[go: up one dir, main page]

WO2018151622A1 - Генератор высоковольтных импульсов - Google Patents

Генератор высоковольтных импульсов Download PDF

Info

Publication number
WO2018151622A1
WO2018151622A1 PCT/RU2017/000829 RU2017000829W WO2018151622A1 WO 2018151622 A1 WO2018151622 A1 WO 2018151622A1 RU 2017000829 W RU2017000829 W RU 2017000829W WO 2018151622 A1 WO2018151622 A1 WO 2018151622A1
Authority
WO
WIPO (PCT)
Prior art keywords
voltage
limiter
links
charging circuit
generator
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Ceased
Application number
PCT/RU2017/000829
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Михаил Владимирович ЕФАНОВ
Владимир Михайлович ЕФАНОВ
Арсений Вадимович КРАСНОВ
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Individual
Original Assignee
Individual
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Individual filed Critical Individual
Priority to EP17896954.9A priority Critical patent/EP3584930A4/en
Publication of WO2018151622A1 publication Critical patent/WO2018151622A1/ru
Anticipated expiration legal-status Critical
Ceased legal-status Critical Current

Links

Classifications

    • H—ELECTRICITY
    • H03—ELECTRONIC CIRCUITRY
    • H03K—PULSE TECHNIQUE
    • H03K3/00—Circuits for generating electric pulses; Monostable, bistable or multistable circuits
    • H03K3/02—Generators characterised by the type of circuit or by the means used for producing pulses
    • H03K3/53—Generators characterised by the type of circuit or by the means used for producing pulses by the use of an energy-accumulating element discharged through the load by a switching device controlled by an external signal and not incorporating positive feedback
    • H—ELECTRICITY
    • H03—ELECTRONIC CIRCUITRY
    • H03K—PULSE TECHNIQUE
    • H03K3/00—Circuits for generating electric pulses; Monostable, bistable or multistable circuits
    • H03K3/02—Generators characterised by the type of circuit or by the means used for producing pulses
    • H03K3/53—Generators characterised by the type of circuit or by the means used for producing pulses by the use of an energy-accumulating element discharged through the load by a switching device controlled by an external signal and not incorporating positive feedback
    • H03K3/543—Generators characterised by the type of circuit or by the means used for producing pulses by the use of an energy-accumulating element discharged through the load by a switching device controlled by an external signal and not incorporating positive feedback the switching device being a vacuum tube
    • H—ELECTRICITY
    • H03—ELECTRONIC CIRCUITRY
    • H03K—PULSE TECHNIQUE
    • H03K3/00—Circuits for generating electric pulses; Monostable, bistable or multistable circuits
    • H03K3/02—Generators characterised by the type of circuit or by the means used for producing pulses
    • H03K3/53—Generators characterised by the type of circuit or by the means used for producing pulses by the use of an energy-accumulating element discharged through the load by a switching device controlled by an external signal and not incorporating positive feedback
    • H03K3/57—Generators characterised by the type of circuit or by the means used for producing pulses by the use of an energy-accumulating element discharged through the load by a switching device controlled by an external signal and not incorporating positive feedback the switching device being a semiconductor device

