Транзисторные генераторы мощных прямоугольных импульсов с субмикросекундной длительностью

Аннотация

Приведены результаты сравнительных исследований генераторов мощных субмикросекундных импульсов прямоугольной формы, в которых коммутатор выполнен в виде транзисторного блока с трансформаторной цепью управления. Рассмотрен блок из десяти последовательно соединенных транзисторов, способный на частоте 2 кГц коммутировать в резистивную нагрузку 150 Ом прямоугольные импульсы тока с амплитудой 50 А и длительностью до 1 мкс, имеющие фронт и спад менее 50 нс. Определена возможность увеличения коммутируемой мощности путем увеличения силового напряжения до десятков кВ.

Полный текст

1. ВВЕДЕНИЕ

В настоящее время в мощной импульсной технике широко используются генераторы наносекундных импульсов на основе транзисторных коммутаторов, имеющих рабочий ток десятки ампер и очень малые (десятки нс) времена включения и выключения. Фундаментальные физические ограничения не позволяют обеспечить такие коммутационные характеристики с помощью высоковольтных транзисторов. Поэтому высокое рабочее напряжение коммутаторов достигается при использовании большого количества последовательно соединенных транзисторов со сравнительно малым предельно допустимым напряжением (порядка 1 кВ). В результате определенной проблемой является разработка цепей управления (ЦУ), которые должны иметь высокую электрическую прочность и обеспечивать синхронное приложение к затворам транзисторов импульсов запускающего напряжения.

Традиционные цепи управления высоковольтных транзисторных коммутаторов содержат специальные драйверы с оптическим запуском, подключенные к затворам транзисторов. Основными недостатками таких ЦУ являются их сравнительно большая стоимость и необходимость гальванической развязки источников питания драйверов на полное напряжение силовой цепи.

В связи с этим достаточно перспективными представляются недорогие трансформаторные ЦУ [1, 2], в которых первичные обмотки запускающих трансформаторов соединены последовательно, а вторичные обмотки подключены к затворам транзисторов. При коммутации в цепь первичных обмоток импульса тока управления к затворам одновременно прикладываются импульсы запускающего напряжения, обеспечивающие синхронное включение транзисторов. Определенным достоинством трансформаторных ЦУ является возможность создания высоковольтной гальванической развязки от элементов силовой цепи при выполнении первичных обмоток трансформаторов в виде одного надежно изолированного витка. К недостаткам ЦУ с одновитковыми запускающими трансформаторами можно отнести большие габариты трансформаторов, которые определяются необходимостью формирования на затворах транзисторов импульсов напряжения в течение всего процесса коммутации силового тока. Однако если длительность силового тока мала, то габариты трансформаторов могут быть невелики.

В статье [3] описан генератор субмикросекундных импульсов колоколообразной формы, содержащий силовой конденсатор и коммутатор в виде блока последовательно соединенных IGBT-транзисторов IRGPS60B120KDР, которые переключались с помощью малогабаритных трансформаторов, имеющих кольцевые ферритовые сердечники с размерами 16×9.6×6.3 мм³. При полном разряде силового конденсатора генератор обеспечивал коммутацию в резистивную нагрузку импульсов тока с длительностью до 1.5 мкс, имеющих амплитуду около 200 А и фронт около 20 нс. Малые коммутационные потери энергии в транзисторах достигались в результате создания высокой амплитуды и скорости нарастания импульсов тока во вторичных обмотках трансформаторов.

В статье рассматриваются возможности создания генератора субмикросекундных прямоугольных импульсов на основе высоковольтного транзисторного коммутатора, в котором длительность тока, коммутируемого в резистивную нагрузку, может плавно регулироваться путем выключения транзисторов при несущественном разряде силового конденсатора.

2. ОПИСАНИЕ ОПЫТНОГО ГЕНЕРАТОРА

На рис. 1 приведена электрическая схема опытного генератора, разработанная на основе схемотехнического решения, описанного в работе [3]. Она содержит силовую цепь C₀–R₀, коммутатор в виде блока транзисторов Т и цепь управления коммутатора на основе транзистора Т_у.

Рис. 1. Электрическая схема опытного генератора: D – BZV55C15; Тр: w₁ = 1, w₂ = 3 (сердечник – феррит № 87 фирмы Epcos с размерами 16×9.6×12.6 мм³); V – МIC4452.

