автореферат диссертации по радиотехнике и связи, 05.12.04, диссертация на тему:Твердотельные импульсные модуляторы мощных генераторных электровакуумных приборов СВЧ

На правах рукописи

Платонов Сергей Александрович

Твердотельные импульсные модуляторы мощных генераторных электровакуумных приборов СВЧ

Специальность: 05.12.04 - Радиотехника, в том числе системы и устройства

телевидения

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

23 ОКТ 2014

Москва - 2014

005553684

Работа выполнена в открытом акционерном обществе "Плутон"

Научный руководитель: кандидат технических наук,

доцент Казанцев Виктор Иванович

Официальные оппоненты: Костиков Владимир Григорьевич,

доктор технических наук, профессор, «Научно-исследовательский электромеханический институт» ОАО «ГСКБ «Алмаз-Антей», начальник отдела НТЦ

Ромащенко Кирилл Витальевич, кандидат технических наук, ОАО «Российские космические системы», начальник сектора

Ведущая организация: ОАО «НПО «Лианозовский электро-

механический завод»

Защита диссертации состоится 20 ноября 2014 г. в 16.00 часов на заседании диссертационного совета Д 212.048.13 созданного на базе федерального государственного автономного учреждения высшего профессионального образования «Национальный исследовательский университет «Высшая школа экономики», по адресу: 109028, Москва, Б. Трехсвятительский пер., д.З, зал заседаний ученого совета (к.217).

С диссертацией можно ознакомиться на сайте http://www.hse.ru/sci/diss/ и в библиотеке Национального исследовательского университета «Высшая школа экономики» по адресу: 101000, г. Москва, ул. Мясницкая, д. 20.

Автореферат разослан « 14 г.

Ученый секретарь ^.^л Грачев

диссертационного совета, Николай Николаевич

к.т.н., профессор

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы. В настоящее время для получения СВЧ колебаний высоких уровней мощности используются электровакуумные (ЭВП) генераторные и усилительные приборы такие, как магнетроны, клистроны, лампы бегущей волны (ЛЕВ) О- и М-типов. Эти приборы используются в качестве мощных оконечных генераторов и усилителей радиопередающих систем (РПДС) радиолокационных станций (РЛС), систем связи, систем радиопротиводействия, технологических установок. В технике физического эксперимента для ускорения заряженных частиц также используются мощные и высоковольтные ЭВП, в том числе и гиротронного типа.

Как правило, ЭВП СВЧ работают в импульсном режиме. Для формирования выходных радиоимпульсов необходимо на соответствующих электродах ЭВП сформировать высоковольтные импульсы напряжения. В РПДС модулирующие импульсы напряжения формируются импульсным модулятором (ИМ).

Ранее в системах питания ЭВП использовались модуляторы, в которых коммутация высокого напряжения осуществлялась мощными электровакуумными или газоразрядными приборами. В этих схемах часто использовались согласующие высоковольтные импульсные трансформаторы. В настоящее время такие модуляторы не удовлетворяют требованиям по надежности, массе и габаритам. Как правило они не позволяют оперативно изменять параметры генерируемых импульсов, в то время как в многофункциональных РЛС необходимо изменять длительности и частоты повторения импульсов в широких пределах, возможна работа импульсными пакетами.

Одним из путей улучшения характеристик радиоимпульсов, генерируемых в РПДС, построенных на ЭВП СВЧ; является использование схем модуляторов с частичным разрядом накопительной емкости, в которых коммутация напряжений осуществляется высоковольтными, полностью управляемыми твердотельными составными ключами, построенными на основе большого количества мощных ключевых транзисторов, управляемых напряжением. В этом случае возможно конструировать малогабаритные импульсные модуляторы с рабочими напряжениями до сотен кВ и импульсными токами до нескольких сотен А, построенные полностью на твердотельных элементах. Такие модуляторы обладают высокой надежностью, способны оперативно (от импульса к импульсу) изменять длительность формируемых импульсов и частоту их повторения. При этом импульсы имеют почти идеальную прямоугольную форму и обладают высокой повторяемостью.

Исследованием твердотельных импульсных модуляторов для ЭВП СВЧ занимаются как в Российской Федерации, так и за рубежом. Значительный вклад в эту область внесли отечественные и зарубежные ученые: Казанцев В.И., Сергеев В.Г., Хижняков П.М., Алексеев В.А., Монин С.В., Млиник А.Ю.' занимающиеся разработкой и конструированием твердотельных модуляторов. Волков А.В. исследовал особенности работы твердотельных модуляторов на магнетроны с холодным катодом. Мошкунов С.И. изучал работу твердотельных составных ключей в устройствах накачки лазеров. Ученые из фирмы Diversified Technologies Inc. (США) выполняли разработки мощных систем импульсного электрического питания (СИЭП) для ЭВП СВЧ на основе твердотельных ключей.

Несмотря на все более широкое применение в современных РПДС твердотельных составных ключей и модуляторов на их основе, опубликовано сравнительно небольшое количество работ, в которых преимущественно проводится обзор возможных или уже достигнутых параметров твердотельных модуляторов, особенностей конкретных разработок, возможные варианты схем таких модуляторов. При этом не публикуются методики расчета режимов работы модуляторов. Не полностью сформирована теоретическая база для расчета параметров модуляторов. Не учитываются: особенности ЭВП СВЧ как нагрузок модуляторов, паразитные параметры отдельных элементов схемы и их разброс. Современное состояние развития техники радиопередающих и генерирующих устройств требует более глубокого исследования высоковольтных модуляторов, построенных на основе составных ключей.

Целью диссертационной работы является исследование высоковольтных импульсных модуляторов ЭВП СВЧ, построенных на основе составных твердотельных ключей, позволяющих улучшить параметры формируемых импульсов, расширить диапазоны изменения их частот повторения и длительностей.

