Диссертация (1137078), страница 5

Просмтор этого файла доступен только зарегистрированным пользователям. Но у нас супер быстрая регистрация: достаточно только электронной почты!

Текст из файла (страница 5)

Как отмечают зарубежныеразработчикиаппаратуры[37],переходотИМ,построенныхнаэлектровакуумных коммутаторах, к твердотельным позволяет значительноувеличить надежность всего передатчика в целом. Уменьшаются габаритырадиопередающей системы, сокращается число отказов.Твердотельные коммутирующие приборы сравнительно низковольтны(рабочие напряжения составляют 0,5...2 кВ), а напряжения питания современныхгенераторных СВЧ ЭВП имеют значения 1...100 кВ, поэтому, как правило, нельзяиспользовать единичные приборы для коммутации таких напряжений.В работе [40] один или несколько транзисторов, соединенных параллельно(для обеспечения требуемой величины тока), осуществляют коммутациюпервичной обмотки повышающего импульсного трансформатора. На вторичнойобмотке трансформатора формируется импульс с требуемой амплитудой. Такиесхемы просты в реализации, однако аналогично схеме рис.

1.1 использованиеимпульсного трансформатора приводит к искажениям формы напряжения нанагрузке, большие трудности возникают при необходимости формироватьдлинные импульсы. Использование таких схем для питания магнетронов схолодным катодом сопряжено с рядом трудностей [41].В работах [21, 22, 24, 37, 38, 39, 42, 43, 44, 45] для обеспечения требованийпо электропрочности высоковольтные ключи строятся из большого количестватранзисторов, соединенных последовательно. В дальнейшем будем называтьтакие ключи составными. Составные ключи способны работать с высокиминапряжениями, величина коммутируемого тока и быстродействие определяютсяиспользуемымитранзисторами.Возможнопоследовательно-параллельноесоединение нескольких приборов. На рис.

1.4 приведена структурная схема такого23ключа, построенного на базе МОП полевых транзисторов. В схеме также могутиспользоваться биполярные транзисторы с изолированным затвором (БТИЗ).Рис. 1.4. Структурная схема составного высоковольтного твердотельного ключа.При использовании модуляторов, построенных на составных ключах,приходится сталкиваться с рядом трудностей [39, 46, 47, 48]: из-заналичияпоявлениепаразитныхразбросапараметровнапряжений,элементовсхемыприкладываемыхквозможноотдельнымтранзисторам, что приводит к появлению перенапряжений на них врезультате возможен выход из строя модулятора; необходимо обеспечить синхронность переключения всех транзисторов; необходимо обеспечить передачу управляющего сигнала к входным цепямотдельных транзисторов и гальванически изолировать их от схемыуправления ключом.Анализдоступнойинформациипоказывает,чторазработчикитвердотельных модуляторов по разному подходят к решению проблемыпоявления перенапряжений на транзисторах.

Так, в работе [41] в качествеограничителянапряжения,прикладываемогоктранзистору,используетсявстроенный в полевой транзистор диод-стабилитрон. Однако допустимая энергия,рассеиваемаяэтимдиодом,мала,чтоприсистематическомпоявленииперенапряжений приводило к выходу из строя всего ключа. В работах [24, 39, 43]в качестве ограничителя напряжения используются специальные приборы защитные диоды. Однако, как показывает практика, в таких схемах наблюдаются24локальные перегревы отдельных элементов модулятора, что существенноограничивает диапазоны рабочих режимов модуляторов [46, 47].

В работе [39]проводится анализ факторов, влияющих на разброс напряжений, прикладываемыхк транзисторам ключей в закрытом состоянии (в статическом режиме).Проводится расчет коэффициента запаса по напряжению для этого режима.Однако при расчетах не учитываются явления, наблюдаемые в динамическомрежиме работы (во время переключения).Требованиексинхронностипереключениятранзисторовявляетсяобязательным условием правильной работы твердотельных ключей, построенныхпо последовательной схеме (см. разделы 3.1 и 4.2). В большинстве работ [39, 43,41] принималось, что синхронность обеспечивается одинаковостью параметровиспользуемых транзисторов.

