР Российский патент 2007 года по МПК H03K3/57 

1. Область техники

Настоящее изобретение относится к мощным модуляторам, а более конкретно к мощным модуляторам, включающим модули генерации импульсов, в которых используются первичная и вторичная обмотки.

2. Уровень техники

а) Модуляторы. Общее описание, определения и терминология

Модулятор - это устройство, которое управляет потоком электрической энергии. Когда включают электрическую лампу, а затем снова выключают ее, можно сказать, что была осуществлена модуляция тока, который поступает в лампу. В самом общем виде модулятор подает последовательность мощных электрических импульсов в конкретную нагрузку, например в СВЧ-генератор. В большинстве мощных радарных установок используются модуляторы, которые подают мощные импульсы в СВЧ-генератор, который в свою очередь подает мощность в виде периодических посылок СВЧ излучения в антенную конструкцию. Другие возможные применения такого мощного модулятора будут перечислены ниже.

За десятилетия после Второй мировой войны базовая структура мощных модуляторов не претерпела значительных изменений. Обычный модулятор состоит из источника питания, который получает энергию из сети переменного тока, повышает напряжение, выпрямляет его для получения постоянного напряжения и подает электроэнергию в накопитель, обычно образованный батареей электрических конденсаторов. Это необходимо, поскольку электросеть не может обеспечить требуемую пиковую мощность; поэтому накопитель используется для подачи пиковой мощности малыми порциями и повторно пополняется или заряжается с достаточной постоянной скоростью от источника постоянного тока с намного более низкой средней мощностью.

Затем часть электроэнергии из этого накопителя переносится во второй накопитель меньшей емкости, обычно в схему формирования импульсов (СФИ). Схема формирования импульсов представляет собой электрическую схему из конденсаторов и индуктивностей, обеспечивающих подачу мощности в нагрузку в виде прямоугольных (с плоской вершиной) импульсов с малым временем нарастания и спада по сравнению с шириной импульса или его длительностью.

Затем схему формирования импульсов (искусственную линию передачи или линию задержки) коммутируют, соединяя ее с первичной обмоткой импульсного трансформатора, обычно, но не всегда являющегося повышающим трансформатором. Напряжение на схеме формирования импульсов до переключения равно V, а напряжение, прикладываемое к первичной обмотке импульсного трансформатора, составляет V/2 или немного меньше. Это является одним из недостатков использования схем формирования импульсов. Коэффициент трансформации импульсного трансформатора (коэффициент повышения напряжения) для схемы формирования импульсов должен быть вдвое больше, чем требуется согласно настоящему изобретению.

Схема формирования импульсов полностью разряжается за время Т (обычно от нескольких микросекунд до нескольких десятков микросекунд), поддерживая достаточно постоянное напряжение на первичной обмотке импульсного трансформатора и создавая достаточно плоский выходной импульс на вторичной обмотке трансформатора. Однако если требуется плоскостность импульса порядка 0,1%, то схема формирования импульсов должна содержать очень большое количество LC-секций (индуктивность-конденсатор) и ее трудно настраивать. Кроме того, если какой-либо компонент в схеме формирования импульсов выйдет из строя, то после установки нового компонента потребуется повторная настройка схемы формирования импульсов, поскольку все номиналы элементов и их положения очень сильно влияют на работу схемы формирования импульсов.

После выдачи импульса перед следующим импульсом схема формирования импульсов должна вновь полностью зарядиться до напряжения V. Для обеспечения повторяемости импульсов последовательности с точностью до нескольких десятых процента это значительное "колебание" напряжения должно происходить с большой точностью. Кроме того, полный заряд и полный разряд всех конденсаторов в схеме формирования импульсов для каждого импульса, которых в секунду формируется от нескольких сотен до нескольких тысяч, приводят к большим деформациям диэлектрического материала в этих конденсаторах, и это вынуждает разрабатывать конденсаторы так, чтобы механические напряжения в них были очень низкими, вследствие чего конденсаторы имеют очень низкую удельную энергию. Это приводит к тому, что схема формирования импульсов становится громоздкой по сравнению с техническим решением, предлагаемым в настоящем изобретении, где конденсаторы не разряжаются и не перезаряжаются при каждом импульсе и, следовательно, могут иметь намного более высокую удельную энергию.

Если подытожить, то известные модуляторы имеют следующие недостатки:

- Напряжение на первичной обмотке импульсного трансформатора является высоким, в типичном случае 10 кВ или больше.

- Схема формирования импульсов должна быть полностью заряжена до напряжения 10-20 кВ для каждого импульса и полностью разряжена в течение импульса, что подвергает конденсаторы высокой механической нагрузке.

- По вышеупомянутой причине конденсаторы в схеме формирования импульсов имеют низкую удельную энергию, так что они имеют значительные габариты по сравнению с конденсаторами, подвергающимися меньшим механическим нагрузкам, которые используются согласно новой технической концепции.

- Если в электрической нагрузке происходит короткое замыкание (что часто имеет место в магнетронах), то нет никакой возможности выключить ток, поскольку высоковольтный переключатель схемы формирования импульсов (газонаполненный тиратрон) не может быть выключен, пока его ток не упадет до нуля.

- Если какой-либо компонент схемы формирования импульсов выходит из строя, то после его замены необходимо заново настраивать схему формирования импульсов для оптимизации формы импульсов. Это трудоемкая и опасная работа, поскольку она должна производиться, когда на схему формирования импульсов подано высокое напряжение.

- Если требуется другая ширина импульса, то необходимо заменять элементы схемы формирования импульсов и заново настраивать ее.

