RU2167491C2

RU2167491C2 - High-voltage pulse generator

Info

Publication number: RU2167491C2
Application number: RU99118119/09A
Authority: RU
Inventors: А.В. Кривоносенко
Original assignee: Институт сильноточной электроники СО РАН
Priority date: 1999-08-18
Filing date: 1999-08-18
Publication date: 2001-05-20

Abstract

FIELD: high-voltage pulse engineering. SUBSTANCE: generator designed for producing high-voltage pulses distinguished by short rise time and flat portion and used where electron beams and X-rays are required has series-connected pulse source and core-type pulse transformer whose core has longitudinal passage for current conductor that interconnects pulse source and transformer primary winding. Novelty is that transformer winding has n parallel circuits each connected to pulse-source capacitors and that it is proportional to expression 1/(2n-1)², where n is number of primary-winding circuits. EFFECT: enhanced pulse power. 3 cl, 3 dwg

Description

Изобретение относится к высоковольтной импульсной технике, предназначено для генерирования импульсов высокого напряжения с коротким фронтом и плоской частью в установках по получению электронных пучков, рентгеновского излучения и в высоковольтных импульсных технологиях. The invention relates to high-voltage pulse technology, is intended to generate high voltage pulses with a short front and a flat part in installations for the production of electron beams, x-rays and in high voltage pulse technologies.

Известны и широко распространены генераторы высоковольтных импульсов на основе умножения напряжения в последовательном конденсаторном контуре - генераторы Аркадьева-Маркса, см., например, Месяц Г.А.,Насибов А.С., Кремнев В.В. Формирование наносекундных импульсов высокого напряжения. -М.: Энергия, 1970-152 с. Generators of high-voltage pulses based on voltage multiplication in a series capacitor circuit are known and widely used - Arkadyev-Marx generators, see, for example, Mesyats GA, Nasibov AS, Kremnev VV The formation of nanosecond pulses of high voltage. -M .: Energy, 1970-152 p.

Недостатками таких генераторов при применении их в технологических процессах являются сложность обслуживания и эксплуатации, обусловленные наличием нескольких коммутаторов, сложностью конструкции. The disadvantages of such generators when used in technological processes are the complexity of maintenance and operation, due to the presence of several switches, the complexity of the design.

Более предпочтительными являются генераторы на основе импульсных трансформаторов. Они имеют меньшие габариты, только один коммутатор на сравнительно низкое напряжение, простую конструкцию и обслуживание, возможность изменения выходных параметров без изменения базовых элементов. Наиболее эффективным из данной группы генераторов является генератор высоковольтных импульсов, выбранный нами за прототип, описанный в А.с. N 728220, опубл. в БИ 1980, N 11, с. 252. Генератор высоковольтных импульсов включает последовательно соединенные источник импульсов, импульсный трансформатор со стержневым сердечником. В сердечнике выполнено продольное отверстие, через которое пропущен токопровод, соединяющий источник импульсов с первичной обмоткой трансформатора. More preferred are pulse transformer generators. They have smaller dimensions, only one switch for a relatively low voltage, simple design and maintenance, the ability to change the output parameters without changing the basic elements. The most efficient of this group of generators is a high-voltage pulse generator, which we selected for the prototype described in A.S. N 728220, publ. in BI 1980, N 11, p. 252. The high-voltage pulse generator includes a pulse source connected in series, a pulse transformer with a core core. A longitudinal hole is made in the core, through which a conductor is passed, connecting the pulse source to the primary winding of the transformer.

Недостатками этого генератора являются сложность получения плоской части импульса из-за отсутствия формирователя импульсов в генераторе и относительно низкая мощность в импульсе, см., например, Кривоносенко А.В., Семкин Б.В. Генератор высоковольтных импульсов, ПТЭ N 6, 1980 г., с. 73-75. The disadvantages of this generator are the difficulty of obtaining a flat part of the pulse due to the lack of a pulse shaper in the generator and the relatively low power in the pulse, see, for example, Krivonosenko A.V., Semkin B.V. High-voltage pulse generator, PTE N 6, 1980, p. 73-75.

Основной задачей, на решение которой направлено заявляемое изобретение, является повышение мощности и расширение области применения генератора. The main task, to the solution of which the claimed invention is directed, is to increase power and expand the scope of the generator.

Техническиим результатом, достигаемым заявленным изобретением, является получение импульса с плоской частью. The technical result achieved by the claimed invention is to obtain a pulse with a flat part.