Это можно считать верным, если транзисторы взятыиз одной партии и их число мало (менее 10). Необходимо также обеспечитьсинхронность подачи управляющего сигнала на входные клеммы транзисторов.Как показывает практика, эти условия нельзя считать достаточными, так как дажеприихидеальномвыполнении(прииспользованииматематическогомоделирования) наблюдаются различия в характере изменения напряжений,прикладываемыхкотдельнымтранзисторам,из-завлиянияпаразитныхпараметров схемы [46]. В доступных источниках информации не проводитсяанализ такого важного параметра как допустимый разброс задержки появленияуправляющих сигналов на входах отдельных транзисторов.Разработчики используют в составных ключах различные схемы передачиуправляющего сигнала к входным цепям отдельных транзисторов.

Так, в [49]описывается схема, использующая емкостную связь. Такие схемы просты вконструировании, однако требуют точного подбора величин разделительныхемкостей. Как показывает анализ работы моделей таких модуляторов на ЭВП, привозникновении пробоя в нагрузке возможно неконтролируемое переключениемодулятора. Существуют конструкции модуляторов, в которых передачауправляющегосигналаоптоволокно).Таккакосуществляетсямощностьпооптическомуоптическогоканалусигналамала,(черездля25непосредственного управления каждым транзистором приходится использоватьбуферный усилитель.

Каждому усилителю необходим дополнительный источникэнергии, что приводит к существенному усложнению конструкции, увеличениюгабаритов модулятора. Такие схемы обладают низкой помехоустойчивостью.Наибольшее распространение получили схемы, в которых передачауправляющего сигнала осуществляется через импульсные трансформаторы [24,39, 42, 43, 49, 50, 51]. Такие схемы обладают высокой мощностью ипомехоустойчивостью.Проблемаформированияимпульсовбольшойдлительности здесь решается использованием специальных схем хранения зарядана входной емкости транзисторов, управляемых напряжением [25, 39, 51].Возможны два варианта построения таких модуляторов: с импульснымтрансформатором напряжения и импульсными трансформаторами тока.

Обаварианта имеют свои достоинства и недостатки (см. главу 3). В [49]рассматривается схема модулятора, в которой сигналы управления передаютсячерез последовательно соединенные связанные трансформаторы. В таких схемахдостаточно просто обеспечить электрическую изоляцию высокопотенциальныхузлов схемы, однако в них трудно обеспечить синхронность передачиуправляющихсигналов,возникаютсомненияводинаковостивеличинуправляющих напряжений, прикладываемых к входным клеммам отдельныхтранзисторов.В доступных источниках информации не приводятся расчеты значенийминимальных длительностей импульсов и их фронтов. Рассматривается толькослучай одного транзистора, работающего на индуктивную нагрузку [50]. В этомисточнике отмечается, что для полевых транзисторов теоретические значениявремен переключения составляют 20-200 пс.

В реальных схемах достигнуть стольбыстрогопереключенияи,соответственно,длительностейформируемыхимпульсов не удается, так как существенное влияние оказывают паразитныепараметры транзисторов и схем их управления.Как показывает практика, на работу составных твердотельных ключейсущественное влияние оказывают паразитные параметры элементов схемы.