Управление транзистором Т_у осуществляется с помощью драйвера V, который содержит два выходных микротранзистора Т₁, Т₂, подключенных, соответственно, между выводами 8, 7 и 6, 5. В исходном состоянии микротранзистор Т₁ выключен, а Т₂ включен. В результате транзистор Т_у надежно выключен, так как его затвор зашунтирован цепью, состоящей из включенного микротранзистора Т₂ и низкоомного резистора R₂. При приложении к выводам 2, 4 входного сигнала U_вх в схеме драйвера V происходит одновременное выключение Т₂ и включение Т₁. В результате обеспечивается протекание тока через резистор R₁, и на затвор транзистора Т_у подается импульс запускающего напряжения.

При включении Т_у в первичные обмотки w₁ трансформаторов Тр коммутируется запускающий ток I_w1, являющийся током разряда конденсатора С_у. Длительность этого тока регулируется путем изменения длительности сигнала U_вх. В результате через вторичные обмотки трансформаторов Тр протекают токи I_w2, которые осуществляют быструю и синхронную зарядку емкостей затворов транзисторов Т до напряжения включения. Амплитуда импульсов напряжения на затворах ограничивается на допустимом уровне стабилитронами D. После включения Т цепь управления С_у–R_у–Т_у обеспечивает приложение к их затворам напряжения, необходимого для поддержания высокой проводимости. При этом до момента выключения транзисторов Т к нагрузке R₀ прикладывается напряжение зарядки конденсатора С₀, и через нее протекает силовой ток I. Если емкость конденсатора С₀ достаточно велика, то ток I практически не изменяется.

В момент окончания сигнала U_вх в схеме драйвера V одновременно изменяется состояние микротранзисторов Т₁, Т₂: Т₁ выключается, а Т₂ включается. В результате обеспечивается уменьшение напряжения на затворе транзистора Т_у, обусловленное отсутствием тока через резистор R₁ и разрядом емкости затвора через резистор R₂. Когда напряжение на затворе становится меньше необходимого для поддержания включенного состояния, транзистор Т_у выключается, и ток I_w1 уменьшается до нуля. После окончания тока I_w1 напряжение U_у на затворах транзисторов Т уменьшается в результате разряда их собственных емкостей через резисторы R. Транзисторы Т выключаются, когда величина напряжения U_у становится меньше порогового значения. В процессе выключения Т к транзисторному блоку прикладывается напряжение зарядки конденсатора С₀, и ток через нагрузку R₀ уменьшается до нуля.

В опытном генераторе амплитуды прямоугольных импульсов тока I_w1, I регулировались путем изменения напряжения зарядки конденсаторов С_у, С₀ (U_Cу, U_C0). В качестве Т_у и Т использовались различные типы транзисторов, паспортные характеристики которых допускали возможность формирования мощных импульсов тока с фронтом и спадом менее 100 нс. Для получения высокой скорости нарастания силового тока цепь разряда конденсатора C₀ имела малую монтажную индуктивность (не более 200 нГн). Выбранная величина сопротивлений R = 5 Ом обеспечивала сравнительно малые потери энергии при формировании на затворах транзисторов Т импульсов напряжения, необходимых для поддержания высокой проводимости, и она позволяла быстро разрядить емкости затворов в процессе выключения транзисторов.

Ниже описаны результаты исследований опытного генератора, в котором запускающий транзистор Т_у и транзисторы Т силового блока были выполнены в виде недорогих и доступных IGBT-транзисторов IRGPS60B120KDР с рабочим током 100 А и рабочим напряжением 1200 В.

3. РЕЗУЛЬТАТЫ ЭКСПЕРИМЕНТОВ

Эксперименты с транзисторными блоками, состоящими из произвольно выбранных транзисторов IRGPS60B120KDР, показали, что в условиях формирования субмикросекундных прямоугольных импульсов силового тока I транзисторы Т выключаются практически синхронно, но с существенной задержкой относительно момента окончания тока запуска I_w1. При достигнутой скорости нарастания силового тока (около 2.5 кА/мкс) малые потери энергии при включении Т обеспечивались, когда амплитуда импульсов тока I_w2 через вторичные обмотки Тр превышала 5 А. С целью уменьшения амплитуды тока в цепи C_у–R_у–T_у трансформаторы Тр были выполнены с небольшим коэффициентом трансформации (w₁ = 1, w₂ = 3). Площадь сечения сердечников Тр составляла примерно 40 мм². Она позволяла формировать на затворах транзисторов прямоугольные импульсы напряжения, имеющие достаточную большую амплитуду и длительность до 1.5 мкс.

На рис. 2 приведены типичные осциллограммы, полученные в результате исследований опытного генератора при U_С0 = 2 кВ и R₀ = 20 Ом. Здесь I_w1 и I – осциллограммы тока в ЦУ и в силовой цепи, U_Т и U_у – осциллограммы напряжения на нижнем транзисторе Т и на его затворе.

