ГЕНЕРАТОР МОЩНЫХ НАНОСЕКУНДНЫХ ИМПУЛЬСОВ (ВАРИАНТЫ) Российский патент 2016 года по МПК H03K3/53 

Группа изобретений относится к импульсной технике и может быть использована для систем питания мощных лазеров и т.д.

Известен генератор мощных наносекундных импульсов, включающий источник постоянного тока, ключи, индуктивный накопитель, размыкающий элемент, выходную шину (см. патент RU №1487774, H03K 3/53, 1994).

Недостатком известного устройства является низкий коэффициент полезного действия, низкая частота следования импульсов.

Известен также полупроводниковый генератор наносекундных импульсов на базе дрейфового диода с резким восстановлением, включающий коммутатор цепи прямого тока, цепь нагрузки, коммутатор цепи обратного тока, катушку индуктивности обратного тока (см. патент RU №2009611, H03K 3/53, 1994).

Недостатком известного устройства является низкий коэффициент полезного действия, низкая частота следования импульсов.

Наиболее близким по технической сущности к заявляемому решению является генератор мощных наносекундных импульсов, содержащий последовательно соединенные индуктивный накопитель энергии и дрейфовый диод с резким восстановлением обратного сопротивления, а также нагрузку, подсоединенную параллельно дрейфовому диоду, и ключи (см. авторское свидетельство SU №1804271, H03K 3/53, 1996).

Недостатком известного устройства является низкая частота следования импульсов (ниже 1 МГц), поскольку в процессе генерации импульса происходит полный разряд конденсаторов, которые необходимо заряжать перед следующим циклом генерации импульса, что ограничивает частоту следования импульсов.

Недостатками известного устройства также являются: низкий коэффициент полезного действия из-за потерь при заряде конденсаторов; сложная процедура настройки схемы, так как для изменения времени прохождения прямого тока через дрейфовый диод требуется менять величину индуктивности дросселей или величину емкости конденсаторов.

Технический результат заявляемого решения заключается в повышении коэффициента полезного действия при формировании импульсов напряжения с высокой частотой повторения импульсов за счет сокращения времени подготовки к началу следующего цикла генерации импульсов.

Для достижения указанного технического результата в генераторе мощных наносекундных импульсов (вариант 1), содержащем последовательно соединенные индуктивный накопитель энергии и дрейфовый диод с резким восстановлением обратного сопротивления, а также нагрузку, подсоединенную параллельно дрейфовому диоду, и ключи, согласно изобретению ключи расположены последовательно, к точке их соединения подключен индуктивный накопитель энергии с возможностью регулировки амплитуды импульсов на нагрузке посредством изменения времени замыкания и размыкания ключей, причем момент замыкания второго ключа находится в интервале времени между размыканием первого ключа и моментом изменения полярности тока через индуктивный накопитель, а момент его размыкания находится в интервале времени от начала формирования импульса на нагрузке до момента следующего замыкания первого ключа, при этом введены два источника постоянного напряжения разной полярности, и каждый ключ соединен с одним из источников.

Также согласно изобретению по варианту 1 первый ключ соединен с источником постоянного напряжения положительной полярности, второй ключ соединен с источником постоянного напряжения отрицательной полярности, а дрейфовый диод соединен с общей шиной катодом.

Также согласно изобретению по варианту 1 первый ключ соединен с источником постоянного напряжения отрицательной полярности, второй ключ соединен с источником постоянного напряжения положительной полярности, а дрейфовый диод соединен с общей шиной анодом.

Также согласно изобретению по варианту 1 генератор дополнительно содержит цепь из последовательно соединенных дросселя и резистора, подключенных параллельно дрейфовому диоду, а нагрузка подключена к дрейфовому диоду через блокировочный конденсатор.

Для достижения указанного технического результата в генераторе мощных наносекундных импульсов (вариант 2), содержащем последовательно соединенные индуктивный накопитель энергии и дрейфовый диод с резким восстановлением обратного сопротивления, а также нагрузку, подсоединенную параллельно дрейфовому диоду, и ключи, согласно изобретению ключи расположены последовательно, к точке их соединения подключен индуктивный накопитель энергии с возможностью регулировки амплитуды импульсов на нагрузке посредством изменения времени замыкания и размыкания ключей, причем момент замыкания второго ключа находится в интервале времени между размыканием первого ключа и моментом изменения полярности тока через индуктивный накопитель, а момент его размыкания находится в интервале времени от начала формирования импульса на нагрузке до момента следующего замыкания первого ключа, при этом введены два источника постоянного напряжения одинаковой полярности, причем один из них соединен с первым ключом, а второй источник с меньшей амплитудой, чем у первого источника, соединен с дрейфовым диодом, при этом второй ключ соединен с общей шиной, а нагрузка подключена к дрейфовому диоду через разделительный диод.