Definitions

  • the invention relates to the field of high-voltage pulse technology, and may find application for the generation of rectangular short high-voltage voltage pulses.
  • a rectangular-shaped high-voltage pulse generator including storage capacitors, dischargers, charging resistors, and a power source included in the Arkadyev-Marx scheme (see patent RU N ° 2102834, IPC
  • the disadvantages of this device is the low efficiency and the inability to adjust the duration of the output voltage pulse.
  • This device uses the first key to pump the diode with the accumulation of charge, and the second key to connect the diode to the load.
  • the duration of the output pulse determines the charge accumulated in the diode, the rate of recombination of charge carriers in the diode, and the delay in turning on the second key. Adjustment duration is achieved by changing the delay of the second key.
  • the duration of the output pulse in this circuit significantly depends on the time of recombination of the charge carriers in the diode with the accumulation of charge, which, in turn, is quite dependent on temperature.
  • This device requires the use of a high-voltage source of constant voltage, which leads to an increase in the dimensions of the device due to increased requirements for electrical insulation.
  • the disadvantages of this device is the low efficiency (hereinafter - the efficiency), large dimensions, control complexity and a significant dependence of the duration of the output pulse on temperature, which reduces the stability of the device.
  • the technical result of the proposed solution is to increase the efficiency of the generator to 70% and higher while at the same time high reliability of the device when receiving rectangular high voltage pulses with adjustable duration and amplitude with high stability and in a wide range.
  • the charging circuit is introduced into the Marx generator, also containing
  • Ni-links consisting of keys with capacitors, connected in a cascade Arkadyev-Marx voltage multiplication circuit, the capacitor of the Marx generator of the first link connected to the common bus, and the charging circuit of the Marx generator connected to the common bus and to the connection points of the capacitors and keys in each of Ni-links, while between the last key of the Marx generator and the common bus, a choke and a pulse diode with a short reverse recovery time are connected in series, and the limiter includes a charging circuit and
  • N2-links consisting of series-connected drift diodes and capacitors, and the capacitor of the limiter of the first link is connected to a common bus, and the charging circuit of the limiter is connected to a common bus and to the connection points of capacitors and drift diodes in each link of
  • the N2-links of the limiter is connected to the connection point of the load and the pulse diode with a short reverse recovery time, and the parameters of the charging circuits of the Marx generator and the limiter and the number of their links N] and N2 must satisfy the condition:
  • U M NjUi is the voltage of the Marx generator; N] is the number of links in the Marx generator; Ui is the voltage, which is determined by the charging circuit of the Marx generator;
  • U 0 N2U2 + N2Ud is the voltage of the limiter; N2 is the number of links in the limiter; U2 - voltage, which is determined by the charging circuit of the limiter;
  • Ud is the voltage drop across the drift diode
  • the combination of the Marx generator in the claimed invention as a high voltage source and a limiter in the form of a cascade of drift diodes makes it possible to obtain high-voltage high-current rectangular pulses with a width range of 100 nanoseconds - 100 microseconds and with an amplitude range of 1 kV - 400 kV.
  • the front of the resulting pulse for the nanosecond range is less than 20 nanoseconds, and for the microsecond range less than 100 microseconds.
  • the claimed invention makes it possible to adjust both the amplitude and duration of the pulses with high stability and in a wide range.
  • the adjustment of the duration of the output pulse is achieved by changing the charge accumulated in the drift diode.
  • a change in this charge is achieved by changing the voltage on the capacitors of the Marx generator.
  • carrier recombination weakly affects the accumulated charge during the duration of the output pulse. Consequently, the duration of the output pulse weakly depends on the recombination time of charge carriers in the diode and, therefore, weakly depends on temperature.
  • the inventive device does not contain a key connecting the drift diode with the load, which leads to a decrease in losses and, as a result, an increase in efficiency, and simplification of control.
  • the inventive device does not contain a source of high DC voltage, which leads to a decrease in its dimensions.
  • a high DC voltage source Marx generator capacitors and a limiter are used, which are charged to a low voltage and connected in series to form a high voltage only for a short time when a voltage pulse is generated at the load.
  • FIG. 1 is a functional diagram of a high voltage pulse generator
  • FIG. 2 shows time plots of currents, charges and voltages in a circuit, namely, in FIG. 2a shows a time graph of the voltage of a Marx generator
  • FIG. 26 is a graph of current flow through a choke
  • FIG. 2c shows a time plot of the voltage across the load
  • FIG. 2d shows a time graph of the current through drift diodes
  • FIG. 2d The time graph of the charge accumulated in drift diodes is presented.
  • N2-links of the limiter 9 - capacitors of N2-links of the limiter.
  • the high-voltage pulse generator includes a high voltage source, which is used as a Marx generator.
  • the Marx generator contains a charging circuit 1 and Nj-links, consisting of keys 2 with capacitors 3, connected by a cascade circuit of voltage multiplication Arkadyev-Marx.
  • the capacitor 3 of the first link is connected to a common bus
  • the charging circuit 1 is connected to a common bus and to the connection points of the capacitors 3 and keys 2 in each link.
  • the device also includes a choke 4, a pulse diode 5 with a short reverse recovery time and a load 6 connected in series between the last key 2 of
  • the device includes a limiter containing a charging circuit 7 and N2-links, consisting of connected in series drift diodes 8 and capacitors 9.
  • the capacitor 9 of the first link from the N2-links of the limiter is connected to a common bus
  • the charging circuit 7 is connected to a common bus and to the connection points of the capacitors 9 and drift diodes 8 in each link.
  • the last drift diode 8 of the N2-links of the limiter is connected to the connection point of the load 6 and the pulse diode 5 with a short reverse recovery time.
  • the high voltage pulse generator operates as follows.
  • each capacitor 9 of the N2-links of the limiter is charged to a voltage U2 determined by the charging circuit 7 of the limiter.
  • the voltage of the Marx generator U M equal to NiU] must satisfy the condition:
  • U M NjU] is the voltage of the Marx generator
  • N] is the number of links in the Marx generator
  • U] is the voltage, which is determined by the charging circuit 1 of the Marx generator
  • U 0 N2U2 + N2Ud is the voltage of the limiter; N2 is the number of links in the limiter; U2 is the voltage, which is determined by the charging circuit 7 of the limiter;
  • the drift diodes 8 of the limiter are reverse biased and no current flows through them. At load 6, the voltage is 0.
  • the limiter drift diodes 8 are closed.
  • the current II through the inductor 4 has a sinusoidal shape, namely I L - (N 1 -U r ⁇ ⁇ U- + U d U dl ) - ⁇ - sm (t ⁇ c) > where
  • C Cj / Nj is the total capacitance of the capacitors 3 of the Marx generator
  • L is the inductance of the inductor 4.
  • the voltage of the Marx generator U M also has a sinusoidal shape:
  • the voltage UR at load 6 exceeds the sum of the voltage drops across the drift diodes 8 N 2 Ud and the voltage across the capacitors 9 of the limiter N2U2, that is, UR> N 2 U 2 + N 2 Ud.
  • the capacitors 9 of the limiter have a sufficiently large capacity, and the voltage change on them can be neglected.
  • Id lL ⁇ (N 2 U 2 + N 2 U d ) / R, where
  • Id is the current through the drift diodes 8. In the drift diodes 8, the charge Qd- accumulates
  • the current I j through the drift diodes 8 changes direction and begins to flow from the Marx generator to the load 6. In this case, the charge Qd in the drift diodes 8 decreases.
  • Id (N 2 U 2 + N 2 Ud) / R.
  • the current Id remains constant until the reverse recovery of the drift diodes 8.
  • the voltage UR at load 6 becomes equal to 0.
  • a rectangular voltage pulse of duration 1 and amplitude N2U2 + N2Ud- is formed at load 6
  • the amplitude of the pulse can be adjusted by changing the voltage U 2 .
  • the pulse duration at load 6 can be adjusted by changing the voltage Ui-
  • the voltage of the Marx generator U M is less than zero, i.e.
  • the current through the switches 2 does not flow and they can be opened and the capacitors 3 can begin to charge to the initial total value NjUi.
  • Inductor throttle 4 selected L 60 ⁇ H.
  • the form of voltage at load 6 has the form:
  • the current through the drift diodes 8 changes direction and begins to flow from the Marx generator to the load 6. In this case, the charge Q in the drift diodes 8 decreases.
  • the charge in the drift diodes 8 decreases to 0. In this case, the recovery of the drift diodes 8 is reversed, and the current through the drift diodes 8 is interrupted.
  • the voltage UR at load 6 becomes equal to 0.
  • a rectangular voltage pulse with a duration of 5.5 ⁇ s and an amplitude of 50.36 kV is formed at load 6.
  • the energy received from the discharge of Marx capacitors 3 is equal to:
  • the energy supplied to the load 6 in the pulse is equal to:

