Автореферат (1137077), страница 2
Текст из файла (страница 2)
Определяютсяосновные направления исследования, сформулированы задачи, решаемые вдиссертации.Во второй главе проводится обзор данных по параметрам ихарактеристикам различных типов ЭВП СВЧ. Определены области ихприменения. Исходя из физических принципов работы ЭВП СВЧ, определенызависимости параметров генерируемых СВЧ колебаний (мощность, частота,фаза) от величин питающих напряжений. Определено, что наиболее часто вРПДС используются генераторы и усилители М-типа - магнетроны,амплитроны, а также ЛБВ О-типа и клистроны. Рассмотрены особенностиработы приборов этих типов. Определены зависимости токов электродов ЭВПот прикладываемых к ним напряжений.
Приводятся типовые структурныесхемы СИЭП для этих приборов.Рассмотрены процессы, происходящие в РПДС во время возникновенияпробоев и искрений между различными электродами ЭВП. Определенытребования к максимальной величине тока пробоя в ЭВП, допустимой длятвердотельных ключей ИМ. Показана необходимость использованияспециальных схем защиты ЭВП и узлов РПДС от разрушительного воздействияпробоев и искрений. Показана перспективность использования защитныхключей в цепях питания ЭВП СВЧ с сеточным управлением. Сформулированытребования к параметрам модулирующих импульсов.В третьей главе, исходя из требований к параметрам питающих ЭВП СВЧимпульсов, определены технические требования к ИМ.
Делается выбор впользу схемы с частичным разрядом накопительной емкости ипоследовательным включением высоковольтного ключа и нагрузки.Проведен обзор современных твердотельных коммутирующих приборов.Одиночные приборы не удовлетворяют требованиям, предъявляемым к ключам6ИМ, по напряжению, поэтому сделан вывод о необходимости использованияпоследовательного включения нескольких коммутирующих приборов. Дляудовлетворения требований по рабочим токам модулятора используетсяпараллельное включение нескольких приборов.
Исходя из особенностей работысоставных ключей, составлена приведенная на рисунке 1 структурная схемаИМ, позволяющая обеспечить совместную работу большого числапоследовательно включенных транзисторов.Рис. 1. Структурная схема двухтактного модулятора, построенного на основе составныхключей.Здесь модулятор состоит из накопителя электрической энергии, зарядногои разрядного ключей, схемы управления и цепей ограничения тока нагрузки.Зарядный ключ формирует фронт импульса и его плоскую часть. Разрядныйключ формирует спад импульса и шунтирует нагрузку в паузах междуимпульсами. Цепи ограничения тока фиксируют максимальную величину токачерез транзисторы ключей.В качестве отдельных коммутирующих приборов целесообразноиспользовать транзисторы, управляемые напряжением, – МОП полевыетранзисторы и биполярные транзисторы с изолированным затвором (БТИЗ).7Исходя из эквивалентных схем этих приборов, определено, что наибольшеевлияние на работу составных ключей оказывают паразитные межэлектродныеемкости и индуктивности выводов.
Показано, что влиянием индуктивностейвыводов можно пренебречь, а межэлектродные емкости включить вэквивалентные схемы ячеек, как показано на структурной схеме - рисунок 2.Рис. 2. Эквивалентная схема двухтактного модулятора на основе составных ключей.Для обеспечения правильной работы твердотельных ключей необходимо,чтобы общий сигнал управления, вырабатываемый в схеме управления ключоми передаваемый через схемы управления отдельными транзисторами,синхронно поступал на входные клеммы транзисторов.