Указанный технический результат достигается тем, что в известном генераторе высоковольтных импульсов, включающем последовательно соединенные источник импульсов, импульсный трансформатор со стержневым сердечником, в котором сердечник выполнен с продольным отверстием, через которое пропущен токопровод, соединяющий источник импульсов с первичной обмоткой трансформатора, а вторичная обмотка подключена к нагрузке, согласно изобретению, первичная обмотка выполнена из n-параллельных ветвей, к каждой из которых присоединены конденсаторы источника импульсов, причем величина емкости каждого конденсатора источника импульсов пропорциональна соотношению:
1/(2n-1)²,
где n-номер ветви первичной обмотки.The specified technical result is achieved by the fact that in the known high-voltage pulse generator including a pulse source connected in series, a pulse transformer with a core core, in which the core is made with a longitudinal hole, through which a conductor is passed, connecting the pulse source to the transformer primary winding, and the secondary winding is connected to the load, according to the invention, the primary winding is made of n-parallel branches, to each of which are connected capacitors Source pulses, the capacitance value of each capacitor pulse source proportional relation:
1 / (2n-1) ² ,
where n is the number of the primary winding branch.

Такое выполнение генератора (первичного контура) реализует свойства формирующей линии, известной в теории цепей под названием реактивной цепи 1-го канонического вида, см., например, Ицхоки Я.С., Овчинников Н.И. Импульсные и цифровые устройства. М.: "Сов. радио", 1972, 592 с., с. 129-130. Автору не известны решения, в которых используются индуктивности рассеяния трансформатора в качестве элементов формирователя, выполненного по схеме реактивной цепи 1-го канонического вида. Указанное решение позволяет получить импульс с плоской частью, не внося дополнительных индуктивностей в контур генератора, и это приводит к реализации с предельной мощностью генератора. This embodiment of the generator (primary circuit) realizes the properties of the forming line, known in the theory of chains under the name of the reactive circuit of the 1st canonical type, see, for example, Yitzhoki Y. S., Ovchinnikov N.I. Pulse and digital devices. M .: "Sov. Radio", 1972, 592 p., P. 129-130. The author does not know the solutions in which the transformer dissipation inductance is used as the elements of the shaper, made according to the reactive circuit of the 1st canonical form. The specified solution allows you to get a pulse with a flat part, without introducing additional inductances into the circuit of the generator, and this leads to the implementation with the ultimate power of the generator.

При этом в генераторе первый из упомянутых конденсаторов источника импульсов разделен на m одинаковых конденсаторов, имеющих по своей ветви обмотки, а последующие конденсаторы по величине выбирают пропорциональными соотношению:
1/m(2n-1)²,
где m - количество делений первого конденсатора. Такое выполнение генератора позволяет снизить величину индуктивности первичного контура, эквивалентную индуктивности рассеяния, а деление первого конденсатора на m одинаковых конденсаторов уменьшает постоянную цепи разряда конденсатора:

где L - величина индуктивности рассеяния m - ветви; С - величина емкости m - ветви. Это в совокупности так же повышает мощность генератора, поскольку уменьшается время выделения энергии.In this case, in the generator, the first of the mentioned capacitors of the pulse source is divided into m identical capacitors having windings along their branch, and the subsequent capacitors are selected in proportion to the ratio:
1 / m (2n-1) ² ,
where m is the number of divisions of the first capacitor. This embodiment of the generator allows to reduce the magnitude of the inductance of the primary circuit, equivalent to the leakage inductance, and dividing the first capacitor by m identical capacitors reduces the constant of the discharge circuit of the capacitor:

where L is the magnitude of the leakage inductance m is the branch; C is the capacity value of m - branches. This in aggregate also increases the power of the generator, since the time of energy release is reduced.

Согласно п. 3, генератор имеет k - вторичных обмоток, каждая из которых присоединена к своей нагрузке. Применение k - вторичных обмоток позволяет "развязать" нагрузки, т.е. уменьшить влияние их друг на друга без дополнительных разделительных элементов, что не приводит к снижению мощности и также расширяет область применения генератора. According to p. 3, the generator has k - secondary windings, each of which is connected to its load. The use of k - secondary windings allows you to "untie" the load, i.e. to reduce their influence on each other without additional dividing elements, which does not lead to a decrease in power and also expands the scope of the generator.