Landscapes

  • Generation Of Surge Voltage And Current (AREA)

Abstract

Изобретение относится к области высоковольтной импульсной техники. Генератор включает зарядную цепь, ограничитель и нагрузку. Зарядная цепь введена в генератор Маркса, содержащий также N1 - звеньев, состоящих из ключей с конденсаторами, соединенных по каскадной схеме умножения напряжения Аркадьева-Маркса. Между последним ключом генератора Маркса и общей шиной последовательно подключены дроссель и импульсный диод с малым временем обратного восстановления. Ограничитель включает зарядную цепь и N2 - звеньев, состоящих из соединенных последовательно дрейфовых диодов и конденсаторов. Последний дрейфовый диод из N2 - звеньев ограничителя подключен к точке соединения нагрузки и импульсного диода с малым временем обратного восстановления. Параметры зарядных цепей генератора Маркса и ограничителя и количество их звеньев N1 и N2 должны удовлетворять заданным условиям. Технический результат заключается в повышении КПД генератора.

Description

ГЕНЕРАТОР ВЫСОКОВОЛЬТНЫХ ИМПУЛЬСОВ
ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ
Изобретение относится к области высоковольтной импульсной технике, и может найти применение для генерации прямоугольных коротких высоковольтных импульсов напряжения.
ПРЕДШЕСТВУЮЩИЙ УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ
Известен генератор импульсов высокого напряжения прямоугольной формы, включающий накопительные конденсаторы, разрядники, зарядные резисторы и источник питания, включенные по схеме Аркадьева-Маркса (см. патент RU N° 2102834, МПК
Н03К 3/53, 1988).
Недостатками данного устройства является низкий коэффициент полезного действия и невозможность регулировки длительности выходного импульса напряжения.
Наиболее близким по технической сущности к заявляемому решению является мощный широтно-импульсный модулятор, включающий зарядную цепь, устройство накопления энергии, полупроводниковый диод с накоплением заряда и резким восстановлением, нагрузку (см. патент US N° 3486043, МПК
Н03К 3/33, Н03К 7/08, 1969).
В данном устройстве используют первый ключ для накачки диода с накоплением заряда, и второй ключ для подключения диода к нагрузке. Длительность выходного импульса определяет заряд, накопленный в диоде, скорость рекомбинации носителей заряда в диоде и задержка включения второго ключа. Регулировка длительности достигается изменением задержки включения второго ключа.
Наличие второго ключа приводит к потерям и требует сложной системы управления.
Длительность выходного импульса в данной схеме значительно зависит от времени рекомбинации носителей заряда в диоде с накоплением заряда, которое в свою очередь достаточно сильно зависит от температуры.
Данное устройство требует применения высоковольтного источника постоянного напряжения, что приводит к увеличению габаритов устройства за счет повышенных требований к электрической изоляции.
Таким образом, недостатками данного устройства является низкий коэффициент полезного действия (далее - КПД), большие габариты, сложность управления и значительная зависимость длительности выходного импульса от температуры, что снижает стабильность работы устройства.
РАСКРЫТИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Технический результат заявляемого решения заключается в повышении КПД генератора до 70% и выше при одновременной высокой надежности работы устройства при получении прямоугольных импульсов высокого напряжения с регулируемой длительностью и амплитудой с высокой стабильностью и в широком диапазоне.
Для достижения указанного технического результата в генераторе высоковольтных импульсов, предназначенном для получения прямоугольных импульсов напряжения, включающем зарядную цепь, ограничитель и нагрузку, согласно изобретению, зарядная цепь введена в генератор Маркса, содержащий также
Ni -звеньев, состоящих из ключей с конденсаторами, соединенных по каскадной схеме умножения напряжения Аркадьева-Маркса, причем конденсатор генератора Маркса первого звена подключен к общей шине, а зарядная цепь генератора Маркса подключена к общей шине и к точкам соединения конденсаторов и ключей в каждом из Ni -звеньев, при этом между последним ключом генератора Маркса и общей шиной последовательно подключены дроссель и импульсный диод с малым временем обратного восстановления, а ограничитель включает зарядную цепь и