В составных ключахиспользуют оптические, трансформаторные и емкостные схемы передачиуправляющего сигнала. Указаны их достоинства и недостатки. Требования кгабаритам, надежности и помехоустойчивости схем управления заставляютсделать выбор в пользу схем, построенных на основе импульсныхтрансформаторов (ИТ) (рисунок 3). При этом возможны два вариантапостроения таких схем (см. рисунок 4): на ИТ напряжения и ИТ тока.Рис. 3. Структурная схема подмодулятора для схем с трансформаторной развязкой.8а)б)Рис. 4. Схемы управления: а) с ИТ тока; б) с ИТ напряжения.Приведены возможные конструктивные реализации этих схем. Так кактрансформаторные схемы не позволяют передавать постоянную составляющуюсигнала управления, приходится использовать специальные схемы хранениязаряда (см.
рисунок 5.б и 5.в). Такие схемы за счет малого тока входногоэлектрода транзисторов с полевым управлением позволяют формироватьимпульсы бесконечной длительности. Для открытия ключа достаточнозарядить входные емкости транзисторов коротким импульсом (50...500 нс)положительной полярности и периодически (один раз в 50...500 мкс)подзаряжать их импульсами такой же длительности.
Для закрытия ключанеобходимо подать импульс отрицательной полярности.В качестве цепей выравнивания (или ограничения) напряжения,прикладываемого к выходным электродам транзисторов, используютсярезистивно-емкостные цепи и ограничительные диоды (рисунок 6).а)б)в)Рис.
5. Схемы управления отдельными транзисторами: а) без хранения заряда; б) с хранениемзаряда одной полярности; в) с хранением заряда двух полярностей.а)б)Рис. 6. Схемы выравнивания напряжений.9в)Рис.7. Эквивалентная схема ячейки модулятора.После определения элементной базы ячейки ключа составлена ееэквивалентная схема. Для удобства анализа схема управления ячейкой былазаменена эквивалентной схемой, приведенной на рисунке 7. Эта схемаучитывает основные особенности реальных схем: tD - задержка появленияуправляющего сигнала; LGOUT - паразитные индуктивности монтажа и рассеяния(для трансформаторных схем); RGOUT - активное сопротивление схемыуправления; CGOUT - паразитная емкость монтажа, а также добавочная емкость,подключаемая между входными электродами; DGOUT - защитный диод,подключенный между входными электродами. В дальнейшем не учитываютсяособенности работы схем хранения заряда.
Считается, что длительностьуправляющего импульса, подаваемого на вход схемы управления, равнадлительности импульса запуска.На рисунке 7 для силового транзистора: LG, LD, LS - индуктивности выводовзатвора, стока и истока, RG, RD, RS - сопротивления выводов затвора, стока иистока, CGS, CDG(UDS), CDS(UDS) - внутренние емкости между затвором иистоком, стоком и затвором, стоком и истоком, iDS(t,UGS,UDS) - ток выходногоэлектрода силового транзистора, зависящий от напряжения, приложенного ковходной емкости CGS, и прикладываемого к выходным электродам напряженияUDS, RP - сопротивление определяющее токи утечки транзистора в разомкнутомсостоянии, DINT - встроенный паразитный диод. UF(t-tD) - управляющеенапряжение, зависящее от времени.
Емкости CDG(UDS), CDS(UDS) нелинейнозависят от напряжения UDS, причем эти зависимости могут существенноотличаться для транзисторов разных марок.Рассмотрены особенности обеспечения теплового режима отдельныхэлементов ключей. Для обеспечения электропрочности конструкции составныхключей целесообразно заполнять занимаемый ими объем твердыми, жидкими10илигелеобразнымидиэлектриками.Широкоиспользуютсяэлектроизоляционные керамические пластины из материалов с высокойтеплопроводностью. В зависимости от выбранной конструкции модуляторатепловое сопротивление между силовыми транзисторами модулятора иокружающей средой может изменяться в диапазоне от 0,3 до 150 °С/Вт, авеличины паразитных монтажных емкостей отдельных транзисторов на корпусизменяются от 0,5 до 20 пФ.