Для достижения этой цели были решены следующие задачи:

• определены параметры СВЧ ЭВП как нагрузок для твердотельных импульсных модуляторов с учетом возможных аварийных ситуации в них;

• предложена схема твердотельного импульсного модулятора, учитывающая индивидуальные особенности отдельных элементов и их паразитные параметры;

• проведено исследование влияния паразитных параметров схемы на параметры формируемых импульсов, а также на работу твердотельных импульсных модуляторов;

• определены предельные режимы работы твердотельных импульсных модуляторов по частоте и скважности, минимальные длительности фронтов формируемых импульсов;

• создан макетный образец модулятора для сопоставления результатов теоретических исследований с наблюдаемыми на практике.

Методы исследования. Для решения поставленных в диссертационной работе задач использовались методы эквивалентных схем, математического и имитационного моделирования, численного решения дифференциальных уравнений, кусочно-линейной интерполяции, а также экспериментального измерения.

Достоверность полученных результатов обеспечивается применением современных методов исследования, верификацией разработанной математической модели со стандартными пакетами программ на тестовых схемах, согласованностью результатов теоретических оценок и моделирования с практически полученными данными, успешным внедрением предложенных методик в действующие радиопередающие устройства.

Научная новизна диссертационной работы заключается в следующем:

• предложена математическая модель твердотельного импульсного модулятора, построенного по схеме последовательного включения нескольких отдельных транзисторных ключей, учитывающая паразитные параметры отдельных элементов схемы модулятора, позволяющая оценить форму генерируемых импульсов, а также работу модулятора;

• выявлена зависимость распределения напряжений, прикладываемых к отдельным транзисторам составного ключа в динамическом режиме, от места их расположения в схеме и значений паразитных параметров, что показало возможность появления перенапряжений на отдельных транзисторах;

• предложен способ выравнивания напряжений, прикладываемых к отдельным транзисторам составного ключа, с использованием дополнительных емкостей, подключаемых между выходными электродами транзисторов;

• определена максимальная задержка начала переключения отдельных транзисторов составного ключа относительно друг друга, что позволяет задать требования к синхронности работы схем управления отдельными транзисторами;

• определены предельные параметры формируемых твердотельными модуляторами импульсных последовательностей по частоте и скважности.

Практическая и теоретическая значимость работы заключается в том, что в результате исследований процессов, протекающих в высоковольтных составных твердотельных модуляторах, были получены оценки распределения напряжений между транзисторами составных ключей; предложен способ устранения перенапряжений на транзисторах составного ключа; разработана методика расчета допустимых задержек начала переключения отдельных транзисторов относительно друг друга и предельных режимов твердотельных модуляторов по частоте и скважности.

На защиту выносятся:

• модель двухтактного твердотельного импульсного модулятора, учитывающая паразитные параметры схемы и индивидуальные особенности отдельных элементов, предназначенная для инженерного анализа работы модуляторов, построенных на основе составных твердотельных ключей, и прогнозирования формы модулирующих импульсов на нагрузке;

• зависимость напряжения, прикладываемого к транзисторам составных ключей модулятора, от величины их паразитной емкости на корпус модулятора, выходной емкости транзисторов, места их расположения в схеме модулятора, полученная при анализе модели модулятора;

• способ выравнивания напряжений, прикладываемых к транзисторам модулятора, состоящий во введении дополнительных компенсирующих подключаемых между выходными электродами транзисторов емкостей, величина которых определяется паразитной емкостью транзисторов на корпус модулятора и местом включения этих транзисторов в схеме;

• методика расчета предельных характеристик модуляторов по частоте и скважности формируемых импульсных последовательностей, состоящая в анализе тепловых режимов работы элементов модулятора;

• зависимость от параметров схемы предельно допустимой задержки начала переключения отдельных транзисторов составных ключей между собой, рассчитанная на основании критерия отсутствия перенапряжений на транзисторах.

Апробация работы:

Основные результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались на следующих научных конференциях:

1. Всероссийская конференция «Системы и источники вторичного электропитания и элементная база для них». ОАО Электронинвест. Москва 2010 г.

2. ХХХ-ая всероссийская научно-техническая конференция «Проблемы эффективности и безопасности функционирования сложных технических и

информационных систем». ФГКВОУ ВПО «Военная акадения ракетных войск стратегического назначения имени Петра Великого» МО РФ. Серпухов, 2011 г.

3. Всероссийская конференция «Радиооптические технологии в приборостроении», г. Туапсе, 2012 г.

4. Всероссийская конференция «СВЧ-электроника. 70 лет развития». ФГУП «НПП «Исток», г. Фрязино, 2013 г.

Внедрение результатов диссертационной работы. Результаты диссертационной работы использованы в НИР, проводимых в ОАО «Плутон» г. Москва, направленных на расширение диапазона рабочих частот и повышение помехозащищенности РЛС, а также решения проблем энергосбережения и экологии.

Публикации по теме диссертационной работы. По теме диссертации опубликовано, в соавторстве, 3 статьи в журнале "Электронная техника" серия 1 СВЧ-техника, 1 статья в журнале "Вестник МГТУ", 1 статья в электронном журнале «Наука и образование», 1 монография в журнале "Электронная техника" серия 1 СВЧ-техника.

Основные результаты диссертационной работы изложены в 9 печатных работах, из них 6 научных статей, опубликованных в журналах из перечня ВАК, и 3 тезисов докладов на научных конференциях.

Структура и объем диссертации. Диссертационная работа состоит из введения, 5 глав, заключения, содержит 173 страниц основного текста, 8 страниц списка литературы (87 наименований), 82 рисунка, 13 таблиц.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность темы, определены цель и задачи работы, дана характеристика методов исследования, отмечены научная новизна и практическая ценность полученных результатов, сформулированы основные положения, выносимые на защиту.

В первой главе рассмотрены требования, предъявляемые к основным параметрам радиоимпульсов, генерируемых в РПДС. Определены диапазоны их изменения. Показано, что в РПДС на основе ЭВП СВЧ основное влияние на параметры генерируемых импульсов оказывают питающие их напряжения. Рассмотрены способы борьбы с искажениями радиоимпульсов, генерируемых в РПДС.