N2 -звеньев, состоящих из соединенных последовательно дрейфовых диодов и конденсаторов, причем конденсатор ограничителя первого звена подключен к общей шине, а зарядная цепь ограничителя подключена к общей шине и к точкам соединения конденсаторов и дрейфовых диодов в каждом звене из
N2 -звеньев, при этом последний дрейфовый диод из
N2 -звеньев ограничителя подключен к точке соединения нагрузки и импульсного диода с малым временем обратного восстановления, причем параметры зарядных цепей генератора Маркса и ограничителя и количество их звеньев N] и N2 должны удовлетворять условию:
UM > 2 (U0 + Udl) или NiUi > 2 (N2U2 + N2Ud + Udl), где
UM = NjUi - напряжение генератора Маркса; N] - количество звеньев в генераторе Маркса; Ui - напряжение, которое определяется зарядной цепью генератора Маркса;
U0 = N2U2 + N2Ud - напряжение ограничителя; N2 - количество звеньев в ограничителе; U2 - напряжение, которое определяется зарядной цепью ограничителя;
Ud - падение напряжения на дрейфовом диоде;
Udi - падение напряжения на импульсном диоде с малым временем обратного восстановления.
Сочетание в заявляемом изобретении генератора Маркса в качестве источника высокого напряжения и ограничителя в виде каскада дрейфовых диодов позволяет получать высоковольтные сильноточные прямоугольные импульсы с диапазоном ширины 100 наносекунд - 100 микросекунд и с диапазоном амплитуды 1 kV - 400 kV. При этом фронт получаемого импульса для наносекундного диапазона составляет менее 20 наносекунд, а для микросекундного диапазона - менее 100 микросекунд.
Заявляемое изобретение дает возможность регулировки и амплитуды и длительности импульсов с высокой стабильностью и в широком диапазоне.
В устройстве регулировка длительности выходного импульса достигается за счет изменения заряда, накопленного в дрейфовом диоде. А изменение указанного заряда в свою очередь достигается изменением напряжения на конденсаторах генератора Маркса. При этом в дрейфовых диодах рекомбинация носителей слабо влияет на накопленный заряд в течение длительности выходного импульса. Следовательно, длительность выходного импульса слабо зависит от времени рекомбинации носителей заряда в диоде и, следовательно, слабо зависит от температуры.
Заявляемое устройство не содержит ключа, соединяющего дрейфовый диод с нагрузкой, что приводит к уменьшению потерь и, как следствие, повышению КПД, и упрощению управления.
Заявляемое устройство не содержит источника высокого постоянного напряжения, что приводит к уменьшению его габаритов. Вместо источника высокого постоянного напряжения используют конденсаторы генератора Маркса и ограничителя, которые заряжаются до низкого напряжения и подключаются последовательно для формирования высокого напряжения только на короткое время формирования импульса напряжения на нагрузке.
Из вышесказанного следует, что введенные отличительные признаки влияют на указанный технический результат, находятся с ним в причинно-следственной связи. КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ
Способ иллюстрируется чертежами, где: на фиг. 1 представлена функциональная схема генератора высоковольтных импульсов; на фиг. 2 представлены временные графики токов, зарядов и напряжений в схеме, а именно, на фиг. 2а представлен временной график напряжения генератора Маркса; на фиг. 26 представлен временной график тока через дроссель; на фиг. 2в представлен временной график напряжения на нагрузке; на фиг. 2г представлен временной график тока через дрейфовые диоды; на фиг. 2д представлен временной график заряда, накопленного в дрейфовых диодах.
На чертежах использованы следующие позиции: 1 - зарядная цепь генератора Маркса; 2 - ключи Nj -звеньев генератора Маркса; 3 - конденсаторы Ni -звеньев генератора Маркса; 4 - дроссель;
5 - импульсный диод с малым временем обратного восстановления;
6 - нагрузка; 7 - зарядная цепь ограничителя; 8 - дрейфовые диоды
N2 -звеньев ограничителя; 9 - конденсаторы N2 -звеньев ограничителя.
ЛУЧШИЙ ВАРИАНТ ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Генератор высоковольтных импульсов включает источник высокого напряжения, в качестве которого использован генератор Маркса.
Генератор Маркса содержит зарядную цепь 1 и Nj -звеньев, состоящих из ключей 2 с конденсаторами 3, соединенных по каскадной схеме умножения напряжения Аркадьева-Маркса.