б) Импульсные трансформаторы

История так называемого импульсного трансформатора с обмоткой с дробным количеством витков начинается в начале 1960-х гг. с изобретения Николаев Кристофилоса, которое принадлежало правительственной Национальной Лаборатории Лоуренса Ливермора (LLNL). Тогда лабораторию называли Лабораторией Лоуренса Ливермора или LLL. В этом изобретении был раскрыт способ использования большого количества тороидальных магнитных сердечников, каждый из которых работает от высоковольтного генератора импульсов с напряжением в несколько десятков киловольт (с использованием искрового разрядника и схемы формирования импульсов) для создания ускоряющего потенциала от нескольких сотен киловольт до нескольких мегавольт с целью ускорения пучка заряженных частиц. Основная идея этого так называемого линейного магнитоиндукционного (LMI) ускорителя иллюстрируется на фиг.1 и 2.

На фиг.1 показан набор тороидальных магнитных сердечников, расположенных так, что прямая линия, совпадающая с направлением ускоряемого пучка, проходит через их центральные отверстия.

На фиг.2 показана структура линейного магнитоиндукционного ускорителя с дополнительными деталями; показаны одно высоковольтное устройство возбуждения (имеется для каждого сердечника) и траектория пучка частиц.

Ключевой особенностью ускорителя этого типа является то, что он подобно всем линейным магнитоиндукционным ускорителям имеет внешнюю поверхность, которая находится под потенциалом земли. Все напряжения, которые возбуждают отдельные сердечники, последовательно складываются вдоль центральной оси, но не появляются где-либо еще. Это означает, что ускоритель не излучает энергию наружу и может быть легко установлен в лаборатории, поскольку для этого его не нужно изолировать от окружающего пространства. Линейный магнитоиндукционный ускоритель с напряжением 800 кВ был построен в Лаборатории Лоуренса Ливермора в 1960-х гг. (ускоритель ASTRON) и использовался для ускорения электронных пучков в экспериментах по синтезу. Большая линейная магнитоиндукционная машина (FXR (flash x-ray) - "вспышка рентгеновского излучения") была построена в этой лаборатории в 1970-х гг. для ускорения импульсного электронного пучка, направляемого на мишень для создания рентгеновского излучения. FXR использовалась для радиографии взрывов методом стоп-кадра.

Принцип действия линейного магнитоиндукционного ускорителя может быть проиллюстрирован с помощью фиг.3, где показано поперечное сечение этой установки в плоскости, включающей ось луча.

Для описания структуры с множеством сердечников, показанной на фиг.3, необходимо напомнить несколько физических законов. Прежде всего, необходимо правило правой руки. Это (относительное) правило утверждает, что если вы обхватите проводник правой рукой так, чтобы большой палец показывал направление потока положительных зарядов, тогда ваши пальцы будут обхватывать проводник в направлении линий магнитного потока, окружающих этот проводник. Если применить это правило к фиг.3, то магнитный поток, индуцированный в тороидальных магнитных сердечниках, будет направлен так, как показано на чертеже. "Точка" используется для обозначения векторов потока, направленных к читателю, а Х используется для обозначения векторов потока, идущих от читателя.

Применив это правило к пучку частиц, идущему вправо вдоль оси на фиг.3, получаем, что магнитный поток, созданный этим пучком, идет противоположно направлению потока, индуцированного током первичной цепи, что соответствует действительности. Если представить, что это трансформатор, а пучок - это ток короткого замыкания во вторичной обмотке, то этот ток во вторичной обмотке будет течь в таком направлении, чтобы компенсировать поток, индуцированный током первичной обмотки, в результате чего результирующий поток в магнитных сердечниках станет нулевым, и источник питания первичной обмотки окажется закороченным. Отсутствие изменения потока в сердечниках означает отсутствие напряжения на первичных обмотках, что по определению представляет собой короткое замыкание. Поэтому пучок положительно заряженных частиц (протонов) будет ускоряться такой конструкцией по направлению вправо, а пучок отрицательно заряженных частиц (электронов) будет ускоряться влево.

Теперь применим другое правило, а именно: напряжение, индуцированное в проводнике, который окружает магнитный поток, пропорционально скорости изменения этого магнитного потока. Рассмотрим контур ABCD, который охватывает поток всех пяти сердечников. Напряжение, индуцированное в проводнике, который проходит вдоль этого контура, пропорционально скорости изменения потока во всех пяти сердечниках вместе. Однако каждый сердечник возбуждается напряжением в первичной обмотке V, так что скорость изменения потока в каждом сердечнике пропорциональна V. Поэтому напряжение, индуцированное вдоль контура ABCD, должно быть равно 5V. Конструкция действует как повышающий трансформатор напряжения. Согласно еще одному правилу, в трансформаторе отношение напряжения на вторичной обмотке к напряжению на первичной обмотке равно отношению количества витков вторичной обмотки к количеству витков первичной обмотки, поэтому линейный магнитоиндукционный ускоритель на фиг.3 имеет эффективный коэффициент трансформации, равный пяти, хотя контур ABCD представляет собой только один виток. Поэтому первичная обмотка должна считаться имеющей 1/5 витка, и, следовательно, линейный магнитоиндукционный ускоритель можно считать трансформатором с первичной обмоткой с дробным количеством витков.

в) Другие сведения, относящиеся к уровню техники

На фиг.4 показана схема импульсного трансформатора, описанного в патенте США №5905646. Для простоты показаны два модуля генерации импульсов. Как видно на схеме, каждый модуль управляет одновитковой первичной обмоткой (1), которая охватывает один из двух магнитных сердечников. Каждый модуль содержит конденсатор, заряжаемый до напряжения V, и предохранительный или обратный диод D, защищающий переключатель при его замыкании от разрушительного обратного выброса напряжения.

