Диссертация (1137078), страница 11
Текст из файла (страница 11)
Однако они имеютбольшие времена переключения [73], что значительно сужает круг задач, вкоторых они могут применяться. В настоящее время наибольшее распространение63получили транзисторы, так как они обладают приемлемыми параметрами побыстродействию и рабочим токам.Как видно из сопоставления таблиц 2.4 и 3.1, построение импульсныхмодуляторов на единичных транзисторах возможно только в случае сеточноймодуляции при невысоких рабочих напряжениях.
Для получения импульсовнапряжения с требуемыми параметрами целесообразно использование составныхвысоковольтных твердотельных ключей.Как видно из таблицы 2.4, в системах импульсного электрического питанияЭВП СВЧ преимущественно применяются двухтактные модуляторы, поэтому вдальнейшембудемрассматриватьэтоттипмодуляторов.Однотактныемодуляторы и защитные ключи могут быть получены из двухтактного модуляторапутем отключения разрядного ключа.Рис. 3.1. Структурная схема твердотельного модулятора.Выбрав тип твердотельного модулятора для дальнейшего исследования,составим его структурную схему (см.
рис. 3.1).64Источник напряжения создает между входными клеммами модуляторатребуемое напряжение. При появлении управляющего импульса модуляторформирует на входных клеммах нагрузки импульс напряжения с требуемымипараметрами. Нагрузкой модулятора является ЭВП СВЧ. По окончанииуправляющего импульса на нагрузке формируется напряжение, соответствующееотсутствию генерации на выходе ЭВП.В состав модулятора включаются накопитель энергии, который, какправило, представляет собой конденсатор, зарядный и разрядный ключи, цепиограничениятока.Твердотельныеключисостоятизпоследовательносоединенных транзисторов. К входным клеммам транзисторов подключены схемыуправления, а к выходным - схемы выравнивания напряжений.
Отдельныйкоммутирующий полупроводниковый прибор со схемой его управления и цепямивыравнивания напряжений в дальнейшем будем называть ячейкой ключа.Как известно, мощным генераторным ЭВП свойственно периодическоевозникновение электрических разрядов - пробоев внутри прибора (см. раздел2.3). Во время пробоя ЭВП характеризуется низким сопротивлением [64, 65],поэтому, с учетом высокого питающего напряжения, ток, протекающий припробое, ограничивается только сопротивлениями питающих цепей. Так каксобственное сопротивление твердотельных ключей мало (1...100 Ом), то при ихиспользовании ток пробоя может составлять тысячи А, что много большезначений, допустимых для современных транзисторов.
Для ограничения токапробоя во всех схемах модуляции последовательно с ЭВП устанавливают цепиограничения тока. В качестве токоограничивающих цепей могут использоватьсяпассивные элементы - сопротивления и индуктивности, или активные элементы транзисторы, тиристоры и т.п., которые устанавливаются последовательно снагрузкой. В простейшем случае это может быть ограничительный резистор (см.рис. 2.7...2.9). В случае использования анодной модуляции минимальноесопротивление данного резистора выбирается таким, чтобы при пробое в нагрузкене превышалось значение максимально допустимого тока транзисторов,составляющих ключ.
При использовании сеточной модуляции в отсутствии65активных схем защиты от пробоев ограничительный резистор рассеиваетбольшую часть энергии накопителя, предотвращая разрушение ЭВП.В двухтактных ключах при формировании фронта импульса через зарядныйключ протекают токи заряда паразитных емкостей нагрузки и разрядного ключа.Для уменьшения влияния емкости разрядного ключа на форму напряжения нафронте импульса в схему включают цепи ограничения тока, протекающего междузарядным и разрядным ключами.
В случае аварийного одновременного открытияключей эти цепи позволяют уменьшить сквозные токи через ключи.Наличие в модуляторе большого количества дискретных приборов,соединенных последовательно, приводит к тому, что их паразитные параметрымогут существенно влиять на параметры формируемых модулятором импульсов.Как показывает практика разработки таких модуляторов, пренебрежениепаразитными параметрами схемы рисунке 3.1 приводит к существеннымпогрешностям при определении характеристик разрабатываемых модуляторов.Исходя из требований, предъявляемых к параметрам формируемыхимпульсов (см.
раздел 1.1.1), целесообразно провести детальный анализ факторов,влияющих на эти параметры в модуляторах, построенных на основе составныхтвердотельных ключей. Для этого необходимо: на основе структурной схемымодулятора (рисунок 3.1) составить его принципиальную схему, определитьэлементы схемы, влияющие на параметры формируемых модулятором импульсов.На рисунке 3.2 приведена принципиальная схема двухтактного твердотельногомодулятора с источником напряжения и нагрузкой.