При этом конденсатор 3 первого звена подключен к общей шине, а зарядная цепь 1 подключена к общей шине и к точкам соединения конденсаторов 3 и ключей 2 в каждом звене.
Устройство также включает дроссель 4, импульсный диод 5 с малым временем обратного восстановления и нагрузку 6, подключенные последовательно между последним ключом 2 из
Ni -звеньев генератора Маркса и общей шиной.
Устройство включает ограничитель, содержащий зарядную цепь 7 и N2 -звеньев, состоящих из соединенных последовательно дрейфовых диодов 8 и конденсаторов 9. При этом конденсатор 9 первого звена из N2 -звеньев ограничителя подключен к общей шине, а зарядная цепь 7 подключена к общей шине и к точкам соединения конденсаторов 9 и дрейфовых диодов 8 в каждом звене.
Последний дрейфовый диод 8 из N2 -звеньев ограничителя подключен к точке соединения нагрузки 6 и импульсного диода 5 с малым временем обратного восстановления.
Генератор высоковольтных импульсов работает следующим образом.
В начальный момент ключи 2 разомкнуты, каждый конденсатор
3 из Nj -звеньев в генераторе Маркса заряжен до напряжения Ui, которое определяется зарядной цепью 1 генератора Маркса.
Также каждый конденсатор 9 из N2 -звеньев ограничителя заряжен до напряжения U2, определяемого зарядной цепью 7 ограничителя. Напряжение генератора Маркса UM равное NiU] , должно удовлетворять условию:
UM > 2 (U0 + Udl ) или NjUi > 2 (N2U2 + N2Ud + и<ц), где
UM = NjU] - напряжение генератора Маркса;
N] - количество звеньев в генераторе Маркса; U] - напряжение, которое определяется зарядной цепью 1 генератора Маркса;
U0 = N2U2 + N2Ud - напряжение ограничителя; N2 - количество звеньев в ограничителе; U2 - напряжение, которое определяется зарядной цепью 7 ограничителя;
U(j - падение напряжения на дрейфовом диоде 8;
U(J1 - падение напряжения на импульсном диоде 5 с малым временем обратного восстановления;
Дрейфовые диоды 8 ограничителя обратно смещены и ток через них не протекает. На нагрузке 6 напряжение равно 0.
В момент времени t = 0 замыкаются ключи 2 в генераторе Маркса, в точке подключения дросселя 4 к генератору Маркса возникает напряжение N i U 1 .
Через дроссель 4 и импульсный диод 5 с малым временем обратного восстановления начинает протекать ток II В нагрузку 6.
Дрейфовые диоды 8 ограничителя закрыты.
На нагрузке 6 возникает напряжение согласно формуле
UR = IL R, rfle
UR - напряжение на нагрузке 6;
II - ток через дроссель 4;
R - сопротивление нагрузки 6.
Ток II через дроссель 4 имеет синусоидальную форму, а именно IL-(N1-Ur^<U-+Ud Udl)- ^ - sm(t^^c)> где
С = Cj/Nj - суммарная емкость конденсаторов 3 генератора Маркса;
L - индуктивность дросселя 4;
t - переменная времени. Напряжение генератора Маркса UM также имеет синусоидальную форму:
Figure imgf000011_0001
+N2 -(U2+Ud)+Udl
В момент времени t = t\ , напряжение UR на нагрузке 6 превышает сумму падений напряжения на дрейфовых диодах 8 N2Ud и напряжения на конденсаторах 9 ограничителя N2U2, то есть UR > N2U2+ N2Ud.
Тогда часть тока II дросселя 4 начинает течь через дрейфовые диоды 8 в конденсаторы 9 ограничителя. При этом конденсаторы 9 ограничителя имеют достаточно большую емкость, и изменением напряжения на них можно пренебречь.
При дальнейшем увеличении тока II напряжение на нагрузке 6 не изменяется и остается равным: UR = N2U2+ N2Ud-
Таким образом, в момент времени t = t2 через дрейфовые диоды 8 протекает ток равный:
Id = lL ~ (N2U2+ N2Ud)/R, где
Id - ток через дрейфовые диоды 8. В дрейфовых диодах 8 накапливается заряд Qd-
В момент времени t = t2 ток II дросселя 4 спадает до значения: IL = (N2U2+ N2Ud)/R.
Тогда ток I j через дрейфовые диоды 8 меняет направление и начинает течь из генератора Маркса в нагрузку 6. При этом заряд Qd в дрейфовых диодах 8 уменьшается.
В момент времени t = ΐβ, когда ток II дросселя 4 спадает до 0, импульсный диод 5 с малым временем обратного восстановления переходит в непроводящее состояние, ток через дрейфовые диоды 8 равен:
Id = (N2U2+ N2Ud)/R. Ток Id остается постоянным до момента обратного восстановления дрейфовых диодов 8.
В момент времени t = I4 заряд Qd в дрейфовых диодах 8 уменьшается до 0, то есть в промежуток времени от t\ до 14
Qd = ftddt = 0.
При этом происходит обратное восстановление дрейфовых диодов 8, и ток Id через дрейфовые диоды 8 прерывается.
Напряжение UR на нагрузке 6 становится равным 0.