Также согласно изобретению по варианту 2 источники постоянного напряжения имеют положительную полярность, при этом дрейфовый диод соединен с источником постоянного напряжения катодом.

Также согласно изобретению по варианту 2 источники постоянного напряжения имеют отрицательную полярность, при этом дрейфовый диод соединен с источником постоянного напряжения анодом.

Сущность изобретения поясняется чертежами, где на фиг. 1 представлена функциональная схема генератора импульсов напряжения отрицательной полярности (вариант 1); на фиг. 2 представлены временные графики токов, зарядов и напряжений в схеме, а именно на фиг. 2а представлен временной график тока через индуктивный накопитель; на фиг. 2б представлен временной график тока через дрейфовый диод; на фиг. 2в представлен временной график тока через нагрузку; на фиг. 2г представлен временной график заряда, накопленного в дрейфовом диоде; на фиг. 2д представлен временной график напряжения на нагрузке; на фиг. 3 представлена схема генератора импульсов напряжения положительной полярности (вариант 1); на фиг. 4 представлена схема генератора с развязкой по постоянному току в цепи нагрузки (вариант 1); на фиг. 5 представлена функциональная схема генератора импульсов напряжения отрицательной полярности (вариант 2); на фиг. 6 представлена функциональная схема генератора импульсов напряжения положительной полярности (вариант 2).

Следует учесть, что на чертежах представлены только те детали, которые необходимы для понимания сущности изобретения, а сопутствующее оборудование, хорошо известное специалистам в данной области, на чертеже не представлено.

На чертежах использованы следующие позиции: 1 - первый ключ; 2 - второй ключ; 3 и 4 - источники постоянного напряжения; 5 - индуктивный накопитель энергии; 6 - дрейфовый диод; 7 - дроссель; 8 - резистор; 9 - блокировочный конденсатор; 10 - разделительный диод; Н - нагрузка.

Генератор мощных наносекундных импульсов по варианту 1 включает последовательно соединенные между собой ключи 1 и 2, каждый из которых соединен с источником постоянного напряжения, то есть ключ 1 соединен с источником постоянного напряжения 3 положительной полярности, а ключ 2 - с источником постоянного напряжения 4 отрицательной полярности (см. фиг. 1).

Источники постоянного напряжения 3 и 4 соединены между собой общей шиной. Ключи 1 и 2 являются полупроводниковыми приборами, поэтому между их электродами существует некоторая емкость.

Устройство также содержит индуктивный накопитель энергии 5, который подключен к точке А соединения ключей 1 и 2 между собой и последовательно соединен с нагрузкой Н. Устройство также включает дрейфовый диод 6 с резким восстановлением (размыкающий элемент), который подключен между индуктивным накопителем 5 и общей шиной источников постоянного напряжения 3 и 4, при этом дрейфовый диод 6 соединен с общей шиной катодом. При этом нагрузка Н подсоединена параллельно дрейфовому диоду 6 между выходом дрейфового диода 6 и общей шиной источников постоянного напряжения 3 и 4.

Схема генератора, представленная на фиг. 3, отличается полярностью источников постоянного напряжения 3 и 4 и направлением включения дрейфового диода 6. В этой схеме ключ 1 соединен с источником постоянного напряжения 3 отрицательной полярности, а ключ 2 - с источником постоянного напряжения 4 положительной полярности, при этом дрейфовый диод 6 соединен с общей шиной анодом.

На фиг. 4 представлена схема генератора с развязкой по постоянному току в цепи нагрузки Н. Параллельно дрейфовому диоду 6 включена цепь из последовательно соединенных дросселя 7 и резистора 8. Нагрузка Н подключена к дрейфовому диоду 6 через блокировочный конденсатор 9.

Конденсатор 9 предназначен для блокировки протекания низкочастотных токов в нагрузку Н, что может быть необходимо в случае работы генератора на антенну, сумматор и другую нагрузку, обладающую высоким коэффициентом отражения на низкой частоте. Дроссель 7 и резистор 8 необходимы для разряда межэлектродных емкостей разомкнутых ключей 1 и 2.

Генератор мощных наносекундных импульсов по варианту 1 работает следующим образом.