В вышеупомянутом патенте США №5905646 подчеркивается, что каждый модуль управляет независимым витком первичной обмотки. Это сделано для того, чтобы через все переключатели модулей протекал одинаковый ток. Однако такое ограничение приводит к возможности возникновения в модуляторе разрушительного режима короткого замыкания. Чтобы это понять, предположим, что два переключателя на фиг.4 замыкаются не точно в одно и то же время. Если верхний переключатель начинает проводить ток на микросекунду раньше, чем нижний переключатель (или наоборот), то возникает неисправность. В описанной ситуации через верхний магнитный сердечник поток проходит в показанном на чертеже направлении (входит в плоскость страницы в точке Х и выходит из страницы там, где изображена точка). Этот поток индуцирует протекание тока во вторичной обмотке и нагрузке, как показано на чертеже. При этом в нижнем сердечнике никакого потока нет, поскольку переключатель ее модуля еще разомкнут. Но ток, текущий во вторичной обмотке, индуцирует поток в нижнем сердечнике в направлении, противоположном показанному. Этот поток индуцирует ток в нижнем модуле, показанном на схеме, и этот ток открывает диод D нижнего модуля.

Затем, когда переключатель нижнего модуля оказывается замкнут, подаваемое напряжение смещает нижний диод (который открыт) в обратном направлении, и это приводит к запиранию диода. Запирание диода в течение нескольких наносекунд в тот момент, когда через него течет большой ток, обычно приводит к выходу диода из строя. При разрушении диода он обычно становится короткозамкнутым. Это короткое замыкание вызывает протекание почти неограниченного тока через переключатель нижнего модуля и приводит к выходу переключателя из строя.

СУЩНОСТЬ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Целью настоящего изобретения является устранение вышеуказанного недостатка, присущего известному техническому решению, раскрытому в патенте США №5905646. Другой целью настоящего изобретения является создание мощного модулятора с таким подключением первичной обмотки, которое устраняет потребность в одинаковом количестве модулей генерации импульсов и первичных обмоток. Еще одной целью настоящего изобретения является создание такого мощного модулятора, в котором устранены вышеуказанные недостатки известных технических решений, в результате чего:

- напряжение на стороне первичной обмотки импульсного трансформатора является низким, обычно 1 кВ или меньше;

- отсутствует схема формирования импульсов и, следовательно, отсутствуют все недостатки, связанные с ее использованием, поскольку переключатели модулятора являются полупроводниковыми, например биполярными транзисторами с изолированным затвором или полевыми МОП-транзисторами, которые можно выключить при протекании через них тока и тем самым оборвать импульс;

- в течение импульса накопительные конденсаторы не разряжаются более чем на несколько процентов, так что их удельная емкость может быть намного больше, чем для конденсаторов в схеме формирования импульсов;

- если в нагрузке происходит короткое замыкание, то это можно обнаружить по внезапному понижению напряжения на нагрузке и генерировать сигнал, переключающий быстродействующий компаратор, который снимает низковольтные импульсы с затворов полупроводниковых переключателей, обрывая импульс (в известных технических решениях модуляторы содержали для этой цели детекторы перегрузки по току, которые обладают значительно меньшим быстродействием и позволяют протекать намного большему току перед выключением); и

- если требуется другая ширина импульса, то этого можно достичь простым изменением хронирования твердотельного запускающего переключателя, т.е. путем выполнения операции, которая имеет место при низком напряжении и может быть выполнена из компьютерной станции управления, что обеспечивает простую электронную регулировку ширины импульса.

Эти преимущества обеспечивают намного меньшие размеры и значительно больший срок службы твердотельного модулятора по сравнению со старым техническим решением с использованием схемы формирования импульсов и тиратрона.

Еще одной целью настоящего изобретения является создание мощного модулятора, в котором различные модули генерации импульсов можно включать или выключать в разные моменты времени. Возможность включения или выключения модулей генерации импульсов в разное время полезна для удаления выбросов или "звона" в начале импульса.

Для ясности описания оно будет ограничено случаем двух модулей генерации импульсов. Это ни в коем случае не ограничивает рамки изобретения, которое может использоваться с любым количеством модулей генерации импульсов.

Добавление двух дополнительных одиночных витков, как показано на фиг.5, полностью устраняет возможность возникновения вышеупомянутого режима выхода из строя вследствие перенапряжения и одновременно устраняет недостаток, заключающийся в необходимости использования одинакового количества модулей генерации импульсов и первичных обмоток. В известных модуляторах согласно патенту США №5905646 необходимо иметь один модуль генерации импульсов на первичную обмотку и по меньшей мере одну первичную обмотку на секцию сердечника. В настоящем изобретении это ограничение снято, и можно использовать любое количество модулей. В известном техническом решении требовалось, чтобы каждая секция сердечника возбуждалась одинаковым количеством модулей. В настоящем изобретении можно использовать любое количество модулей и при этом обеспечить одинаковый сигнал возбуждения для каждого сердечника. Это обеспечивает значительное экономическое преимущество настоящего изобретения.

Когда проводники 11, показанные на фиг.5, добавлены, любой замкнувшийся первым переключатель модуля будет возбуждать схему до тех пор, пока другие переключатели не замкнутся. Если верхний переключатель замкнулся раньше нижнего, то верхний модуль будет возбуждать поток в обоих сердечниках, а не только в верхнем сердечнике. Это будет препятствовать протеканию тока через нижний диод, поскольку этот диод будет смещен в обратном направлении. Результат будет почти таким же, как если бы все первичные обмотки были включены параллельно, т.е. более "ранний" переключатель подает положительное напряжение на все диоды в более "поздних" модулях.

