Генератор импульсных напряжений Советский патент 1983 года по МПК H03K3/53 

(54) ГЕНЕРАТОР ИМПУЛЬСНЫХ НАПРЯЖЕНИЙ

Изобретение относится к высоковольтной импульсной технике, а именно к устройствам для генерирования мощных высоковольтных и сверхвысоковольтных наносекундных импульсов.

Известен генератор наносекундных импульсов высокого напряжения, соб- ранный по схеме Аркадьева-Маркса и содержащий ряд конденсаторных ступет ней с дву: сторонней зарядкой.

В качестве накопительных устройств используются малоиндуктивные накопительные конденсаторы, а искровые разрядники помещены в камеру со сжатым газбм, что позволило уменьшить длительность фронта импульса, благодаря уменьшению индуктивности разрядного контура 1.

Генератор имеет тот неяостгток,. что из-за малой энергоемкости применяемых накопителей он не позволяет получить большой мощности в иьшульсе. Применение накопителей большей энергоемкости значительно усложняет изготовление генераторов и увеличивает их габариты..

Наиболее близким по .технической сущности к предлагаемому устройству является генератор импульсных напряжений, - собранный по схеме умножения

напряжения Аркадьева-Маркса, содержащий зарядные сопротивления, разрядНИКИ, накопительные конденсаторы, а также высоковольтный коммутатор для подсоединения нагрузки к генератору и конденсатор, к 1 пенсирующий влияние паразитной индуктивности разрядного контура и обладающий малой собственной индуктивностью. Этот конден10сатор, выполнен в виде высоковольтной конструкции, подключенной между высоковольтным электродом коммутатора и землей. Такое включение конденсатора, как бы нейтрализует действие паразит15ной индуктивности разрядного контура при формировании фронта .импульса на. нагру:1.ке. Поскольку цепь разрядного контура малоиндуктивна, то при небольших коммутируемых токах обеспе,20чивается возможность получения импульсов с фронтомV-10 с.

Однако йсполь зованйе известного генератора для формирования фронта импульса в мощных мегавольтных гене25раторах не позволяет достичь указанной длительности фронта импульса на нагрузке. Наличие двухэлектродного неуправляемого коммутатора приводит к затягиванию фронта импульса, а так30же к нестабильности амплитуды импуль

са на нагрузке из-за того, что неуправляемый коммутатор, устаТновленный в мощном мегавольтном генераторе, обладает следукяцими особенностями.

Из-за большой нестабильности момента пробоя неуправляемый коммутатор настраивается на самопробой при напряжении значительно ниже максимального, что приводит к снижению амплитуды формируемого импульса; повьвиение амплитуды выходного импульса, в данном случае, приводит к нестабильности значения амплитуды импульса на нагрузке.

При малой скорости роста напряжени на коьфлутаторе пробой кетда4утатора имеет одноискровый характер и пЬи бО льшёйкоммутируемой мощности сопротивления искры оказывается сра1знимым с импедансом генератора,что приводит к большим потерям энергии на искровом канале.

Кроме того/, конструктивным недостатком мощного генератора с высоковольтным конденсатором для компенсации паразитной индуктивности разрядного контура является то, что при выCOKOJM выходном напряжении генератора малоиндуктивный конденсатор будет представлять собой сложную высоковольтную конструкцию большого, габарита, трубующую специальной технологии изготовления.

Целью изобретения является повышение .стабильности амплитуды формируемого импульса на нагрузке при использовании неуправляе11влх коммутаторов, а также упрощение технологии изготовления генератора на мегавольтные напряжения и уменьшение его габари- тов.

Поставленная цель достигается тем, что в генераторе импульсных напряжений, выполненном по каскадной схеме умножения Аркадьева - Маркса, содержащем зарядные сопротивления, разрядники, накопительные конденсаторы, высоковольтный коммутатор для подсоединения нагрузки к генератору и конденсатор, , компенсирующий влияние паразитной индуктивности разрядного кон тура, компенсирующие конденсаторы установлены в каждом из каскадов и подключены параллельно зарядным сопротивлениям.

Такое выполнение компенсирующего конденсатора приводит к возрастанию скорости повышения напряжения на высоковольтном коммутаторе, работающем на принципе самопробоя, что улучшает стабильность его срабатывания. Это обеспечивает более высокую стабильность амплитуды импульса на нагрузке,чем в известном устройстве. Кроме того,благодаря такому ревюяиго становится возможным вместо специально изготавливаемого конденсатора

большого габарита применять стандартные конденсаторы,выпускаемые промышленностью, чем и достигаете. упрощение технологии изготовления и уменьше и ё габаритов генератора.

Включение.компенсирующих конденсаторов, образующих малоиндуктивную емкость, приводит к малым временам роста напряжения на высоковольтном электроде коивлутатора (/ 10 с) , при которых становится возможным особый вид работы двухэлектродного коммутатора - многоканальный пробой. В этом случае ток комглутируется по нескольким каналам и результирующее сопротивление и индуктивность искры коммутатора уменьшаются по сравнению с одноканальным пробоем. Это приводит к уменьшению падения напряжения на KOMiWTaTope, а также к снижению потерь в коммутаторе. Амплитуда формируемого импульса и КПД генератора в этом случае возрастают.

На фиг. 1 изображена принципиальная схема генератора на фиг. 2 схема его замещения.

Генератор содержит накопительные конденсаторы 1, зарядные сопротивления 2, демпферные сопротивления 3, разрядники 4, защитное сопротивление 5 .