Так26как ИМ для ЭВП СВЧ работают с высокими импульсными напряжениями, топроводить исследование влияния паразитных параметров на работу ИМ путемнепосредственных измерений напряжений и токов на практике трудно.Достоверность таких измерений мала, так как измерительные приборы обладаютвходными емкостями и сопротивлениями, соизмеримыми с элементами ИМ.Вэтомслучаеможетиспользоватьсяметодматематическогомоделирования электрических схем [52, 53]. Использование математическоймодели импульсного модулятора, построенного на составных твердотельныхключах,позволяетпроводитьисследованияпроцессов,протекающихвимпульсном модуляторе. Появляется возможность оценить напряжения и токи влюбых точках модулятора, выявлять их зависимости от параметров схемы. В [41]приматематическоммоделированиивысоковольтныхтвердотельныхмодуляторов не учитывался ряд важных параметров, влияющих на работумодулятора.

Используемые упрощения приводили к некорректному отображениюи пониманию работы составных твердотельных ключей.Выявленныеисточникиинформацииотвердотельныхимпульсныхмодуляторах для СВЧ генераторных ЭВП включены в отдельные главы книг,посвященных радиопередающим устройствам, или в периодическую литературу.Опубликовано сравнительно небольшое количество работ, в которых, какправило, проводится обзор возможных или уже достигнутых характеристиктвердотельныхмодуляторов,конструктивныхособенностейконкретныхразработок, возможные варианты схем таких модуляторов. Существующиеотечественные и зарубежные разработки ИМ для СВЧ ЭВП не позволяютодновременно удовлетворить требования по быстродействию, максимальной иминимальнойдлительностямформируемыхимпульсов,надежности.Современное состояние развития техники радиопередающих и генерирующихустройств требует более глубокого исследования высоковольтных модуляторов,построенных на составных ключах.271.3.

Постановка задач, решаемых в диссертацииПроведенный выше обзор показывает: До настоящего времени, несмотря на широкое применение твердотельныхсоставных ключей, нельзя считать исследованными в достаточной степенипроцессы, происходящие в таких ключах. Явно недостаточно изученызависимостипараметровформируемыхимпульсовотвеличинтехпаразитных элементов схемы модулятора, которые имеют место в реальныхустройствах. Проектирование твердотельных импульсных модуляторов необходимоосуществлять с учетом параметров их нагрузок и возможных аварийныхситуаций в них. На практике часто требуется определять предельные режимы работымодуляторов с учетом их конструктивных особенностей. С позицииразработчиков РПДС желательно иметь возможность проводить оценкудиапазонов изменения длительности, частоты повторения и скважностигенерируемых импульсных последовательностей, а также возможныхискажений их формы.В предлагаемой работе с целью исследования высоковольтных импульсныхмодуляторов ЭВП СВЧ, построенных на основе составных твердотельныхключей, позволяющих улучшить параметры формируемых импульсов, расширитьдиапазоны изменения их частот повторения и длительностей были поставленыследующие задачи: определить параметры СВЧ ЭВП как нагрузок для твердотельныхмодуляторов и учесть возможные аварийные ситуации в них; сформировать схемные варианты моделей импульсных модуляторов,использующихсоставныеключи,учитывающиеиндивидуальныеособенности отдельных элементов и их паразитные параметры; провестиисследованиевлиянияпаразитныхпараметровсхемынапараметры формируемых импульсов, а также на работу твердотельныхимпульсных модуляторов;28 определить предельные режимы работы твердотельных импульсныхмодуляторов по частоте и скважности, минимальной длительности фронтаформируемых импульсов; создать макетный образец модулятора для сопоставления результатовтеоретических исследований с наблюдаемыми на практике.29Глава 2.

Особенности генераторных ЭВП СВЧ как нагрузокдляимпульсныхмодуляторов.Структурныесхемыимпульсных РПДСТак как целью диссертации является исследование особенностей работы ипроектированияимпульсныхтвердотельныхмодулятороввсоставерадиопередающих систем на основе ЭВП СВЧ, то необходимо определитьхарактер нагрузки модулятора, то есть в первую очередь зависимость тока ЭВПот приложенных к его выводам напряжений - вольт-амперные характеристики(ВАХ), возможные аварийные ситуации в нагрузке модулятора.

Характеристики

Список файлов диссертации