Таким образом, на нагрузке 6 формируется прямоугольный импульс напряжения длительностью 1 и амплитудой N2U2+ N2Ud- Амплитуду импульса можно регулировать, изменяя напряжение U2. Длительность импульса на нагрузке 6 можно регулировать, изменяя напряжение Ui-
К моменту времени t = t3 конденсаторы 3 генератора Маркса разряжены до суммарного напряжения:
UM = 2 (N2U2 + N2Ud + Udl ) - NiUi .
За счет выбора напряжений U\ и U2 таких значений, что соблюдалось условие:
NiUi > 2 ( 2U2 + N2Ud + Udl), напряжение генератора Маркса UM при этом меньше нуля, то есть
UM < 0 и импульсный диод 5 с малым временем обратного восстановления остается в закрытом состоянии до следующего замыкания ключей 2 генератора Маркса.
Ток через ключи 2 не течет и их можно разомкнуть и начать заряд конденсаторов 3 до начального суммарного значения NjUi .
Напряжение на конденсаторах 9 ограничителя за счет их большой емкости меняется мало, постоянство напряжения на времени много большем времени импульса обеспечивает зарядная цепь 7 ограничителя.
ПРОМЫШЛЕННАЯ ПРИМЕНИМОСТЬ
Приводим пример конкретного выполнения генератора высоковольтных импульсов как доказательство высоких показателей заявленного устройства и достижения технического результата. Например, генератор прямоугольных импульсов напряжения с регулируемой амплитудой UR = 17 - 50 кВ на нагрузке R = 500 Ом, и регулируемой длительностью импульса tHMn = 5 - 15 мкс. Выбраны следующие параметры генератора Маркса:
Ni = 20 звеньев с конденсаторами 3 емкостью С \ = 1 12 нФ, при этом каждый конденсатор 3 заряжался до напряжения Uj = 5 - 10 кВ в зависимости от амплитуды и длительности выходного импульса.
Выбраны следующие параметры ограничителя:
N2 = 10 звеньев с конденсаторами 9, каждый из них заряжен до напряжения U2 = 1,7 - 5 KB B зависимости от амплитуды выходного импульса.
Индуктивность дросселя 4 выбрана L = 60 мкГн.
Используемые дрейфовые диоды 8 имеют падения напряжения
Ud = 36 В, используемый импульсный диод 5 с малым временем восстановления имеет падение напряжения Udi = 100 В.
Для оценки КПД генератора представляем работу генератора с амплитудой 50,36 кВ и длительностью 5,5 мкс.
В таком случае напряжения на конденсаторах 3 и 9 выбираются следующих значений: U] = 5,05 кВ и U2 = 5 кВ.
Форма напряжения на нагрузке 6 имеет вид:
UR = ILR = 241 * 103 * sin ( 1 ,7* 106*t) В, при t = 0..0, 1 мкс.
В момент времени Ц = 0,1 мкс, напряжение UR на нагрузке 6 превышает сумму падений напряжения на дрейфовых диодах 8 и напряжения на конденсаторах 9 ограничителя: N2U2+ N2Ud = 50,36 KB, при дальнейшем увеличении тока II напряжение на нагрузке 6 не изменяется и остается равным 50,36 кВ.
Через дрейфовые диоды 8 протекает ток равный: Id = IL - (N2U2+ N2Ud)/ = 482 * sin (l ,7* 106*t) - 100,7 A, при t = 0,1..1,8 MKC.
К моменту t2 = 1 ,7 мкс в дрейфовых диодах 8 накапливается заряд
Qd = ilddt = 400 кКл, при t=0, 1..1 ,7 мкс.
Далее ток через дрейфовые диоды 8 меняет направление и начинает течь из генератора Маркса в нагрузку 6. При этом заряд Q в дрейфовых диодах 8 уменьшается.
В момент времени t3 = 1 ,8 мкс, когда ток II дросселя 4 спадает до 0, импульсный диод 5 с малым временем обратного восстановления переходит в непроводящее состояние, ток через дрейфовые диоды 8 равен:
Id = (N2U2+ N2Ud)/R = 100,7 А.
Ток остается постоянным до момента обратного восстановления дрейфовых диодов 8.
В момент времени = 5,5 мкс заряд в дрейфовых диодах 8 уменьшается до 0. При этом происходит обратное восстановление дрейфовых диодов 8, и ток через дрейфовые диоды 8 прерывается.
Напряжение UR на нагрузке 6 становится равным 0. Таким образом, на нагрузке 6 формируется прямоугольный импульс напряжения длительностью 5,5 мкс и амплитудой 50,36 кВ.
К моменту времени t3 =1,8 мкс конденсаторы 3 генератора
Маркса разряжены до суммарного напряжения UM = 2 (N2U2 + N2Ud + Udl) - NiUi = - 80 В.
Энергия, полученная от разряда конденсаторов 3 Маркса равна:
Евх = 20 * 1 12 нФ * (5,05 кВ + 80 В / 20) 2 / 2 = 28,6 Дж.
Напряжение на конденсаторах 9 ограничителя в процессе генерации менялось мало, то есть можно пренебречь изменениями энергии связанной с конденсаторами 9 ограничителя.
Энергия, поступающая на нагрузку 6 в импульсе равна:
Евых = UR2 * tHMn / R = 27,9 Дж
Таким образом, КПД составил 27,9 Дж/28,6 Дж = 97,5%.
На практике КПД генератора составил немногим более 70%. Отличие связано с тем, что выше не учитывались потери в ключах 2 генератора Маркса и зарядных цепях 1 и 7 генератора Маркса и ограничителя.