Можно еще более упростить схему и соединить все первичные обмотки параллельно. Это не кажется очевидным, но анализ схемы на фиг.4 поможет выяснить, как это все работает. Если все переключатели действительно замыкаются одновременно, то напряжение между точками Р и R отсутствует. Если точки Q и Т соединены, то между ними также нет напряжения. А если напряжения между Р и R нет, то можно соединить эти точки, не вызвав появление между ними дополнительного тока, так что схема будет работать также и при соединении всех первичных обмоток.

Обе рассмотренные выше схемы будут фактически уравнивать токи в модулях, в то время как независимое соединение, описанное в патенте США №5905646, не дает такого результата. Прежде всего это происходит потому, что обеспечивается полное равенство импеданса нагрузки для всех модулей генерации импульсов. В известном техническом решении это не обеспечивается. Из двух возможных подключений первичной обмотки, описанных выше, показанное на фиг.5 подключение является более предпочтительным, чем просто соединение всех первичных обмоток параллельно, поскольку при соединении всех первичных обмоток параллельно выход из строя любого диода в любом модуле приведет к тому, что ток от всех модулей потечет в место неисправности, а это может вывести из строя переключатели. Схема, показанная на фиг.5, устраняет эту опасность.

КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ

На фиг.1 показана схема расположения магнитных сердечников линейного магнитоиндукционного ускорителя,

на фиг.2 показаны линейный магнитоиндукционный ускоритель с одной схемой формирования импульсов и траектория пучка,

на фиг.3 показана конструкция линейного магнитоиндукционного ускорителя с пятью сердечниками,

на фиг.4 показана схема подключения полувитковой первичной обмотки к двум модулям генерации импульсов согласно известному уровню техники,

на фиг.5 показана схема подключения полувитковой первичной обмотки к двум модулям генерации импульсов согласно настоящему изобретению,

на фиг.6 более детально показан один из модулей генерации импульсов для одного из вариантов выполнения настоящего изобретения,

на фиг.7 показаны некоторые элементы типичных импульсных трансформаторов высокого напряжения,

на фиг.8 в перспективе показано изображение импульсного трансформатора, который содержит два сердечника, расположенные бок о бок.

ПОДРОБНОЕ ОПИСАНИЕ ПРЕДПОЧТИТЕЛЬНЫХ ВАРИАНТОВ ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Ниже в качестве примера дается подробное описание проектирования мощного модулятора согласно настоящему изобретении, а также описываются некоторые предпочтительные варианты выполнения изобретения. Предпочтительные варианты выполнения и пример конструкции даны только для иллюстрации и ни в коем случае не должны рассматриваться как ограничивающие объем изобретения.

Настоящее изобретение касается мощного модулятора. Мощный модулятор включает модули генерации импульсов, каждый из которых соединен с первичными обмотками, которые окружают набор магнитных сердечников, и вторичные обмотки, которые окружают все магнитные сердечники. Кроме того, модуль генерации импульсов содержит накопительный конденсатор, средство коммутации и диод или набор последовательно соединенных диодов. Диод или набор последовательно соединенных диодов установлены между средством коммутации и проводником, по которому ток возвращается в конденсатор. Средство коммутации может быть любым ключом, известным специалистам в области электроники, например твердотельным ключом на биполярном транзисторе с изолированным затвором. Как сказано выше, модуль/модули генерации импульсов в модуляторе соединены с первичными обмотками, как показано на фиг.5 для конкретного случая мощного модулятора с двумя модулями генерации импульсов и двумя магнитными сердечниками. Именно мощный модулятор с такими характеристиками описан ниже в вариантах выполнения настоящего изобретения.

Как был отмечено выше, схема, показанная на фиг.5, полностью устраняет разрушительный режим короткого замыкания, который часто имеет место в известных модуляторах. На фиг.5 иллюстрируется эта схема с двумя модулями генерации импульсов и двумя сердечниками. Это только иллюстрация, количество модулей может быть любым, как и количество сердечников. Все, что нужно для получения мощного модулятора с более чем двумя модулями генерации импульсов, это соединить все модули посредством пропускания первичных обмоток вокруг каждого магнитного сердечника, чтобы каждый сердечник был окружен первичной обмоткой от каждого модуля. Поэтому очень просто добавить любое количество модулей к любому количеству сердечников. В качестве примера можно рассмотреть мощный модулятор, имеющий N модулей генерации импульсов и М магнитных сердечников. Если необходимо создать мощный модулятор с использованием только одновитковых первичных обмоток и схемы согласно настоящему изобретению, то общее количество одновитковых первичных обмоток должно быть 2М×N, включая 2М одновитковых первичных обмоток от каждого модуля генерации импульсов, которые должны окружать М сердечников (один виток первичной обмотки на "плечо" сердечника, и два "плеча" у сердечника; как показано на фиг.7), и N модулей генерации импульсов. Важно отметить, что в предпочтительном варианте выполнения настоящего изобретения модули генерации импульсов не соединены между собой внешним соединением, например проводами. Единственное соединение, которое существует между модулями, создается индуцированным магнитным потоком в сердечниках. Конечно, можно связать модули, соединяя все первичные обмотки между собой параллельно, даже если это может привести к упомянутому выше возможному выходу из строя; при параллельном соединении всех первичных обмоток выход из строя любого диода в любом модуле приведет к тому, что ток от всех модулей устремится в место неисправности, а это может вывести из строя переключатели.

Другой вариант выполнения настоящего изобретения относится к мощному модулятору с одним модулем генерации импульсов, где первичные обмотки окружают все сердечники. Таким образом, один модуль возбуждает все магнитные сердечники.