В исходном состоянии ключи 1 и 2 разомкнуты.

В момент времени t=0 замыкается ключ 1, к индуктивному накопителю 5 приложено напряжение, равное величине U_L=U₁-Vd,

где U₁ - напряжение источника 3;

Vd - падение напряжения на дрейфовом диоде 6.

Ток через индуктивный накопитель 5 (см. фиг. 2а) возрастает линейно со скоростью нарастания dI_L/dt=(U₁-Vd)/L,

где L - индуктивность индуктивного накопителя 5.

Основная часть тока I_L через индуктивный накопитель 5 проходит через дрейфовый диод 6, так как сопротивление дрейфового диода 6 много меньше сопротивления нагрузки Н, а именно Id≈I_L, где Id - ток через дрейфовый диод 6 (см. фиг. 2б).

В момент времени t=t₁ размыкается ключ 1. Ток через индуктивный накопитель 5 начинает уменьшаться. Ток течет через межэлектродные емкости ключей 1 и 2.

В момент времени t=t₂ замыкается ключ 2.

При этом ключ 2 замыкается не ранее размыкания ключа 1 и до момента изменения полярности тока через индуктивный накопитель энергии 5.

К индуктивному накопителю 5 приложено напряжение U_L=-U₂+Vd,

где U₂ - напряжение источника постоянного напряжения 4.

Ток через индуктивный накопитель 5 спадает линейно со скоростью

dI_L/dt=(-U₂+Vd)/L (см. фиг. 2а).

Ток через индуктивный накопитель 5 продолжает течь через дрейфовый диод 6 до момента времени t₃. В этот момент происходит обратное восстановление дрейфового диода 6, то есть восстановление происходит тогда, когда заряд Qd, прошедший через дрейфовый диод 6, становится равным нулю, а именно Qd=∫Id*dt=0, при этом t=0…t₃ (см. фиг. 2г).

После момента времени t₃ ток через индуктивный накопитель 5 протекает через нагрузку Н, а именно Ir≈I_L, при t>t₃,

где Ir - ток через нагрузку Н (см. фиг. 2в).

На нагрузке Н возникает напряжение Up=Ip*R,

где Ip - пиковое значение, которого достиг ток через дрейфовый диод 6 в момент обратного восстановления;

R - сопротивление нагрузки Н (см. фиг. 2д).

Передний фронт напряжения на нагрузке Н определяется емкостью Cd дрейфового диода 6, задний фронт определяется величиной индуктивности L индуктивного накопителя 5 и сопротивления R нагрузки Н. Напряжение достигает значения 0,37*Up ко времени t₄=t₃+t_LR, где t_LR=L/R - постоянная времени.

Размыкание ключа 2 происходит не ранее начала формирования высоковольтного импульса на нагрузке Н.

Благодаря тому, что отсутствуют конденсаторы, которые необходимо заряжать между циклами формирования импульсов, можно достичь высокой частоты повторения импульсов. Частота повторения ограничена только параметрами дрейфового диода 6 и ключей 1 и 2, при этом возможна настройка параметров импульсов в широких пределах с помощью изменения напряжений U₁, U₂ и времен t₁, t₂.

В качестве полупроводниковых ключей 1 и 2 могут быть использованы биполярные транзисторы, полевые транзисторы, биполярные транзисторы с изолированным затвором, тиристоры и другие электронные ключи.

Приводим пример конкретного выполнения генератора импульсов напряжения по варианту 1 с амплитудой Up=-475 В на нагрузке с сопротивлением R=12,5 Ом.

Напряжения источников постоянного напряжения 3 и 4 выбраны равными U₃=10 В, U₄=65 В. Времена размыкания ключа 1 (t₁) и замыкания ключа 2 (t₂) выбраны соответственно t₁=5 нс и t₂=5,5 нс. Индуктивность индуктивного накопителя энергии 5 выбрана равной величине L=1,5 нГн. Используемый дрейфовый диод 6 обладает падением напряжения Vd=7 В.

При замкнутом ключе 1 ток через индуктивный накопитель энергии 5 возрастает линейно со скоростью нарастания согласно выражению:

К моменту времени t₁ ток через индуктивный накопитель энергии 5 и через дрейфовый диод 6 достигает значения:

В момент времени t₁ размыкается ключ 1. Ток через индуктивный накопитель энергии 5 спадает до 0 за 0,5 нс. Время спадания тока определяется межэлектродными емкостями ключей 1 и 2.