Рассмотрены способы генерирования импульсов высокого напряжения, питающих ЭВП. Приводятся типовые схемы, используемые для получения импульсов напряжения. Показано, что схемы с частичным разрядом накопителя способны формировать импульсы с произвольными частотой повторения и длительностью. При этом форма импульсов близка к идеальной.

Показаны недостатки электровакуумных и газоразрядных коммутирующих приборов, используемых в ранее разработанных схемах. В настоящее время при разработке новых и модернизации старых РПДС используются модуляторы, построенные на основе твердотельных ключей. Однако анализ доступных источников информации показывает, что нельзя считать в достаточной степени изученными процессы, происходящие во время работы таких ключей. Делается вывод о необходимости более глубокого исследования модуляторов, построенных на основе составных твердотельных ключей. Определяются основные направления исследования, сформулированы задачи, решаемые в диссертации.

Во второй главе проводится обзор данных по параметрам и характеристикам различных типов ЭВП СВЧ. Определены области их применения. Исходя из физических принципов работы ЭВП СВЧ, определены зависимости параметров генерируемых СВЧ колебаний (мощность, частота, фаза) от величин питающих напряжений. Определено, что наиболее часто в РПДС используются генераторы и усилители М-типа - магнетроны, амплитроны, а также ЛБВ О-типа и клистроны. Рассмотрены особенности работы приборов этих типов. Определены зависимости токов электродов ЭВП от прикладываемых к ним напряжений. Приводятся типовые структурные схемы СИЭП для этих приборов.

Рассмотрены процессы, происходящие в РПДС во время возникновения пробоев и искрений между различными электродами ЭВП. Определены требования к максимальной величине тока пробоя в ЭВП, допустимой для твердотельных ключей ИМ. Показана необходимость использования специальных схем защиты ЭВП и узлов РПДС от разрушительного воздействия пробоев и искрений. Показана перспективность использования защитных ключей в цепях питания ЭВП СВЧ с сеточным управлением. Сформулированы требования к параметрам модулирующих импульсов.

В третьей главе, исходя из требований к параметрам питающих ЭВП СВЧ импульсов, определены технические требования к ИМ. Делается выбор в пользу схемы с частичным разрядом накопительной емкости и последовательным включением высоковольтного ключа и нагрузки.

Проведен обзор современных твердотельных коммутирующих приборов. Одиночные приборы не удовлетворяют требованиям, предъявляемым к ключам

ИМ, по напряжению, поэтому сделан вывод о необходимости использования последовательного включения нескольких коммутирующих приборов. Для удовлетворения требований по рабочим токам модулятора используется параллельное включение нескольких приборов. Исходя из особенностей работы составных ключей, составлена приведенная на рисунке 1 структурная схема ИМ, позволяющая обеспечить совместную работу большого числа последовательно включенных транзисторов.

Рис. 1. Структурная схема двухтактного модулятора, построенного на основе составных

ключей.

Здесь модулятор состоит из накопителя электрической энергии, зарядного и разрядного ключей, схемы управления и цепей ограничения тока нагрузки. Зарядный ключ формирует фронт импульса и его плоскую часть. Разрядный ключ формирует спад импульса и шунтирует нагрузку в паузах между импульсами. Цепи ограничения тока фиксируют максимальную величину тока через транзисторы ключей.

В качестве отдельных коммутирующих приборов целесообразно использовать транзисторы, управляемые напряжением, - МОП полевые транзисторы и биполярные транзисторы с изолированным затвором (БТИЗ).

7

Исходя из эквивалентных схем этих приборов, определено, что наибольшее влияние на работу составных ключей оказывают паразитные межэлектродные емкости и индуктивности выводов. Показано, что влиянием индуктивностей выводов можно пренебречь, а межэлектродные емкости включить в эквивалентные 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 ключом и передаваемый через схемы управления отдельными транзисторами, синхронно поступал на входные клеммы транзисторов. В составных ключах используют оптические, трансформаторные и емкостные схемы передачи управляющего сигнала. Указаны их достоинства и недостатки. Требования к габаритам, надежности и помехоустойчивости схем управления заставляют сделать выбор в пользу схем, построенных на основе импульсных трансформаторов (ИТ) (рисунок 3). При этом возможны два варианта построения таких схем (см. рисунок 4): на ИТ напряжения и ИТ тока.

Подмодуттор

Рис. 3. Структурная схема подмодулятора для схем с трансформаторной развязкой

8

Подмодулягор

Схема управления ячеякоя ib

i'C

Схема управления ячейкой

а) б)

Рис. 4. Схемы управления: а) с ИТ тока; б) с ИТ напряжения.

Приведены возможные конструктивные реализации этих схем. Так как трансформаторные схемы не позволяют передавать постоянную составляющую сигнала управления, приходится использовать специальные схемы хранения заряда (см. рисунок 5.6 и 5.в). Такие схемы за счет малого тока входного электрода транзисторов с полевым управлением позволяют формировать импульсы бесконечной длительности. Для открытия ключа достаточно зарядить входные емкости транзисторов коротким импульсом (50...500 не) положительной полярности и периодически (один раз в 50...500 мке) подзаряжать их импульсами такой же длительности. Для закрытия ключа необходимо подать импульс отрицательной полярности.

В качестве цепей выравнивания (или ограничения) напряжения, прикладываемого к выходным электродам транзисторов, используются резистивно-емкостные цепи и ограничительные диоды (рисунок 6).

£

С " ~

5

-о

а) б) в)

Рис. 5. Схемы управления отдельными транзисторами: а) без хранения заряда; б) с хранением заряда одной полярности; в) с хранением заряда двух полярностей.

D

о-

Dour

D

о-

D

о-

5

о-

5

о—

Rjwn

| Сдоп

S о-

а) б) в)

Рис. 6. Схемы выравнивания напряжений. 9

Эквивалент схемы вправления транзистором

Lcojt Rcojt

Транзистор Ь R„ "

Рис.7. Эквивалентная схема ячейки модулятора.