Рис. 2. Осциллограммы силового тока I, напряжения U_Т на транзисторе Т, напряжения U_у на затворе транзистора Т и тока запуска I_w1 в цепи управления. Масштабы по вертикали: тока I – 25 А/дел., напряжения U_Т – 200 В/дел., напряжения U_у – 5 В/дел., тока I_w1 – 10 А/дел., по горизонтали – 100 нс/дел.

Из представленных осциллограмм следует, что при протекании тока I = 100 А напряжение U_Т на транзисторе Т мало. В процессе выключения Т напряжение U_Т нарастает плавно, что свидетельствует о синхронной работе транзисторной пары. В конце процесса выключения транзисторов Т_у и Т на кривых токов I_w1 и I формируются характерные для IGBT-транзисторов участки с малой скоростью убывания, обусловленные носителями, накопленными при протекании силового тока. Длительность запускающего тока I_w1 составляет около 450 нс. Она существенно меньше длительности тока I, так как после выключения Т_у к затворам транзисторов Т приложено напряжение U_у, которое плавно убывает в результате разряда их емкостей через резисторы R. Поскольку используемые транзисторы IRGPS60B120KDР имеют большую рабочую площадь и, соответственно, большую емкостью затворов, время убывания напряжения U_у до нуля составляет примерно 400 нс. Полученный результат показывает, что в рассмотренной схеме мощные транзисторы IRGPS60B120KDР практически не могут обеспечить длительность тока I менее 400 нс.

В связи с этим было проведено сравнительное исследование опытного генератора при замене IGBT-транзисторов IRGPS60B120KDР на IGBT-транзисторы IRG4PF50WD с рабочим напряжением 900 В и паспортным значением силового тока 50 А, которые имели примерно в два раза меньшую емкость затвора.

Эксперименты проводились при использовании ранее рассмотренной цепи управления с сопротивлением R₀ = 30 Ом. Амплитуда силового тока регулировалась до 50 А. Максимальное напряжение зарядки конденсаторов С_у и С₀ составляло 800 В и 1.6 кВ.

На рис. 3 приведены осциллограммы импульсов тока I₁ – I₄ через блок из двух последовательно соединенных транзисторов IRG4PF50WD и напряжения U_у на затворе нижнего транзистора. Они получены при одинаковой длительности запускающего тока (около 100 нс) и разных значениях сопротивлений R и токов I_w2.

Рис. 3. Осциллограммы напряжения U_у на затворе IRG4PF50WD и токов I₁–I₄ через транзисторный блок. Масштабы по вертикали: токов I₁–I₄ – 15 А/дел., напряжения U_у – 10 В/дел., по горизонтали – 40 нс/дел.

Осциллограммы I₁, I₂ соответствуют экспериментам при значениях тока I_w2 = 8 А и сопротивлений R = 10 Ом и 5 Ом. Они показывают, что длительность силового тока можно уменьшать путем уменьшения сопротивления R. Поскольку очень малая величина R обусловливает чрезмерное увеличение тока в ЦУ, использование сопротивления менее 5 Ом представляется нежелательным. Осциллограммы I₂, I₃ и I₄ получены при R = 5 Ом и токах I_w2 с амплитудами 8, 6 и 5 А. Из них следует, что длительность силового тока может быть уменьшена в результате уменьшения амплитуды токов I_w2. Осциллограмма U_у иллюстрирует напряжение на затворе IRG4PF50WD при R = 5 Ом и I_w2 = 5 А. Она свидетельствует о том, что при таком сравнительно малом токе I_w2 время нарастания напряжения на затворе Т до паспортного значения (около 17 В) составляет примерно 70 нс. Полученный результат показывает нецелесообразность использования импульсов тока I_w1 с длительностью менее 100 нс, так как при этом напряжение на затворе транзистора Т может не достигнуть пороговой величины, необходимой для его включения.

Таким образом, проведенные эксперименты показывают, что в схеме на рис. 1 при использовании IGBT-транзисторов IRG4PF50WD минимальная длительность силового тока ограничена на уровне около 200 нс.