Следует отметить, что рассматриваемые выше первичные обмотки могут быть либо одновитковыми либо многовитковыми первичными обмотками. В последнем случае необходимо, чтобы падение напряжения на виток во всех первичных обмотках было одинаковым, то есть если имеется различие в напряжении V на конденсаторах, принадлежащих различным модулям генерации импульсов, то это различие должно быть согласовано с количеством N витков первичных обмоток, чтобы отношение V/N оказалось одинаковым для всех первичных обмоток. Если это условие не выполнено, первичные обмотки будут конкурировать с друг другом, приводя к протеканию избыточных токов из модулей генерации импульсов. Если все напряжения на конденсаторах одинаковы, то для удовлетворения этого условия "вольт на виток" количество витков в каждой многовитковой катушке должно быть одинаковым.

В общем случае мощный модулятор имеет множество применений, включая радарные устройства, лазеры, лечение онкологических заболеваний, СВЧ нагрев; процессы стерилизации материалов, ускорение частиц (линейный ускоритель), разогрев плазмы для ядерного синтеза, очистку полупроводников, поверхностную обработку, электронно-лучевую накачку газовых лазеров, сушку красителей в печатной индустрии, возбуждение пьезоэлектрических или магнитострикционных преобразователей в сонарах, получение ультразвукового изображения в медицине, возбуждение антенных структур для моноимпульсного широкополосного радара, возбуждение больших токов и высоких напряжений в воздушно-космических транспортных средствах, моделирование эффектов воздействия молнии или ядерного оружия; и непосредственное возбуждение источников электронных пучков для модификации материалов, возбуждение клистрона, магнетрона, гиротрона или усилительных ламп с поперечным полем для генерирования СВЧ колебаний в радаре и т.д. Кроме того, мощный модулятор описываемого типа может, очевидно, использоваться везде, где есть потребность в электрических импульсах.

Пример конструкции модулятора

Ниже описан пример проектирования мощного модулятора согласно принципам настоящего изобретения. Этот пример является только иллюстрацией, все цифры и конкретные устройства упомянуты лишь в учебных целях и не должны рассматриваться как ограничивающие объем настоящего изобретения.

а) Выбор количества модулей генерации импульсов

Подход к пониманию новой концепции модулятора может быть обеспечен на примере разработки, в общих чертах, конструкции такого модулятора. Предположим, что нам нужно генерировать импульсы амплитудой 120 кВ при пиковом значении тока 70 ампер, ширине импульса 5 микросекунд (мкс) и частоте повторения 800 импульсов в секунду (800 Гц). Дополнительно предположим, что мы можем использовать твердотельные ключи на основе биполярного транзистора с изолированным затвором на 1600 вольт и 2200 ампер.

Первый шаг заключается в вычислении максимальной выходной мощности, поскольку она значительно влияет на количество переключателей, которое нам потребуется. Пиковая мощность равна 120 кВ на 70 ампер или 8,4 мегаватт (8,4 МВт). Введем запас по надежности для переключателей, чтобы они не работали на максимальной мощности. Опыт показывает, что 75% от пикового значения обеспечивают запас по надежности при большом сроке службы. Тогда рабочие значения для каждого переключателя не должны превышать 0,75×1600=1200 В и 2200×0,75=1650 А. В результате каждый переключатель может давать 1200×1650=1,98 МВт. Чтобы подать мощность 8,4 МВт, нам нужно 8,4/1,98=4,24 переключателя, так что для надежности мы будем использовать пять переключателей.

В известных модуляторах, выполненных согласно патенту США №5905646, приходится ограничиваться только одним модулем генерации импульсов на первичную обмотку и по меньшей мере одной первичной обмоткой на секцию сердечника. В настоящем изобретении, как было сказано выше, это ограничение снято и можно использовать любое количество модулей. Например, если используется импульсный трансформатор с двумя сердечниками, чтобы получить первичную обмотку с 1/2 витка, тогда в таком трансформаторе имеется четыре "плеча" или секции магнитного сердечника. В известном техническом решении требовалось, чтобы каждое такое "плечо" или секция возбуждались одинаковым количеством модулей. Нельзя использовать четыре модуля, поскольку это не дает запас надежности, выбранный в этом примере. Поэтому согласно известному техническому решению пришлось бы использовать восемь модулей, возбуждая каждое "плечо" сердечника двумя модулями. Но согласно настоящему изобретению можно использовать пять модулей и тем не менее обеспечить одинаковый сигнал возбуждения для каждого из четырех "плеч" сердечников трансформатора.

б) Размер конденсатора и плоскостность импульса

В этом примере количество модулей генерации импульсов было выбрано равным пяти, по меньшей мере для нашего приблизительного расчета. Дополнительное уточнение расчета с учетом теплообмена и охлаждения переключателей, конденсаторов и других компонентов может заставить немного изменить это значение, но такое детальное проектирование лежит за пределами настоящего описания. Сейчас мы кратко рассмотрим конденсаторы, используемые в каждом модуле. Если конденсатор емкостью С фарад заряжен до напряжения V, а затем соединен с нагрузкой, потребляющей ток I ампер за время Т секунд, то напряжение на конденсаторе будет падать, т.е. понижаться согласно следующему выражению:

ΔV=ΔQ/C=IT/C,

где Q обозначает заряд (в кулонах), а дельта (Δ) обозначает изменение. Это уравнение означает, что изменение напряжения V равно изменению заряда, деленному на емкость С. Это следует непосредственно из определения емкости, которая представляет собой количество заряда в конденсаторе на единицу приложенного напряжения:

C≡Q/V.