После определения элементной базы ячейки ключа составлена ее эквивалентная схема. Для удобства анализа схема управления ячейкой была заменена эквивалентной схемой, приведенной на рисунке 7. Эта схема учитывает основные особенности реальных схем: tD - задержка появления управляющего сигнала; 1СОит - паразитные индуктивности монтажа и рассеяния (для трансформаторных схем); RG0UT - активное сопротивление схемы управления; Ссоит - паразитная емкость монтажа, а также добавочная емкость, подключаемая между входными электродами; DCOUT - защитный диод, подключенный между входными электродами. В дальнейшем не учитываются особенности работы схем хранения заряда. Считается, что длительность управляющего импульса, подаваемого на вход схемы управления, равна длительности импульса запуска.

На рисунке 7 для силового транзистора: £с, LD, Ls - индуктивности выводов затвора, стока и истока, Rc, RB, Rs - сопротивления выводов затвора, стока и истока, Cas, CDG(UDS), CDS(UDS) - внутренние емкости между затвором и истоком, стоком и затвором, стоком и истоком, iDS(t, UGS, UDS) - ток выходного электрода силового транзистора, зависящий от напряжения, приложенного ко входной емкости Ccs, и прикладываемого к выходным электродам напряжения С/иг, Rf - сопротивление определяющее токи утечки транзистора в разомкнутом состоянии, D,ht - встроенный паразитный диод. UF(t-tD) - управляющее напряжение, зависящее от времени. Емкости CDG(UDS), CDS(UDS) нелинейно зависят от напряжения UDS, причем эти зависимости могут существенно отличаться для транзисторов разных марок.

Рассмотрены особенности обеспечения теплового режима отдельных элементов ключей. Для обеспечения электропрочности конструкции составных ключей целесообразно заполнять занимаемый ими объем твердыми, жидкими

10

или гелеобразными диэлектриками. Широко используются электроизоляционные керамические пластины из материалов с высокой теплопроводностью. В зависимости от выбранной конструкции модулятора тепловое сопротивление между силовыми транзисторами модулятора и окружающей средой может изменяться в диапазоне от 0,3 до 150 °С/Вт, а величины паразитных монтажных емкостей отдельных транзисторов на корпус изменяются от 0,5 до 20 пФ. Как правило, меньшему тепловому сопротивлению соответствует большая емкость.

Так как экспериментальное изучение процессов, протекающих в высоковольтных твердотельных модуляторах, сопряжено со значительными трудностями, целесообразно использование математического моделирования, позволяющего в широких пределах изменять параметры схем. Поэтому для упрощенной эквивалентной схемы ячейки модулятора, содержащей 6 узлов и 15 ветвей, были записаны уравнения для узловых токов и контурных напряжений. Исходя из условий непрерывности токов через индуктивности и напряжений на емкостях, была составлена система из 9 дифференциальных уравнений, описывающая процессы в ячейке.

На основе эквивалентной схемы двухтактного твердотельного модулятора с нагрузкой, а также зависимостей токов и напряжений в отдельных ячейках составляются уравнения, описывающие работу всей схемы.

С учетом сложности полученной системы уравнений, нелинейного характера зависимостей величин и в общем случае переменном числе неизвестных величин целесообразно численное ее решение.

В четвертой главе на основе разработанной математической модели проводится анализ процессов, происходящих в двухтактных модуляторах на различных этапах его работы. Исследования проводились с использованием схемы, содержащей по 10 ячеек в зарядном и разрядном ключах. Все ячейки построены на основе модели транзистора SPW17N80 (Infineon, США). Паразитная емкость ячеек на корпус принималась равной 1 пФ. Управление ячейками осуществлялось синхронно. Управляющее напряжение Urft) - задано идеальными прямоугольными импульсами с амплитудой 10 В и длительностью 300 не. Частота повторения импульсов составляет 1 кГц. Анализ работы ячеек проводится для четырех основных стадий работы модулятора: закрытое состояние, формирование фронта, плоская вершина импульса, спад импульса.

Отмечено, что в закрытом состоянии напряжения, прикладываемые к отдельным транзисторам, определяются токами утечки транзисторов и элементов цепи ограничения напряжения. Во время фронта и спада импульса

происходит перезаряд паразитных емкостей схемы. При протекании плоской части импульса зарядный ключ открыт, разрядный закрыт.

Рис. 8. Зависимость напряжений, прикладываемых к ячейкам модулятора, относительно среднего значения 1^0 от времени для: а) зарядного ключа; б) разрядного ключа.

В ходе проведения машинных экспериментов выявлена зависимость напряжения, прикладываемого к выходным электродам транзисторов после их закрытия, от места их расположения в модуляторе и величины паразитной емкости ячеек на корпус (см. рисунки 8 и 9). К транзисторам, располагающимся ближе к нагрузке, прикладывается большее напряжение, чем к остальным. Это приводит к увеличению мощности динамических потерь, выделяемой в этих транзисторах, что может привести к их перегреву.

Рис. 9. Зависимость напряжений, прикладываемых к ячейкам модулятора, и мощностей динамических потерь, рассеиваемых транзисторами, от номера ячейки.

Установившееся после закрытия транзисторов напряжение стремится к напряжениям для закрытого состояния с постоянной времени tpmp~RP-CDS, где RP - внутреннее сопротивление транзисторов в закрытом состоянии, CDS -паразитная емкость между выходными электродами транзистора. tpmp может составлять от 100 мкс до единиц секунд, что соизмеримо с периодом повторения импульсов. Далее принято, что распределение напряжений, установившееся после закрытия ключа, сохранится до его следующего переключения. Это требует детально изучить процессы, происходящие после

12

закрытия силовых транзисторов, оценить величины напряжений, прикладываемых к транзисторам. Составляется упрощенная схема ключа для этого режима работы - рисунок 10. Принимаются следующие допущения: все транзисторы ключа управляются синхронно; их параметры одинаковы и не зависят от прикладываемых к электродам напряжений.