В каждом каскаде параллельно зарядному сопротивлению 2 подключен малоиндуктивный компенсирующий конденсатор 6. Цепь компенсирующих конденсаторов б, замлкаемая на нагрузку 7 через высоковольтный коммутатор 8, образует малоиндуктивный рязрядный контур форлмрования фронта импульса на нагрузке 7.

На схеме замещения (фиг. 2 представлены следующие параметры генератора эквивалентная емкость 9 генератора, эквивошентная индуктивность 10 цепи зарядки компенсирующего конденсатора, эквивалентное сопротивление 11 цепи зарядки компенсирующего конденсатора, разрядник 12, ВЫПОЛНЯЮ1ДИЙ функцию последнего разрядника генератора; конденсатор 13, компенсирующий влияние индуктивности разрядного контура генератора. Перечисленные параметры образуют эквивалентный контур I. Эквивалентный контур II состоит из конденсатора 13, эквивсшентной индуктивности 14, коммутатора 15, гфисоединяющего нагрузку к генератору, и сопротивления 16 нагру-зки.

Генератор работает следующим образом-.

После зарядки конденсаторов 1 до рабочего напряжения (фиг. 1 подается высоковольтный запускающий импуль на разрядники 4, что приводит к их последовательному срабатыванию. По мере срабатывания разрядников 4 происходит зарядка конденсаторов б от накопительных конденсаторов 1. Вви близкого расположения этих конденс торов индуктивность зарядной цепи (фиг. 2) получается небольшой, Выб ром величи1&1 перенапряжения на раз рядниках 4 обеспечивается высокая скорость срабатывания разрядников генератора, благодаря чему время зарядки цепочки конденсаторов 6 (фиг. 1), т. е. конденсатора 13 (фиг. 2), почти TiSKoe же как и вре зарядки одного конденсатора 6, опр деляемое индуктивностью цепи 10 за рядки (фиг. 2 . Следовательно, вре нарастания напряжегр я конденсатора до максимальной величины будет опр деляться выражением где L. - эквивалентная индуктивнос 10 (фиг. 2); С. - емкость накопительного ко денсатора 1 (фиг. l); С - емкость компенсирукн,чего конденсатора 6 (фиг. R - эквивалентное сопротивле 11 1ФИГ. 2),. Сравним величину индуктивности в гфедлагаемом генераторе и индукти ность L в прототипе. Эквивалентная индуктивность L равна , где L - собственная индуктивность одного конденсатора 1 (фиг. 1); ц - Собственная индуктивность одного конденсатора б (фиг. L - индуктивность одного разрядника с ошиновкой; Ljy - индуктивность шин, присое динякнцих конденсатор 6 к каскаду генератора. где л - число каскадов генератора; для мощных мегавольтных генераторов п «- 104-30; L - собственная индуктивность высоковольтного компенсиру щего конденсатора; L - ИНДУКТИВНОСТЬ обратного то копровода генератора. Из сравнения выражений для L и Ll| следует, что даже при условии ра венства Ьоа Ь ш ) Ь получается, что, tlwL , т. Li; 7 L . Следовательно, время зарядки экв емкости конденсатора 13 (.фиг. 2 ), а также время нарастания напряжения на коммутаторе 15 Сфиг. 2) уменьшается ТмГ. U V ., / I I :,. соответствующее время зарядки в известном генераторе. Таким образом, предлагаемое разделение компенсирующего конденсатора на ряд конденсаторов 6 (фиг. 1), присоединяемых к генератору покаскадно, приводит к возрастанию скорости повышения напряжения на кокв утаторе 8 (фиг. ), что улучшает стабильность срабатывания конякутатора 8, работающего на принципе самопробоя, а следовательно и стабильность амплитуды импульса на нагрузке. При малых временах роста напряжения- на высоковольтном электроде коммутатора 8 ( реально достижи х в предщагаег.юм генератсфе, возможен особый вид работы двухэлектродного коммутатс а многоканальный пробой. В этом случае ток коммутируется по нескольким каналам, и результируквдее сопротивление и индуктивность искры коммутатора уменьшаются по сравнению с одноканальным пробоем. Это щ)иводит к уменБшению падения напряжения на коммутаторе, а также к снижению потерь в коммутаторе. Лмплитуда формируемого импульса и КПД генератора в этом случае возрастают. Необходо1мо отметить, что в предлагаемом генераторе сохраняется компенсация индуктивности разрядного контура генератора при формировании фронта иь-пульса на нагрузке. Как видно из фиг. 1, конденсаторы б подсое.г-; диняются к каждому зарядному сопротивлению генератора.В схемах мощных мегавольтных генераторов обычно используется двухполярная зарядка накопительных конденсаторов.Для достижения больших перенапряжений на разрядниках генератора (от двухкратного до шестикратного) за счет реостатно-. емкостных связей между каскадами число зарядных сопротивлений,а следовательно И конденсаторов 6 Еозрастает.Это позволяет выполнить конструктивно несколько параллельных ветвей из цепочек конденсаторов 6 с малоиндуктивной ошиновкой,что снижает величину эквивалентной индуктивности 14 контура и (фиг. 2КВеличина эквивалентной индуктивности 14 в предлагаемом генераторе становится сравнимой с эквивалентной индуктивностью в известном,что позволяет достичь аналогичной величины длительности фронта импульса на нагрузке.При ус.- . ловии емкостной нагрузки генератора . -VML,