Теперь, для примера, предположим, что нам нужно создать импульс с плоской вершиной с отклонением не более 0,5% от средней величины напряжения импульса. В настоящем примере начальное напряжение равно 1200 вольт, так что напряжение в конце импульса не должно быть более чем на 0,5% ниже этой величины, т.е. не должно быть ниже 0,995×1200=1194 В. Тогда значение V составит шесть вольт. Ток модуля был задан как 1650 ампер (1650 А), а длительность импульса Т составляет 5 мкс, так что величина емкости должна быть следующей:

C=Q/V=ΔQ/ΔV=IT/ΔV=1650·5·10^-6/6=1375·10^-6=1375 мкФ.

Это очень большая емкость. Для ее уменьшения можно в качестве варианта использовать импульсную схему выравнивания, которая позволяет уменьшить емкость приблизительно в 10 раз. При использовании такой схемы емкость можно снизить от 1375 мкФ приблизительно до 137,5 мкФ.

в) Схема модуля

Мы выбрали количество переключателей (5) и значение параметров конденсаторов в модуле (1200 В, 138 мкФ). Для лучшего охлаждения мы можем разделить конденсаторы на два или три отдельных корпуса, повышая отношение площади поверхности к объему, поскольку это улучшает теплоотдачу. Поэтому окончательное значение емкости может быть 138/2=69 мкФ или 138/3=46 мкФ. Эти компоненты собирают в модуль генерации импульсов, как показано на фиг.6.

На фиг.6 показано, что заземлен отрицательный вывод конденсатора. Это решение не является жестким - точно также может быть заземлен эмиттер переключателя. Это позволило бы заземлить схему генерации запускающего импульса, устраняя необходимость в небольшом импульсном трансформаторе Т1, который изолирует затвор от земли, как показано на схеме.

Кроме того, на схеме показан обратный диод, включенный параллельно выходу модуля. Когда переключатель замкнут, этот диод смещен в обратном направлении, но когда переключатель выключен (не проводит ток), выходной ток продолжает течь вследствие индуктивности импульсного трансформатора. Обратный диод становится проводящим и фиксирует выходное напряжение вблизи нулевого значения, предохраняя переключатель от перенапряжения, которое разрушило бы его в отсутствие обратного диода. В известном модуляторе различие во времени срабатывания соседних модулей генерации импульсов привело бы к преждевременному отпиранию этого обратного диода. Затем, когда переключатель, который связан с этим диодом, включается, диод, проводящий ток, внезапно запирается. Этот переходный процесс обычно выводит диод из строя с созданием короткого замыкания. Это, в свою очередь, разрушает переключатель вследствие протекания через него слишком большого тока.

На фиг.6 показана необязательная схема F выравнивания импульсов, последовательно соединенная с низковольтным концом вторичной обмотки (обмоток) импульсного трансформатора. Кроме того, на фиг.6 показана демпфирующая цепь, последовательно соединенная с выходом модуля. Как описано выше, в известном модуляторе такая демпфирующая цепь требовалась для каждого модуля, но новая схемная концепция позволяет модулям включаться в разные моменты времени, и это позволяет использовать только одну демпфирующую цепь. Модуль, соединенный с этой единственной демпфирующей цепью, включается первым, а когда выходной импульс достигнет своего пика и напряжение стабилизируется, включаются другие модули, поддерживая импульсную нагрузку. Все модули в этом случае выключаются одновременно. Это снижает стоимость и уменьшает сложность конструкции.

г) Импульсный трансформатор

На фиг.7 показан импульсный трансформатор высокого напряжения, используемый в импульсных модуляторах. Магнитный сердечник обозначен позицией 15, а выход высокого напряжения (кольца для выравнивания потенциала) обозначен позицией 16. Размеры пропорциональны напряжению и выходной мощности модулятора. Как правило, такие трансформаторы погружены в бак, заполненный изоляционным маслом на минеральной или кремниевой основе, чтобы улучшить как охлаждение, так и высоковольтную изоляцию.

Магнитный сердечник, показанный на фиг.7, является одиночным сердечником. В трансформаторе с двойным сердечником два одинаковых сердечника расположены бок о бок и оба окружены вторичными обмотками, в то время как каждый сердечник несет индивидуальный набор первичных обмоток. Это обеспечивает характеристики, соответствующие полувитковой первичной обмотке, как описано выше. Можно установить три или более сердечника, обеспечивая 1/3-витковую или 1/4-витковую первичную обмотку соответственно. Например, в модуляторах SL-AC (Стэнфордского центра линейных ускорителей) используется значительно более четырех сердечников и очень немного (от одного до трех) витков во вторичной обмотке. Каковы критерии выбора количества сердечников и витков вторичной обмотки? Выбор определяется временами нарастания и спада импульса, как описано ниже. Для дальнейшего описания мы возвратимся к рассмотренному примеру конструкции.

На фиг.8 ясно виден зазор между двумя сердечниками. Сравнивая фиг.7 и 8, мы видим, что между вторичными обмотками (которые окружают все сердечники) и первичными обмотками имеется некоторое пространство. Когда трансформатор работает, согласно закону Ампера магнитное поле в трансформаторе (в том числе в материале сердечника) практически отсутствует, за исключением этого пространства между обмотками. Это магнитное поле запасает магнитную энергию, что эквивалентно индуктивности, включенной последовательно с нагрузкой. Индуктивность включена последовательно, а не параллельно, поскольку ток не может достигнуть нагрузки, если он сначала не прошел через обмотки и не создал это паразитное магнитное поле. Это поле представляет собой "налог" на работу трансформатора, который нужно заплатить для получения любой выходной мощности. Индуктивность, созданную этим объемом магнитного поля, называют индуктивностью рассеяния трансформатора.