1 СсПР! _ _Сс№2

Сснш

А о-

-о В

СвШ-еН Пр2

Рис. 10. Упрощенная эквивалентная схема составного ключа для закрытого состояния

- выходная эффективная по энергии емкость транзисторов ключа, Сат - паразитная емкость ячеек ключа на корпус).

Предварительно был проведен расчет собственной емкости ключа между точками А и Б по эквивалентной схеме (рисунок 10). Величина этой емкости определяет динамические потери в модуляторе и необходима для определения заряда, накопленного в системе, и дальнейшего расчета напряжений, прикладываемых к транзисторам. Зависимость этой емкости от числа ячеек в ключе N выражается рекуррентной формулой:

Ск(ЛО = \ск(ЛГ -1) ■ Сщ^]/[с,(ЛГ -1) + Сшх.,г ] + Сст, где С,(ЛГ-П- емкость ключа, состоящего из (N-1) ячейки. Эта формула при N-ко преобразуется в выражение: СКЕГ =(сат + +4■Сско |/2.

Напряжения, прикладываемые к выходным электродам транзисторов, рассчитываются по рекуррентной формуле:

и(М)=иР5 ■ СКЕУ т ■ [Ск№ - !)■- ск • СК (Л' -1)] ■

Видно, что эти напряжения зависят от номера ячейки и их числа в ключе, величин паразитных емкостей транзисторов на корпус и между выходными электродами (см. рисунок 11). Так как перенапряжения на транзисторах могут существенно превышать среднее значение Х^о, то делается вывод о необходимости устранения указанной зависимости напряжения.

Так как появление различий в напряжениях, прикладываемых к выходным электродам отдельных транзисторов ключа, обусловлено дисбалансами распределения зарядов между элементами схемы, то предложен способ выравнивания этих напряжений с помощью дополнительных емкостей, подключаемых параллельно выходным электродам транзисторов (см рисунок 12).

13

им/и»

~' Сс.чо= 10 пФ Сот^ пФ

Сг.м>=2 пФ

Со*г>=1 пФ

■ Емкость ключа, пФ

Чис..,о„сс,п™„с Чиш.,е«.к»„

Рис. 11 .а. Напряжения, прикладываемые к Рис. 11.6. Зависимость собственной емкости ячейкам модулятора =100пФ). ключа от числа ячеек = 100пФ).

Рис. 12. Схема подключения дополнительных выравнивающих емкостей.

Исходя из критерия равенства напряжений, прикладываемых к выходным электродам транзисторов, проведен расчет величин дополнительных емкостей. Получена их зависимость от номера ячейки и величины паразитной емкости транзисторов на корпус (рисунок 14.а):

Сдот(Л0 = 0,5-Ссл,о.(^-1/2)2. (1)

Численный расчет напряжений, прикладываемых к различным ячейкам модулятора, после подключения дополнительных емкостей показал их практически полное равенство (см. рисунок 13).

* Величина емкости Само и —.ШрлсЛУрлсо Вслпчшга емкости Сс\п

Рис. 13. Зависимость напряжений, прикладываемых к различным ячейкам модулятора, и мощностей динамических потерь, рассеиваемых транзисторами, от номера ячейки при использовании дополнительных емкостей.

Дополнительная емкость, пФ

Рис. 14.а. Зависимость величины дополнительной емкости от номера ячейки ПРИ Свих-,1, = ШпФ.

"20 1эо и ~ I-т-1--—|--,

Число ячеек в ключе '20 1зо

Число ячеек в ключе

Рис. 14.6. Зависимость собственной емкости ключа от числа ячеек при введении дополнительных емкостей при Свь«-,« = Ю0пФ.

При введении дополнительных емкостей изменяется величина собственной емкости твердотельного ключа Ск{Щ = [о,5• Сст -(N-1/2)'+ СВЬ1Х_11Г N + Сат (рисунок 14.6).

В этом случае при числе ячеек, большем N = РГс / /г

грани«». \ ^ ' V СТО

собственная емкость ключа увеличивается пропорционально числу ячеек, в результате увеличиваются динамические потери в ключе 1Удш,~Ск-/-иР52. Во время открытия ключа дополнительные емкости начинают разряжаться через внутренние сопротивления транзисторов. В результате процесс переключения некоторых транзисторов замедляется, в этот промежуток времени на них возможно появление выбросов напряжения.

В общем случае распределение напряжений между отдельными транзисторами в составных ключах в динамическом режиме зависит от паразитных параметров ячеек и величин относительных задержек появления управляющих напряжений на их входных электродах. Показана возможность введения дополнительных элементов в цепи управления для влияния на распределение напряжений между транзисторами. Для выравнивания напряжений, прикладываемых к транзисторам ключа, во время открытия и закрытия для каждого транзистора необходимо обеспечить разные задержки в управлении. Это можно обеспечить разделением схемы управления ячейкой с помощью диодов на две части: зарядную и разрядную (см. рисунок 15). Это дает возможность в некоторых пределах отдельно управлять задержкой включения и выключения каждого транзистора составного ключа.

01

л?

4<]—с

то

ВД

-о С

/и

5

Рис. 15. Схема управления с разделением цепей заряда и разряда входной емкости.

Проводится анализ влияния несинхронности управления отдельными транзисторами, обусловленного наличием естественной задержки распространения сигнала управления вдоль линии его передачи (рисунок 16.а). Исходя из критерия отсутствия перенапряжений на отдельных транзисторах, рассчитаны предельно допустимые задержки переключения транзисторов в соседних ячейках при линейном изменении задержки появления управляющего сигнала в ключе (рисунок 16.6).

1 Л г.

>т=

--1

(2)

I

где кисп - коэффициент использования транзисторов по напряжению, тф - время

переключения транзисторов, N - число транзисторов в ключе, =1-[Л0С/,-Сю(£/М1^)-(Л'-1)]/[лг-Тф] - коэффициент уменьшения напряжения,

прикладываемого к ключу, за счет перераспределения напряжений между ключом и токоограничивающим сопротивлением Яогр. На рисунке 17 приведены графики зависимостей допустимой относительной задержки переключения транзисторов от числа ячеек для разных значений коэффициента использования транзисторов по напряжению.