Claims

ФОРМУЛА ИЗОБРЕТЕНИЯ
1. Генератор высоковольтных импульсов, предназначенный для получения прямоугольных импульсов напряжения, включающий зарядную цепь, ограничитель и нагрузку, отличающийся тем, что зарядная цепь введена в генератор Маркса, содержащий также
Nj -звеньев, состоящих из ключей с конденсаторами, соединенных по каскадной схеме умножения напряжения Аркадьева-Маркса, причем конденсатор генератора Маркса первого звена подключен к общей шине, а зарядная цепь генератора Маркса подключена к общей шине и к точкам соединения конденсаторов и ключей в каждом из N] -звеньев, при этом между последним ключом генератора Маркса и общей шиной последовательно подключены дроссель и импульсный диод с малым временем обратного восстановления, а ограничитель включает зарядную цепь и N2 -звеньев, состоящих из соединенных последовательно дрейфовых диодов и конденсаторов, причем конденсатор ограничителя первого звена подключен к общей шине, а зарядная цепь ограничителя подключена к общей шине и к точкам соединения конденсаторов и дрейфовых диодов в каждом звене из N2 -звеньев, при этом последний дрейфовый диод из
N2 -звеньев ограничителя подключен к точке соединения нагрузки и импульсного диода с малым временем обратного восстановления, причем параметры зарядных цепей генератора Маркса и ограничителя и количество их звеньев N] и N2 должны удовлетворять условию:
UM > 2 (U0 + Udl) или NiUi > 2 (N2U2 + N2Ud + Udl), где UM = NjU] - напряжение генератора Маркса; Ni - количество звеньев в генераторе Маркса;
U] - напряжение, которое определяется зарядной цепью генератора Маркса;
U0 = N2U2 + N2Ud - напряжение ограничителя; N2 - количество звеньев в ограничителе;
U2 - напряжение, которое определяется зарядной цепью ограничителя;
U(J - падение напряжения на дрейфовом диоде; Udi - падение напряжения на импульсном диоде с малым временем обратного восстановления.
PCT/RU2017/000829 2017-02-14 2017-11-07 Генератор высоковольтных импульсов Ceased WO2018151622A1 (ru)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
EP17896954.9A EP3584930A4 (en) 2017-02-14 2017-11-07 HIGH VOLTAGE PULSE GENERATOR

Applications Claiming Priority (2)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2017104769A RU2636108C1 (ru) 2017-02-14 2017-02-14 Генератор высоковольтных импульсов
RU2017104769 2017-02-14

Publications (1)

Publication Number Publication Date
WO2018151622A1 true WO2018151622A1 (ru) 2018-08-23

Family

ID=60328472

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
PCT/RU2017/000829 Ceased WO2018151622A1 (ru) 2017-02-14 2017-11-07 Генератор высоковольтных импульсов

Country Status (3)

Country Link
EP (1) EP3584930A4 (ru)
RU (1) RU2636108C1 (ru)
WO (1) WO2018151622A1 (ru)

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN110346712A (zh) * 2019-07-15 2019-10-18 南方电网科学研究院有限责任公司 一种等效介质恢复测试电路

Families Citing this family (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2744936C1 (ru) * 2018-12-29 2021-03-17 Общество с ограниченной ответственностью "Биотехнологические аналитические приборы" (ООО "БиАП") Регулируемый высокостабильный источник напряжения с функцией генератора сигналов произвольной формы с изолированным выходом
CN112636724B (zh) * 2020-12-24 2024-07-16 西安交通大学 一种基于雪崩管Marx发生器和LTD电路的脉冲电源

Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US3486043A (en) 1966-12-12 1969-12-23 Sylvania Electric Prod High power pulse width modulator employing step recovery diodes
RU2102834C1 (ru) 1995-02-17 1998-01-20 Высоковольтный научно-исследовательский центр Всероссийского электротехнического института им.В.И.Ленина Генератор импульсов высокого напряжения прямоугольной формы
US20070139090A1 (en) * 2004-05-04 2007-06-21 Stangenes Industries, Inc. High voltage pulsed power supply using solid state switches with voltage cell isolation
RU2317637C1 (ru) * 2006-07-11 2008-02-20 Российская Федерация в лице Федерального агентства по атомной энергии Генератор импульсного напряжения
US20080191559A1 (en) * 2006-07-19 2008-08-14 Diehl Bgt Defence Gmbh & Co., Kg Method and device for production and emission of a high-power microwave pulse