В момент времени t₂ замыкается ключ 2. Ток через индуктивный накопитель энергии 5 спадает линейно со скоростью согласно выражению:

В момент времени t₃=6,5 нс заряд Qd, прошедший через дрейфовый диод 6, равен 0 и происходит обратное восстановление дрейфового диода 6. В этот момент ток через индуктивный накопитель энергии 5 и дрейфовый диод 6 достигает значения

После обратного восстановления дрейфового диода 6 ток протекает через нагрузку Н и создает напряжение на нагрузке амплитудой

Напряжение на нагрузке Н достигает значения 0,37*Up=175,8 В ко времени

После момента времени t₄ происходит размыкание ключа 2 и генератор готов к следующему циклу генерации импульсов. Таким образом, максимальная частота повторения импульсов равна

Таким образом, устройство позволяет генерировать импульсы напряжения с высокой частотой повторения, значительно превышающей частоту повторения импульсов прототипа.

Заявляемое устройство позволяет осуществлять регулировку времени прохождения прямого и обратного токов через дрейфовый диод с помощью изменения времени замыкания и размыкания ключей. При этом увеличение времени прохождения прямого тока через индуктивный накопитель энергии при неизменных величинах напряжений источников постоянного напряжения приводит к увеличению амплитуды напряжения на нагрузке.

Устройство позволяет использовать в качестве индуктивного накопителя любые индуктивные элементы, при этом не требуется согласование при их работе. В устройстве отсутствуют зарядные цепи, что приводит к сокращению времени подготовки к началу следующего цикла генерации импульсов и, как следствие, к повышению коэффициента полезного действия.

Генератор мощных наносекундных импульсов по варианту 2 включает последовательно соединенные между собой ключи 1 и 2, при этом ключ 1 соединен с источником постоянного напряжения 3, а ключ 2 соединен с общей шиной (см. фиг. 5).

Источник постоянного напряжения 4 в данном варианте изобретения имеет одинаковую с источником 3 полярность.

Устройство также содержит индуктивный накопитель энергии 5, который подключен к точке А соединения ключей 1 и 2 между собой и последовательно соединен с нагрузкой Н.

Устройство также включает дрейфовый диод 6 с резким восстановлением (размыкающий элемент), который подключен между индуктивным накопителем 5 и источником постоянного напряжения 4.

На фиг. 5 представлена схема генератора, в которой источники постоянного напряжения 3 и 4 имеет положительную полярность, при этом дрейфовый диод 6 соединен с источником постоянного напряжения 4 катодом.

Индуктивный накопитель энергии 5 соединен с нагрузкой Н через разделительный диод 10, которая в свою очередь подключена между анодом разделительного диода 10 и общей шиной.

Схема генератора, представленная на фиг. 6, отличается полярностью источников постоянного напряжения 3 и 4 и направлением включения дрейфового диода 6. В этой схеме ключ 1 соединен с источником постоянного напряжения 3 отрицательной полярности, а дрейфовый диод 6 соединен с источником постоянного напряжения 4 отрицательной полярности анодом.

Генератор мощных наносекундных импульсов по варианту 2 работает аналогично генератору по варианту 1. Отличия работы генератора по варианту 2 от работы генератора по 1 варианту заключаются в следующем:

1. Во время протекания через дрейфовый диод 6 прямого тока в период от t=0 до t₂ на аноде дрейфового диода 6 напряжение составляет Ud=U₂+Vd относительно общей шины, а в период протекания обратного тока от t₂ до t₃ - Ud=U₂-Vd. От нагрузки Н данное напряжение блокируется разделительным диодом 10.

2. После обратного восстановления дрейфового диода 6 напряжение на нагрузке Н начинает нарастать после того, как напряжение на аноде дрейфового диода 6 превысит величину U₂ (откроется разделительный диод 10) и составит U_H=Vd-U₂.

Генератор мощных наносекундных импульсов по варианту 2 позволяет использовать источники постоянного напряжения одной полярности, то есть позволяет использовать один основной источник, а не два, поскольку потребление источника питания дрейфового диода определяется только потерями в самом диоде и составляет малую долю общего потребления.

Преимуществом данного варианта также является то, что возможна работа с одним формирователем импульсов управления для обоих ключей, так как момент времени размыкания второго ключа можно совместить с моментом замыкания первого ключа следующего цикла.