.....-1- .

1„

Схема хтоаалеми! ячеяноя

Т~

щрш

Лл

Схема оаьлени яиеякоя

Рис. 16.а.

и и

Схема

управления

ячеякоя

/V итж

¿1-Ш-1)

Расположение ячеек между собой.

Рис. 16.6. Зависимость напряжений, прикладываемых к ячейкам ключа, от времени при линейном нарастании задержки появления управляющего сигнала.

управляющего напряжения между соседними ячейками от числа ячеек при различных коэффициентах использования транзисторов по напряжению (кт = 1).

Рассматривается влияние паразитной индуктивности нагрузки на форму плоской вершины импульса. Эквивалентная схема нагрузки для рассматриваемого случая приведена на рисунке 18. Для упрощенного случая постоянной величины сопротивления нагрузки проводится расчет минимально допустимой величины сопротивления ограничительного резистора, обеспечивающего апериодический характер нарастания напряжения на фронте

импульса:

3 1 СЮЛО ) 1 ^ОАй + 2 ' лД

'¿ОАО ^ ,

при

длительность фронта для случая Ксп, = Нп

I

будет рассчитываться по формуле:

^оп

,-с„

где С/ /с/

уровень,

¿ОАО ' К-1_ОАО ^ЮАО ,

относительно которого проводится измерение длительности фронта. На рисунке 19 приведены типовые зависимости напряжения на нагрузке от времени при разных значениях Иогр.

12 — и^АпЛЛолоо 11О!!=0.8Коггмлы:

Ьоло

Сим

¡<ыак((}

Рис. 18. Упрощенная схема цепи нагрузки.

Рис. 19. Зависимость напряжения на нагрузке от времени при разных значениях Когр.

Ограничения на предельно допустимые величины частоты повторения импульсов и их скважности определяются предельно допустимой мощностью Ра„т рассеиваемой элементами твердотельных модуляторов, при которой их температура не превысит максимально допустимого значения - Тмакс при заданных условиях отведения теплоты. Наиболее чувствительными к перегреву оказываются транзисторы, составляющие ключи. Поэтому Рд0„ = Ррасмкс -Ы, где Ррасмтс=(Тмакс-То,р)/Р-,-о«р - максимально допустимая мощность рассеяния одного транзистора ключа, N - число транзисторов в ключе, Т„акс - максимально допустимая температура кристалла, Токр - температура окружающей среды. Кк-окр - тепловое сопротивление промежутка «кристалл - окружающая среда». Этот параметр сильно зависит от условий работы транзисторов и конструкции

Рис. 20. Зависимость допустимой частоты повторения импульсов от скважности (штриховкой показана область допустимых режимов работы модулятора).

Исходя из требований обеспечения теплового режима работы твердотельных ключей, определяются ограничения на допустимые режимы работы модулятора по частоте и скважности: Рдоп <(РСтат/0.+№дин■/), где Рстат -мощность, выделяемая в модуляторе в статическом режиме, £> - скважность последовательности импульсов, - энергия, выделяемая в модуляторе при формировании одного импульса,/- частота повторения импульсов. Получена зависимость предельно допустимой частоты повторения импульсов от скважности /маКс(0)=(Рдоп-Рстап/0)/№д11Н (см. рисунок 20). Здесь штриховкой обозначена область допустимых режимов работы ИМ по частоте и скважности формируемых импульсов.

Определена предельная частота повторения импульсов: /Макс=Рдо^дит при скважности, стремящейся к бесконечности, при этом скважность принимает большие значения за счет уменьшения длительности импульса. Определена минимальная скважностъ-^мин=Рстат/Рд0п, при частоте повторения импульсов, стремящейся к нулю, то есть при формировании длинных импульсов с короткими паузами между ними.

На всех стадиях работы твердотельного модулятора в его элементах (см. рисунок 21) рассеиваются активные мощности потерь. На рисунке 22 приведен

график численно рассчитанных мощностей потерь, рассеиваемых в узлах модулятора, для случая питающего напряжения 15 кВ, тока нагрузки 15 А, величины сопротивлений Яп, Я,2, Я2 составляют по 100 Ом, ключи модулятор^ состоят из 20 транзисторов марки 8Р\У17Ш0.

Зарядный клоц

Разрядный ключ Рис. 21. Структурная схема двухтактного модулятора.

В пятой главе с целью проверки полученных результатов исследований разработан экспериментальный макет двухтактного модулятора (см. рисунок 23). В схему введены сосредоточенные емкости CGND=C(s_GND)l=C(D.GNDr~4,7 пФ, подключаемые между выводами истоков (или стоков) транзисторов и корпусом модулятора. Эти емкости позволяют более четко проявить зависимость напряжения, прикладываемого к отдельным транзисторам, от номера ячейки. Также эти емкости совместно с емкостями CDm образуют емкостные делители напряжения, которые позволяют производить измерения прикладываемых к отдельным транзисторам модулятора напряжений. Ключи модулятора состоят из 10 транзисторов марки SPW17N80 (Infineon, США) каждый. Величины ограничительных сопротивлений R„, RI2 были выбраны с учетом допустимой величины тока транзисторов и равны 100 Ом.

Выбрана линейная конструкция модулятора с управляющими ИТ тока, так как она позволяет обеспечить монтажную доступность элементов схемы в отсутствии электропрочной заливки объема модулятора электроизоляционными материалами. Разработана конструкция всего стенда (см. рисунок 24).

19

Рис. 23. Принципиальная схема экспериментального стенда.

Рис. 24. Конструкция экспериментального макета модулятора.

После экспериментального определения на стенде вольтфарадных характеристик отдельных транзисторов (емкостей СМ(7У0&), Сос(ио$)) и измерения параметров элементов стенда (сопротивлений и емкостей) они были внесены в математическую модель модулятора. В дальнейшем при одинаковых условиях проводились натурный и машинный эксперименты.