Как правило, меньшему тепловому сопротивлениюсоответствует большая емкость.Так как экспериментальное изучение процессов, протекающих ввысоковольтных твердотельных модуляторах, сопряжено со значительнымитрудностями, целесообразно использование математического моделирования,позволяющего в широких пределах изменять параметры схем. Поэтому дляупрощенной эквивалентной схемы ячейки модулятора, содержащей 6 узлов и15 ветвей, были записаны уравнения для узловых токов и контурныхнапряжений. Исходя из условий непрерывности токов через индуктивности инапряжений на емкостях, была составлена система из 9 дифференциальныхуравнений, описывающая процессы в ячейке.На основе эквивалентной схемы двухтактного твердотельного модуляторас нагрузкой, а также зависимостей токов и напряжений в отдельных ячейкахсоставляются уравнения, описывающие работу всей схемы.С учетом сложности полученной системы уравнений, нелинейногохарактера зависимостей величин и в общем случае переменном численеизвестных величин целесообразно численное ее решение.В четвертой главе на основе разработанной математической моделипроводится анализ процессов, происходящих в двухтактных модуляторах наразличных этапах его работы.
Исследования проводились с использованиемсхемы, содержащей по 10 ячеек в зарядном и разрядном ключах. Все ячейкипостроены на основе модели транзистора SPW17N80 (Infineon, США).Паразитная емкость ячеек на корпус принималась равной 1 пФ. Управлениеячейками осуществлялось синхронно. Управляющее напряжение UF(t) - заданоидеальными прямоугольными импульсами с амплитудой 10 В и длительностью300 нс. Частота повторения импульсов составляет 1 кГц. Анализ работы ячеекпроводится для четырех основных стадий работы модулятора: закрытоесостояние, формирование фронта, плоская вершина импульса, спад импульса.Отмечено, что в закрытом состоянии напряжения, прикладываемые котдельным транзисторам, определяются токами утечки транзисторов иэлементов цепи ограничения напряжения.
Во время фронта и спада импульса11происходит перезаряд паразитных емкостей схемы. При протекании плоскойчасти импульса зарядный ключ открыт, разрядный закрыт.а)б)Рис. 8. Зависимость напряжений, прикладываемых к ячейкам модулятора, относительносреднего значения UDS0 от времени для: а) зарядного ключа; б) разрядного ключа.В ходе проведения машинных экспериментов выявлена зависимостьнапряжения, прикладываемого к выходным электродам транзисторов после ихзакрытия, от места их расположения в модуляторе и величины паразитнойемкости ячеек на корпус (см. рисунки 8 и 9). К транзисторам, располагающимсяближе к нагрузке, прикладывается большее напряжение, чем к остальным.
Этоприводит к увеличению мощности динамических потерь, выделяемой в этихтранзисторах, что может привести к их перегреву.Рис. 9. Зависимость напряжений, прикладываемых к ячейкам модулятора, и мощностейдинамических потерь, рассеиваемых транзисторами, от номера ячейки.Установившееся после закрытия транзисторов напряжение стремится кнапряжениям для закрытого состояния с постоянной времени tразр≈RP·СDS, гдеRP - внутреннее сопротивление транзисторов в закрытом состоянии, СDS паразитная емкость между выходными электродами транзистора.
tразр можетсоставлять от 100 мкс до единиц секунд, что соизмеримо с периодомповторения импульсов. Далее принято, что распределение напряжений,установившееся после закрытия ключа, сохранится до его следующегопереключения. Это требует детально изучить процессы, происходящие после12закрытиясиловыхтранзисторов,оценитьвеличинынапряжений,прикладываемых к транзисторам. Составляется упрощенная схема ключа дляэтого режима работы - рисунок 10. Принимаются следующие допущения: всетранзисторы ключа управляются синхронно; их параметры одинаковы и независят от прикладываемых к электродам напряжений.Рис. 10. Упрощенная эквивалентная схема составного ключа для закрытого состояния( СВЫХ −eff - выходная эффективная по энергии емкость транзисторов ключа, CGND - паразитнаяемкость ячеек ключа на корпус).Предварительно был проведен расчет собственной емкости ключа междуточками А и Б по эквивалентной схеме (рисунок 10).
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