Family Cites Families (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
SU799111A2 (ru) * 1978-12-25 1981-01-23 Днепродзержинский Ордена Трудовогокрасного Знамени Индустриальный Институтим.M.И.Арсеничева Генератор высоковольтных импульсов
RU2288536C1 (ru) * 2005-04-28 2006-11-27 Институт физики полупроводников Сибирского отделения Российской академии наук Генератор с умножением напряжения
US7474017B2 (en) * 2006-06-12 2009-01-06 Applied Physical Electronics, L.C. Low impedance high performance pulse generator
WO2011146498A2 (en) * 2010-05-17 2011-11-24 Rafael Development Corporation, Ltd. Configurable pulse generator
CN102545687A (zh) * 2011-12-31 2012-07-04 同方威视技术股份有限公司 用于电压交替脉冲输出的设备和方法
CN102916680B (zh) * 2012-10-10 2015-08-05 西安交通大学 一种基于磁开关的重复频率的倍压方波发生器

Patent Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US3486043A (en) 1966-12-12 1969-12-23 Sylvania Electric Prod High power pulse width modulator employing step recovery diodes
RU2102834C1 (ru) 1995-02-17 1998-01-20 Высоковольтный научно-исследовательский центр Всероссийского электротехнического института им.В.И.Ленина Генератор импульсов высокого напряжения прямоугольной формы
US20070139090A1 (en) * 2004-05-04 2007-06-21 Stangenes Industries, Inc. High voltage pulsed power supply using solid state switches with voltage cell isolation
RU2317637C1 (ru) * 2006-07-11 2008-02-20 Российская Федерация в лице Федерального агентства по атомной энергии Генератор импульсного напряжения
US20080191559A1 (en) * 2006-07-19 2008-08-14 Diehl Bgt Defence Gmbh & Co., Kg Method and device for production and emission of a high-power microwave pulse

Non-Patent Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
See also references of EP3584930A4

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN110346712A (zh) * 2019-07-15 2019-10-18 南方电网科学研究院有限责任公司 一种等效介质恢复测试电路

Also Published As

Publication number Publication date
EP3584930A4 (en) 2020-12-09
RU2636108C1 (ru) 2017-11-20
EP3584930A1 (en) 2019-12-25

Similar Documents

Publication Publication Date Title
Kotov et al. Novel nanosecond semiconductor opening switch for megavolt repetitive pulsed power technology: Experiment and applications
US6965215B2 (en) Capacitor pulse forming network with multiple pulse inductors
EP3258599B1 (en) Generator of powerful nanosecond pulses (variants)
US9543776B2 (en) Charging/discharging circuit for electro active polymer based variable capacitor
CN111510014B (zh) 一种高电压脉冲发生电路
CN104617808A (zh) 新型极性可调方波高压脉冲电源电路及产生双极性脉冲的控制策略
WO2018151622A1 (ru) Генератор высоковольтных импульсов
US7514820B2 (en) Capacitor pulse forming network with multiple pulse inductors
US20120038224A1 (en) Circuit arrangement and method for supplying a high-power functional component with high-voltage pulses
Elserougi et al. A boost converter-based ringing circuit with high-voltage gain for unipolar pulse generation
CN108462482B (zh) 一种产生双极性高压脉冲的装置和方法
RU2557475C1 (ru) Генератор импульсов на лавинном транзисторе с повышенными кпд и частотой следования импульсов (варианты)
US11870439B2 (en) Pulse generator
RU2698245C2 (ru) Генератор импульсов высокого напряжения
RU2643616C1 (ru) Генератор сверхкоротких импульсов с электронным управлением длительностью
Pinjari et al. Compact solid-state marx generator for repetitive applications
Achour et al. New embedded nanosecond pulse generator based on spark gap and IGBT
SU658719A1 (ru) Генератор пр моугольных импульсов напр жени
RU2422983C2 (ru) Генератор импульсов напряжения
RU2682015C1 (ru) Генератор импульсных напряжений
EA019209B1 (ru) Импульсный квазирезонансный модулятор
RU2069451C1 (ru) Мощный импульсный модулятор
Munir et al. Design of a novel gate driver circuit for a Marx generator based 40kV electric fence energizer
SU983994A1 (ru) Генератор импульсов
SU370710A1 (ru) Импульсный модулятор

Legal Events

Date Code Title Description
121 Ep: the epo has been informed by wipo that ep was designated in this application

Ref document number: 17896954

Country of ref document: EP

Kind code of ref document: A1

NENP Non-entry into the national phase

Ref country code: DE

ENP Entry into the national phase

Ref document number: 2017896954

Country of ref document: EP

Effective date: 20190916