В рассмотренном опытном генераторе при тех же параметрах импульсов тока запуска транзисторов минимальная длительность силового тока была уменьшена до 110 нс, когда в качестве Т_у и Т были использованы MOSFET-транзисторы C2M0160120D на основе карбида кремния (SiC). Они имели большее, по сравнению с IRG4PF50WD, рабочее напряжение (1200 В) и в 3 раза меньшую емкость затвора. Основными недостатками транзисторов C2M0160120D являлись высокая стоимость и сравнительно малое паспортное значение силового тока (20 А). Кроме того, вследствие малой длительности процесса выключения на SiC-транзисторах Т_у и Т возникали опасные всплески напряжения, обусловленные высокой скоростью изменения тока через монтажные индуктивности цепи управления и силовой цепи. Амплитуды этих всплесков были существенно уменьшены в результате увеличения сопротивлений R₂ и R, определяющих время разряда емкостей затворов транзисторов Т_у и Т. Так, увеличение сопротивления R₂ с 1 до 5 Ом позволило примерно в 2 раза уменьшить амплитуду всплеска напряжения на Т_у при его выключении. В результате увеличения сопротивления R с 5 до 10 Ом напряжение на транзисторе Т в процессе его выключения не превышало величину рабочего напряжения.

На рис. 4 приведены характерные осциллограммы силового тока I с амплитудой около 20 А и длительностью около 110 нс и напряжения U на блоке из двух последовательно соединенных транзисторов C2M0160120D. Они получены при использовании сопротивления R₀, равного примерно 100 Ом, и импульсов тока I_w2 с амплитудой примерно 5 А.

Рис. 4. Осциллограммы силового тока I и напряжения U на блоке SiC-транзисторов. Масштабы по вертикали: тока – 5 А/дел, напряжения – 500 В/дел., по горизонтали – 20 нс/дел.

Рассмотренная цепь управления на основе конденсатора C_у, заряженного до сравнительно большого напряжения (сотни вольт), и сопротивления R_у, значительно превышающего суммарное сопротивление цепей, подключенных ко вторичным обмоткам запускающих трансформаторов, позволяет обеспечить слабую зависимость параметров импульсов тока I_w2 от количества транзисторов Т. В результате создается возможность разработки высоковольтных генераторов с коммутаторами, состоящими из большого количества последовательно соединенных транзисторов.

Ниже приведены результаты исследований такого генератора с рабочим напряжением 8 кВ. В нем использовался коммутатор на основе десяти последовательно соединенных IGBT-транзисторов IRG4PF50WD, смонтированный на печатной плате. Транзисторы и запускающие трансформаторы располагались на минимальном расстоянии друг от друга, обеспечивающем напряженность поля не более 2 кВ/мм. Первичные обмотки трансформаторов были выполнены в виде провода с фторопластовой изоляцией, который пропускался по центру кольцевых сердечников трансформаторов, расположенных вдоль одной оси.

При исследовании генератора на частоте 2 кГц была получена коммутация в нагрузку R₀ = 150 Ом прямоугольных импульсов тока с амплитудой до 50 А, имеющих длительность фронта и спада примерно 50 нс. Длительность тока I плавно регулировалась в диапазоне (200–1000) нс. При проведении экспериментов в цепи управления и в цепях вторичных обмоток трансформаторов использовались резисторы R_у = 50 Ом и R = 5 Ом. Токи I_w2, протекающие через вторичные обмотки запускающих трансформаторов, имели амплитуду 5 А.

На рис. 5 приведены осциллограммы импульсов силового тока (кривые I₁, I₂) с минимальной и максимальной длительностями и соответствующие этим импульсам осциллограммы напряжения на блоке транзисторов Т (кривые U₁, U₂).

Рис. 5. Осциллограммы силовых токов I₁, I₂ и напряжений U₁, U₂ на блоке IGBT-транзисторов IRG4PF50WD. Масштабы по вертикали: токов I₁, I₂ – 15 А/дел., напряжений U₁, U₂ – 2 кВ/дел., по горизонтали – 200 нс/дел.

В рассмотренном генераторе величина предельно допустимого выходного напряжения определяется количеством последовательно соединенных транзисторов и электрической прочностью межобмоточной изоляции запускающих трансформаторов. Поскольку при соответствующем выборе сопротивления резистора R_у и напряжения зарядки конденсатора С_у разработанная ЦУ позволяет эффективно управлять десятками последовательно соединенных транзисторов, а допустимая напряженность поля в современных изоляционных материалах составляет десятки кВ/мм, выходное напряжение может быть увеличено до (30–35) кВ без существенного изменения конструкции генератора. При устранении доступа атмосферного воздуха путем помещения силовых элементов генератора в изолирующую среду реальной представляется разработка аналогичных транзисторных генераторов с выходным напряжением более 100 кВ.

4. ВЫВОДЫ

Таким образом, проведенные исследования свидетельствуют о возможности создания генераторов с выходным напряжением десятки киловольт на основе малогабаритных транзисторных коммутаторов, способных на килогерцевой частоте формировать в резистивной нагрузке прямоугольные импульсы тока с субмикросекундной длительностью, имеющие амплитуду десятки ампер и времена нарастания и убывания менее 50 нс.