Известно, что индуктивность катушки пропорциональна квадрату количества ее витков. При измерении со стороны вторичной обмотки или со стороны выхода трансформатора индуктивность рассеяния пропорциональна квадрату количества витков вторичной обмотки. Следовательно, все, что может уменьшить количество витков вторичной обмотки, окажет значительное воздействие на индуктивность рассеяния. Чем меньше может быть сделана эта индуктивность, тем быстрее выходной импульс сможет возрасти до максимального уровня мощности. Использование первичной обмотки с дробным числом витков путем установки бок о бок двух сердечников, каждый из которых имеет собственный набор витков первичной обмотки, снижает количество витков вторичной обмотки вдвое при заданном входном и выходном напряжениях. Это уменьшает индуктивность рассеяния в четыре раза (приблизительно) и позволяет импульсу возрастать почти в четыре раза быстрее, чем при использовании одного сердечника.

Эти соображения не являются точными, поскольку индуктивность рассеяния пропорциональна как объему пространства между первичной и вторичной обмотками, так и квадрату числа витков вторичной обмотки, и когда мы добавляем сердечник к трансформатору, этот объем увеличивается. По этой причине уменьшение индуктивности рассеяния при переходе от одного к двум сердечникам ближе к 1/3, чем к 1/4. Но этот эффект все равно очень полезен для достижения более быстрого нарастания и спада импульса в импульсном трансформаторе.

Вновь обратимся к фиг.2 и 3. Мы видим, что в случае двух сердечников имеется четыре вертикальных "плеча" из магнитного материала, которые должны быть окружены витками первичной обмотки. Об этом уже говорилось выше, и это понятно из этих двух чертежей. В одном сердечнике есть два таких вертикальных "плеча" и т.д. В общем случае, при наличии N сердечников имеется 2N "плеч", которые необходимо окружить витками первичной обмотки. В принципе трансформатор с множеством сердечников эквивалентен нескольким трансформаторам, соединенным параллельно.

Чтобы завершить описание примера конструкции, мы должны установить размеры трансформатора. Предположим, что магнитный материал имеет магнитную индукцию насыщения В_max (тесла). Типичные значения для магнитной индукции насыщения лежат около 1 тесла или 10000 гаусс в старой системе единиц. Вокруг сердечников мы наматываем ряд витков для пропускания постоянного тока с целью возврата сердечников в исходное состояние. Эти витки связаны с источником постоянного тока через ряд дросселей возврата, поскольку в этих витках при возбуждении трансформатора модулями генерации импульсов генерируется импульсное напряжение и необходимо иметь высокий последовательный импеданс, чтобы защитить источник постоянного тока от этого импульсного напряжения и гарантировать, чтобы этот импульс не влиял на ток возврата. Дроссель возврата обеспечивает постоянство тока возврата независимо от импульсной работы трансформатора.

Постоянный ток возврата создает в сердечниках постоянную магнитную индукцию, равную -В_max, где знак минус указывает на то, что этот поток направлен против потока, который будет индуцирован при наличии импульса в трансформаторе. Это позволяет выполнить сердечники из половины магнитного материала, который был бы необходим, если бы возврата не использовалось, поскольку теперь во время импульса магнитная индукция может меняться от -В_max до +В_max с полным изменением потока 2В_max. Каждый магнитный сердечник имеет площадь поперечного сечения (см. фиг.2) Ас квадратных метров. Согласно правилу Ленца, при заданном напряжении V модуля и длительности импульса Т и при использовании одновитковой первичной обмотки площадь поперечного сечения каждого сердечника можно вычислить по формуле:

A_c=V·T/2B_max.

Подставляя значения V=1200 В, Т=5 мкс, В_max=1 тесла, получаем Ас=0,003 м² или 30 см². Поэтому поперечное сечение каждого из этих двух сердечников приблизительно составляет 5,5 см в ширину и 5,5 см в глубину, что типично для трансформаторов, которые мы изготавливали. Наши разработки обычно были связаны с более широкими импульсами, длительностью 10-12 мкс, так что сердечники обычно были больше, чем описано выше, но также в согласии с приведенным выше уравнением.

Мы хотим получить 120 кВ на выходе при 1,2 кВ на входе, так что коэффициент трансформации напряжения равен 100:1. Для этого требуется 50 витков в каждой из двух соединенных параллельно "корзин" вторичных обмоток, показанных на фиг.2 и 3. Это отражает тот факт, что первичная обмотка эффективно содержит 1/2 витка. Коэффициент трансформации равен отношению числа витков обмоток, в данном случае 50/0,5=100.

Как сказано выше, мы имеем четыре вертикальных "плеча" сердечника, которые нужно окружить витками первичной обмотки, поскольку мы фактически создаем два соединенных параллельно трансформатора. Поскольку мы собираемся использовать пять модулей, каждое из этих "плеч" необходимо окружить пятью витками. Затем каждый модуль соединяется с набором из четырех одновитковых первичных обмоток, по одному витку в каждом наборе для каждого из этих четырех "плеч". Итак, необходимое общее количество витков первичной обмотки равно: 5 модулей умножить на 4 витка/плеча на модуль, т.е. 20 витков первичной обмотки. Это дает пять витков на "плечо", что согласуется с ранее полученным значением.

Следует отметить, что для поддержания паразитной индуктивности на низком уровне необходимо окружить каждое "плечо" сердечника хорошим приближением к "слою тока", сводя к минимуму магнитное поле между индивидуальными витками. Пять проводов малого диаметра, размещенных на плече сердечника, которое для напряжения 120 кВ может составлять 15 см в длину, не являются хорошим приближением к однородному слою тока, поэтому можно сформировать пять отдельных витков, наматывая, например, десять или даже двадцать одножильных проводов вокруг плеча сердечника, затем группируя эти отдельные витки в пять жгутов из двух, трех или четырех отдельных витков в каждом и соединяя витки каждого жгута параллельно для формирования эквивалента широкого одиночного витка.