Группа изобретений относится к импульсной технике и может быть использована для систем питания мощных лазеров. Техническим результатом является формирование импульсов напряжения с высокой частотой повторения импульсов. Генератор включает последовательно соединенные индуктивный накопитель энергии и дрейфовый диод с резким восстановлением обратного сопротивления, а также нагрузку, подсоединенную параллельно дрейфовому диоду, и ключи. При этом ключи расположены последовательно, а индуктивный накопитель энергии подключен к точке соединения ключей между собой с возможностью регулировки амплитуды импульсов на нагрузке посредством изменения времени замыкания и размыкания ключей. Момент замыкания второго ключа находится в интервале времени между размыканием первого ключа и моментом изменения полярности тока через индуктивный накопитель, а момент его размыкания находится в интервале времени от начала формирования импульса на нагрузке до момента следующего замыкания первого ключа. 2 н. и 12 з.п. ф-лы, 6 ил.

1. Генератор мощных наносекундных импульсов, содержащий последовательно соединенные индуктивный накопитель энергии и дрейфовый диод с резким восстановлением обратного сопротивления, а также нагрузку, подсоединенную параллельно дрейфовому диоду, и ключи, отличающийся тем, что ключи расположены последовательно, к точке их соединения подключен индуктивный накопитель энергии с возможностью регулировки амплитуды импульсов на нагрузке посредством изменения времени замыкания и размыкания ключей, причем момент замыкания второго ключа находится в интервале времени между размыканием первого ключа и моментом изменения полярности тока через индуктивный накопитель, а момент его размыкания находится в интервале времени от начала формирования импульса на нагрузке до момента следующего замыкания первого ключа, при этом введены два источника постоянного напряжения разной полярности, и каждый ключ соединен с одним из источников.

2. Генератор мощных наносекундных импульсов по п. 1, отличающийся тем, что первый ключ соединен с источником постоянного напряжения положительной полярности.

3. Генератор мощных наносекундных импульсов по п. 1, отличающийся тем, что второй ключ соединен с источником напряжения отрицательной полярности.

4. Генератор мощных наносекундных импульсов по п. 2 или 3, отличающийся тем, что дрейфовый диод соединен с общей шиной катодом.

5. Генератор мощных наносекундных импульсов по п. 1, отличающийся тем, что первый ключ соединен с источником постоянного напряжения отрицательной полярности.

6. Генератор мощных наносекундных импульсов по п. 1, отличающийся тем, что второй ключ соединен с источником напряжения положительной полярности.

7. Генератор мощных наносекундных импульсов по п. 5 или 6, отличающийся тем, что дрейфовый диод соединен с общей шиной анодом.

8. Генератор мощных наносекундных импульсов по п. 1, отличающийся тем, что содержит цепь из последовательно соединенных дросселя и резистора, подключенных параллельно дрейфовому диоду.

9. Генератор мощных наносекундных импульсов по п. 8, отличающийся тем, что нагрузка подключена к дрейфовому диоду через блокировочный конденсатор.

10. Генератор мощных наносекундных импульсов, содержащий последовательно соединенные индуктивный накопитель энергии и дрейфовый диод с резким восстановлением обратного сопротивления, а также нагрузку, подсоединенную параллельно дрейфовому диоду, и ключи, отличающийся тем, что ключи расположены последовательно, к точке их соединения подключен индуктивный накопитель энергии с возможностью регулировки амплитуды импульсов на нагрузке посредством изменения времени замыкания и размыкания ключей, причем момент замыкания второго ключа находится в интервале времени между размыканием первого ключа и моментом изменения полярности тока через индуктивный накопитель, а момент его размыкания находится в интервале времени от начала формирования импульса на нагрузке до момента следующего замыкания первого ключа, при этом введены два источника постоянного напряжения одинаковой полярности, причем один из них соединен с первым ключом, а второй источник с меньшей амплитудой, чем у первого источника, соединен с дрейфовым диодом, при этом второй ключ соединен с общей шиной, а нагрузка подключена к дрейфовому диоду через разделительный диод.

11. Генератор мощных наносекундных импульсов по п. 10, отличающийся тем, что источники постоянного напряжения имеют положительную полярность.

12. Генератор мощных наносекундных импульсов по п. 11, отличающийся тем, что дрейфовый диод соединен с источником постоянного напряжения катодом.

13. Генератор мощных наносекундных импульсов по п. 10, отличающийся тем, что источники постоянного напряжения имеют отрицательную полярность.

14. Генератор мощных наносекундных импульсов по п. 13, отличающийся тем, что дрейфовый диод соединен с источником постоянного напряжения анодом.