В этой схеме учтеныосновные паразитные параметры ее элементов.Здесь U PS - источник напряжения питания модулятора; RPS – внутреннеесопротивление источника напряжения;RSTOR– внутреннее сопротивлениенакопителя. Как правило, это сопротивление много меньше RPS , поэтому дляупрощения анализа схемы оно было подключено последовательно с накопителем.CSTOR – емкость накопительного конденсатора.Рис. 3.2. Принципиальная схема исследуемого модулятора.Ячейки модулятора с номерами 1...N образуют зарядный ключ; ячейкимодулятора с номерами (N+1)...(N+K) образуют разрядный ключ.
R11 , R12 и R 2 –токоограничивающие резисторы. CR11 – паразитная емкость ограничительныхрезисторов на корпус модулятора.LLOAD – индуктивность выводов нагрузки. Число ячеек в зарядном ключеравно N. Число ячеек в разрядном ключе равно K. Нумерацию ячеек в модуляторебудем проводить от накопителя, с точки, имеющей наибольший потенциалотносительно корпуса. Одним из важных параметров схемы является паразитнаяконструктивная емкость ячеек модулятора на корпус. Причины появления этойемкости и ее величина будут рассмотрены позднее.
Для удобства анализа иунификации схемы эта емкость была разбита на две части - СD-GND, СS-GND.Число транзисторов в ключе N и K определяется, исходя из требований крабочему напряжению модулятора из соотношения N=kисп· UPS / UDSmax, где kисп коэффициент использования по напряжению, UDSmax - максимально допустимоерабочее напряжение транзисторов.Для дальнейшего анализа схемы необходимо рассмотреть схему отдельнойячейки модулятора. Как было показано на рисунке 3.1, ячейка модулятора состоитиз трех структурных элементов.
Рассмотрим каждый из них подробнее. При этомдля удобства анализа будем пользоваться методом эквивалентных схем.3.2.1 Полупроводниковые коммутирующие приборыНаиболеечастовтвердотельныхсоставныхключахиспользуютсятранзисторы с изолированным затвором [39, 40, 42, 43, 74, 75]. Эти приборыуправляются напряжением, что является существенным преимуществом передобычными биполярными транзисторами, управляемыми током. Для открытиятакого транзистора достаточно зарядить входную емкость управляющегоэлектрода до требуемого напряжения (10...15 В) и поддерживать на ней заряд втечение импульса [51]. Для закрытия транзистора необходимо разрядить входнуюемкость до напряжения ниже порогового.
Такой принцип работы существенноупрощает схемы управления отдельными транзисторами, нет необходимости68пропускать ток во время всего импульса, как это требуется для биполярныхтранзисторов.К транзисторам с изолированным затвором относятся МОП полевыетранзисторы и биполярные транзисторы с изолированным затвором. Эти два типаприборов имеют свои особенности работы, поэтому рассмотрим эквивалентныесхемы транзисторов с изолированным затвором и их параметры.Полевые МОП транзисторыПолевые МОП транзисторы можно рассматривать как управляемоенапряжением сопротивление.
Они часто применяются в силовой технике, чтообусловлено их достоинствами: управление осуществляется напряжением, входной электрод изолирован отвыходной цепи. Ток входного электрода составляет ~0,1 мкА. Вбиполярных транзисторах необходимо пропускать через входной электродток, соответствующий по величине от 0,01 до 0,2 тока выходногоэлектрода; отсутствие неосновных носителей зарядаприводитктому,чтонетнеобходимости в их рекомбинации, быстродействие полевых транзисторовоказывается выше, чем у биполярных; положительный температурный коэффициент изменения сопротивления,что облегчает параллельное включение приборов; отсутствие вторичного пробоя в структуре транзистора.Основным недостатком полевых транзисторов по сравнению с биполярнымиявляются бо́льшие активные потери в открытом состоянии в приборах с высокимрабочим напряжением (более 200 В).Существует несколько различных технологий производства МОП полевыхтранзисторов для применения в различных областях радиоэлектронной техники[76].
Не вдаваясь в особенности конкретных структур транзисторов, рассмотримэквивалентную схему полевого транзистора (рис 3.3), используемую в настоящей69работе для анализа, и входящие в нее параметры, приводимые производителями вдокументации на приборы.Рис. 3.3. Эквивалентная схема полевого МОП транзистора.LG , LD , LS - индуктивности выводов затвора, стока и истока соответственно.Данные параметры преимущественно определяются типом корпуса транзистора,их величины нормируются производителями и могут иметь значения 1…50 нГн.RG , RD , RS - внутренние сопротивления тела кристалла до выводов затвора,стока и истока соответственно.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