В рассматриваемом примере мы хотим обеспечить частоту повторения импульсов 800 Гц, а каждый импульс имеет на выходе энергию V_sec×I_sec×T_pulse=120 кВ × 70 А × 5 мкс =42 джоуля. При частоте повторения 800 Гц это соответствует средней мощности 800×42=33600 ватт или 33,6 кВт. Коэффициент заполнения равен отношению длительности импульса к интервалу между импульсами и в этом случае составляет 800×5 мкс=0,004 или 0,4%. Среднеквадратичное значение тока равно пиковому значению, умноженному на квадратный корень из коэффициента заполнения, что в этом случае составляет 70 А × 0,063, или 4,4 ампера для полного тока вторичной обмотки. Вторичная обмотка состоит из двух соединенных параллельно обмоток, как показано на фиг.7 и 8, поэтому в каждой из этих обмоток течет среднеквадратичный ток 2,2 А. Размер поперечного сечения проводника выбирают в соответствии со стандартной таблицей, чтобы обеспечить пропускание такого тока.

Аналогично для каждой первичной обмотки пиковое значение тока равно 1650 А, так что среднеквадратичный ток равен 104 А. Для пропускания такого тока размер поперечного сечения провода также выбирают из стандартных таблиц, с учетом средств теплообмена/охлаждения, которые имеются в наличии для охлаждения проводников до безопасного уровня.

На этом разработка конструкции модулятора заканчивается, за исключением определения размеров обмотки возврата и величины тока возврата. Это требует знания магнитной проницаемости материала, которая равна отношению магнитной индукции В, выраженной в тесла, к магнитодвижущей силе Н, в ампер-витках на метр, и представляет собой параметр, который имеется в таблицах в каталогах магнитных материалов. Когда эта величина определена, выбор количества витков возврата и тока возврата осуществляется простым использованием закона Ампера и не нуждается в дополнительном описании. Это хорошо известная методика.

Варианты выполнения настоящего изобретения и пример конструкции, описанный выше, являются просто иллюстрацией. Возможны другие варианты выполнения настоящего изобретение, которые легко найдут специалисты в данной области техники и которые лежат в рамках настоящего изобретения. Поэтому изобретение должно определяться лишь формулой изобретения.

Изобретение относится к мощным модуляторам, включающим модули генерации импульсов, первичные и вторичные обмотки для использования в радарных устройствах, лазерах, при лечении онкологических заболеваний, СВЧ-нагрев, процессах стерилизации материалов, ускорение частиц (линейный ускоритель), разогрев плазмы для ядерного синтеза, очистки полупроводников и т.п. Технический результат заключается в возможности работы модулей генерации импульсов в различные моменты времени. Мощный модулятор включает множество магнитных сердечников, по меньшей мере одну вторичную обмотку, которая окружает все магнитные сердечники, и по меньшей мере один модуль генерации импульсов, состоящий из накопительного конденсатора, средства коммутации, включаемого и выключаемого с помощью электронного управления, диода, подключенного параллельно выходным контактам указанного модуля, и набора одновитковых или многовитковых первичных обмоток, каждая из которых окружает соответствующий сердечник из множества магнитных сердечников, при этом обмотки набора первичных обмоток соединены параллельно, в результате чего в мощном модуляторе каждый из модулей генерации импульсов возбуждает все множество магнитных сердечников. 7 з.п. ф-лы, 8 ил.

1. Мощный модулятор, содержащий по меньшей мере два модуля генерации импульсов и по меньшей мере одну вторичную обмотку, которая окружает все магнитные сердечники из множества магнитных сердечников, причем каждый из указанных по меньшей мере двух модулей генерации импульсов включает накопительный конденсатор, средство коммутации, включаемое и выключаемое посредством электронного управления, по меньшей мере один диод или набор последовательно соединенных диодов, подключенный параллельно выходным контактам указанного модуля генерации импульсов, и набор первичных обмоток, причем каждая первичная обмотка из каждого набора первичных обмоток окружает соответствующий сердечник из указанного множества магнитных сердечников и каждая первичная обмотка в каждом наборе первичных обмоток подключена параллельно по меньшей мере к одному из модулей генерации импульсов, так что в указанном мощном модуляторе каждый из указанных по меньшей мере двух модулей генерации импульсов возбуждает все магнитные сердечники из указанного множества магнитных сердечников.2. Мощный модулятор по п.1, отличающийся тем, что указанный по меньшей мере один диод является частью набора последовательно соединенных диодов.3. Мощный модулятор по п.1, отличающийся тем, что указанный набор первичных обмоток представляет собой набор одновитковых первичных обмоток.4. Мощный модулятор по п.1, отличающийся тем, что указанный набор первичных обмоток представляет собой набор многовитковых первичных обмоток.5. Мощный модулятор по п.1, отличающийся тем, что количество модулей генерации импульсов равно количеству магнитных сердечников.6. Мощный модулятор по п.1, отличающийся тем, что количество модулей генерации импульсов отличается от количества сердечников.7. Мощный модулятор по п.1, отличающийся тем, что каждый модуль генерации импульсов может быть включен или выключен вручную или автоматически в разные моменты времени.8. Мощный модулятор по п.1, отличающийся тем, что указанное средство коммутации представляет собой твердотельный ключ на биполярном транзисторе с изолированным затвором.