Для определения устойчивости полученных решений эксперименты проводились для нескольких значений напряжения питания модулятора, которые соответствуют разным коэффициентам использования транзисторов по напряжению. В ходе экспериментов изменялись величины сопротивления нагрузки и ее паразитной емкости. Экспериментально получены зависимости напряжений, прикладываемых между выводами истоков транзисторов и корпусом модулятора (см. рисунки 25, 26), а также напряжения, прикладываемые между выходными электродами транзисторов (см. рисунок 27).

1Шр

-0.2 -0.4-0.6 -0.8 •1

-и»,/и« и»/и,5

июло/ирэ

а

I

О 200 400

а)

Рис. 25. Напряжения, прикладываемые к выводам стоков транзисторов относительно корпуса, полученные в натурном эксперименте: а) для зарядного ключа; б) для разрядного

ключа.

и°/ир5 и019/1)р;

11о/и

1 иЮЛо/Урв

и«./11« /

800 Время, не

Рис. 26. Напряжения, прикладываемые к выводам стоков транзисторов относительно корпуса, полученные в машинном эксперименте: а) для зарядного ключа; б) для разрядного

ключа.

ию/и„

Разрядный ключ Уозп/иозо

Зарядный ключ Уовю/иово

Разрядный ключ

иови/иово

Зарядный ключ

иозю/иозо

800 Время, не

Рис. 27. Эпюры напряжений между выходными электродами транзисторов ключа: а) натурный эксперимент; б) машинный эксперимент.

Сопоставление этих зависимостей для натурного и машинного экспериментов показали совпадение результатов моделирования с экспериментальными со значением СКО менее 25%.

и^х/и им

Зарядный ключ

Зарядный ключ

Разрядный ключ а -Расчет • -Эксперимент

Номер ячейки п

I Ч Ч Ч 1 I ' I ч ч ч ч

Номер ячейки

ч ч ч ч

ч ч ч ч

о 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20

б) с дополнительными емкостями

о 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20

а) без дополнительных емкостей Рис. 28. Зависимость напряжений, прикладываемых к ячейкам, от их номера при кисп = 0,27: а) без дополнительных емкостей; б) с дополнительными емкостями.

и^я/ио«

Зарядный ключ

Разрядный ключ ▲ -Расчет • -Эксперимент

Номер ячейки

"ГТ~Г~Р~Т~ГТ~Н

I ч ч ч ч

О 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20

а) с дополнительными емкостями

Ч Ч Ч 1

о 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20

а) без дополнительных емкостей Рис. 29. Зависимость напряжений, прикладываемых к ячейкам, от их номера при к„с„ = 0,54: а) без дополнительных емкостей; б) с дополнительными емкостями.

-Н~1-РП~ГТ~ЧЧ~ГТ~ГТ~ГТ~П 1

о 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20

а) без дополнительных емкостей а) с дополнительными емкостями

Рис. 30. Зависимость напряжений, прикладываемых к ячейкам, от их номера при кисп = 0,81: а) без дополнительных емкостей; б) с дополнительными емкостями.

Для трех значений коэффициентов использования по напряжению были получены зависимости напряжений, прикладываемых к выходным электродам транзисторов в закрытом состоянии в динамическом режиме, от номера ячейки модулятора (см. рисунки 28-30). Эти зависимости несколько различаются для натурного и машинного экспериментов, однако во всех случаях, к ячейкам, располагающимся ближе к нагрузке, прикладывается большее напряжение. В натурном эксперименте эта зависимость выражена сильнее.

С целью проверки предложенного способа выравнивания напряжений, прикладываемых к выходным клеммам транзисторов в закрытом состоянии в динамическом режиме, по предложенной формуле (1) был проведен расчет величин добавочных емкостей. Полученные значения были скорректированы с учетом доступных величин стандартных рядов номиналов емкости конденсаторов. После установки добавочных емкостей в ячейки модулятора были повторно проведены эксперименты для трех значений коэффициентов использования по напряжению.

Сравнение зависимостей напряжений, прикладываемых к выходным электродам транзисторов, от номера ячейки для натурных и машинных экспериментов показало хорошие результаты (см. рисунки 29-30). Напряжения, прикладываемые к ячейкам ключей, практически равны друг другу. Таким образом, можно считать практически подтвержденным предположение о возможности выравнивания напряжений, прикладываемых к выходным электродам транзисторов в закрытом состоянии в динамическом режиме, с помощью дополнительных конденсаторов, подключаемых параллельно выходным электродам транзисторов, величина которых рассчитывается по формуле (1).

В заключении сформулированы основные результаты и выводы по диссертационной работе.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ

1. Проведен анализ ЭВП СВЧ как нагрузок импульсных модуляторов. Определены основные типы приборов, используемых на практике, типовые значения питающих их напряжений лежат в диапазоне от 2кВ до ЮОкВ и более. Показано существенное влияние питающих напряжений ЭВП СВЧ на параметры генерируемых импульсов. Определены требования к параметрам радиоимпульсов, формируемых в передатчиках, для различных применений. Наиболее жесткие требования к параметрам импульсов предъявляются в РЛС с системами селекции движущихся целей. Показано, что для таких систем

требуется обеспечить стабильность напряжения плоской части импульса порядка 0,4% и 0,04% при коэффициенте улучшения 20 и 40 дБ соответственно.

2. Проведен анализ схем построения импульсных модуляторов для питания ЭВП СВЧ. Показано, что схемы с частичным разрядом емкостного накопителя совместно с твердотельными составными ключами, построенными на транзисторах с полевым управлением, позволяют обеспечить следующие параметры импульсов напряжений, питающих ЭВП СВЧ: длительность фронта от 20 не, длительность импульса от 40 не до со, частота повторения импульсов до единиц МГц. Для удовлетворения требований по рабочим напряжениям и токам необходимо использовать последовательно-параллельное включение нескольких транзисторов.

3. Для схемы двухтактного модулятора, учитывающей паразитные параметры отдельных элементов, разработана математическая модель. С её использованием проведено исследование процессов, происходящих в модуляторе во время различных стадий его работы. Выявлена зависимость напряжения, прикладываемого к выходным электродам транзисторов модулятора при их закрытии, от номера ячейки, величины паразитной емкости транзисторов на корпус модулятора, выходной емкости транзисторов. Показано, что установившееся после закрытия транзисторов напряжение сохраняется в течении времени от 100 мке до единиц секунд.

4. Предложен новый способ выравнивания напряжений, прикладываемых к отдельным транзисторам, в динамическом режиме с использованием дополнительных конденсаторов, подключаемых параллельно выходным клеммам транзисторов. Величины емкостей этих конденсаторов определяются номером ячейки модулятора и величиной паразитной емкости транзисторов на корпус модулятора. Показано, что при использовании дополнительных емкостей происходит увеличение собственной емкости ключа и динамических потерь в нем.

5. Определена предельная задержка начала переключения транзисторов составного ключа между собой. Эта задержка определяется быстродействием отдельных транзисторов, их числом, коэффициентом использования транзисторов по напряжению и параметрами токоограничивающих цепей.

6. Предложена методика расчета предельных режимов работы составных ключей по частоте и скважности. Показано влияние собственной емкости составных ключей на эти параметры.

7. Рассчитана величина ограничительного сопротивления, при которой модулирующее напряжение во время фронта импульса изменяется по апериодическому закону. Для данной величины ограничительного сопротивления рассчитана длительность фронта импульса.

8. Проведены натурный и машинный эксперименты с полномасштабной схемой двухтактного модулятора. Полученные для двух экспериментов временные зависимости напряжений в различных точках модулятора были сопоставлены между собой. Практически подтверждено наличие зависимости напряжений, прикладываемых к выходным электродам транзисторов в закрытом состоянии в динамическом режиме, от номера ячейки, а также подтверждена возможность выравнивания этих напряжений с использованием дополнительных емкостей.

9. Проведенные расчеты, а также разработанные методики расчета параметров составных ключей позволяют создавать импульсные модуляторы с заранее определенными параметрами и высокой надежностью.

РАБОТЫ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ

Работы, опубликованные автором в рецензируемых журналах, рекомендованных ВАК Министерства образования и наук РФ:

1. Платонов С.А. Влияние паразитных параметров на разброс напряжений в высоковольтных твердотельных ключах, построенных по последовательной схеме // Вестник МГТУ им. Н.Э. Баумана. Приборостроение. 2012. Спецвыпуск №7. С. 60-69. (0.45 п.л.) (в соавторстве с Казанцевым В.И., Сергеевым В.Г. авт. вклад 0.25 п.л.)

2. Платонов С.А. Распределение напряжений между транзисторами в высоковольтных твердотельных ключах, построенных по последовательной схеме // Электронная техника, серия 1 СВЧ-техника. 2012. №3(514). С. 4-12. (0.45 п.л.) (в соавторстве с Казанцевым В.И., Сергеевым В.Г. авт. вклад 0.25 п.л.)

3. Платонов С.А. Потери в анодных твердотельных модуляторах, построенных по последовательной схеме // Электронная техника, серия 1 СВЧ-техника. 2012. №4(515). С. 27-38. (0.67 п.л.) (в соавторстве с Казанцевым В.И., Сергеевым В.Г. авт. вклад 0.4 п.л.).

4. Платонов С.А. Высоковольтные импульсные модуляторы // Наука и образование. Электронное научно-техническое издание. 2011 г. №11. URL. http://technomag.edu.ru/doc/255442.html (дата обращения 30.05.2013). (0.23 пл.) (в соавторстве с Казанцевым В.И., Сергеевым В.Г. авт. вклад 0.1 п.л.).

5. Платонов С.А. Техника твердотельных высоковольтных импульсных модуляторов для питания ЭВП СВЧ // Электронная техника, серия 1, СВЧ-

техника. 2013. №3(518). С. 180-185. (0.32 п.л.) (в соавторстве с Казанцевым В.И., Сергеевым В.Г. авт. вклад 0.2 п.л.).

6. Платонов С.А. Влияние задержек появления управляющего сигнала на работу составных высоковольтных твердотельных ключей // Электронная техника, серия 1, СВЧ-техника. 2014. №2(521). С. 14-22. (0.43 п.л.).

Другие работы, опубликованные автором по теме диссертации:

7. Платонов С.А. Высоковольтные импульсные модуляторы // Тезисы докладов. 30-ая Всероссийская научно-техническая конференция «Проблемы эффективности и безопасности функционирования сложных технических и информационных систем». ФГКВОУ ВПО «Военная академия ракетных войск стратегического назначения имени Петра Великого» МО РФ. г. Серпухов, 2011 (0.2 п.л.) (в соавторстве с Казанцевым В.И., Сергеевым В.Г. авт. вклад 0.05 п.л.).

8. Платонов С.А. Исследование импульсных высоковольтных модуляторов // Тезисы докладов. Всероссийская конференция «Радиооптические технологии в приборостроении». Туапсе, 2012 (0.25 п.л.) (в соавторстве с Казанцевым В.И., Сергеевым В.Г. авт. вклад 0.1 п.л.).

9. Платонов С.А. Техника твердотельных высоковольтных импульсных модуляторов для питания ЭВП СВЧ // Тезисы докладов. Всероссийская научно-техническая конференция. «СВЧ-электроника. 70 лет развития». ФГУП «НЛП «Исток», г. Фрязино, 2013 (0.09 п.л.) (в соавторстве с Казанцевым В.И., Сергеевым В.Г. авт. вклад 0.02 п.л.).

Лицензия ЛР № 020832 от 15 октября 1993 г. Подписано в печать «/<?» ОЗ 20/#\ Формат 60x84/16 Бумага офсетная. Печать офсетная.

Усл. Печ. Л_

Тираж 110 экз. Заказ №

Типография издательства НИУ ВШЭ 125319, г. Москва, Кочновский пр-д, д. 3