На фиг. 1(а, б, в) приведены электрические схемы генератора. Генератор импульсов содержит источник питания 1, параллельно которому подключены коммутатор 2 и последовательно соединенная цепь, содержащая накопительный конденсатор 3 и трансформатор 4, к выходу которого подключена нагрузка 5. Трансформатор 4 на фиг. 1 изображен по схеме замещения и содержит первичную обмотку, разделенную на индуктивность рассеяния 6 и индуктивность намагничивания 9, которые соединены токопроводом 7, который в свою очередь пропущен сквозь сердечник 8 трансформатора 4; вторичную обмотку, содержащую последовательную цепь, состоящую из индуктивности намагничивания 9 и индуктивности рассеяния 10. Цепь подключена одним выводом к нагрузке 5, а другим выводом присоединена к другому выводу нагрузки и к общей точке соединения источника питания 1 коммутатора 2. In FIG. 1 (a, b, c) shows the electrical circuits of the generator. The pulse generator comprises a power source 1, in parallel to which a switch 2 and a series-connected circuit are connected containing a storage capacitor 3 and a transformer 4, the output of which is connected to a load 5. The transformer 4 in FIG. 1 is shown in an equivalent circuit and contains a primary winding divided by a leakage inductance 6 and a magnetization inductance 9, which are connected by a lead 7, which in turn is passed through a core 8 of transformer 4; a secondary winding containing a series circuit consisting of a magnetization inductance 9 and a leakage inductance 10. The circuit is connected by one terminal to load 5, and the other terminal is connected to another terminal of the load and to a common connection point of power supply 1 of switch 2.

На фиг. 1(а) накопительный конденсатор 3, согласно изобретению, разделен на n (3.1...3.n) конденсаторов, одни выводы которых подключены к выводу источника питания 1 и коммутатора 2, а другие выводы присоединены к n началам первичных обмоток (индуктивностей рассеяния 6.1...6.n), выводы которых в свою очередь присоединены к токопроводу 7. In FIG. 1 (a) the storage capacitor 3, according to the invention, is divided into n (3.1 ... 3.n) capacitors, some of the terminals of which are connected to the output of the power source 1 and switch 2, and the other terminals are connected to n beginnings of the primary windings (dissipation inductances 6.1 ... 6.n), the conclusions of which, in turn, are connected to the current lead 7.

По фиг. 1(б) в генераторе первый из упомянутых конденсаторов 3.1, согласно изобретению, разделен на m конденсаторов (3.1...3.m), одни выводы которых подключены к источнику питания и коммутатору, а другие к своим дополнительным (6.1...6.m) ветвям первичной обмотки. In FIG. 1 (b) in the generator, the first of the mentioned capacitors 3.1, according to the invention, is divided into m capacitors (3.1 ... 3.m), some of the terminals of which are connected to a power source and a switch, and others to their additional ones (6.1 ... 6 .m) the branches of the primary winding.

По фиг. 1(в) вторичная обмотка имеет k ветвей, изображенная по схеме замещения как индуктивности рассеяния (10.1...10.k), каждая из которых подключена к своей нагрузке (5.1...5.k). In FIG. 1 (c) the secondary winding has k branches, depicted according to the equivalent circuit as scattering inductance (10.1 ... 10.k), each of which is connected to its load (5.1 ... 5.k).

Работа генератора происходит следующим образом: фиг. 1(а, б, в). От внешнего источника 1 производят заряд накопительных конденсаторов 3 по цепи: один вывод источника питания 1, общая точка соединения конденсаторов с коммутатором 2, другие выводы конденсаторов 3, присоединенные к началам ветвей первичной обмотки (индуктивностям рассеяния 6.1...m,n, токопроводу 7, проходящему сквозь сердечник, индуктивность намагничивания, другой вывод коммутатора и источника питания) и к другому выводу источника питания и коммутатора. При заряде конденсаторов осуществляется намагничивание сердечника 8 трансформатора 4. При срабатывании коммутатора 2 конденсаторы 3 разряжаются через индуктивности рассеяния, токопровод, пропущенный сквозь сердечник, на нагрузку. При разряде таким образом подобранных конденсаторов через индуктивности рассеяния формируется прямоугольный импульс, который обостряется при прохождении по токопроводу, пропущенному сквозь сердечник, и выделяется на нагрузке через трансформатор. The operation of the generator is as follows: FIG. 1 (a, b, c). From the external source 1, the charge of the storage capacitors 3 is made through the circuit: one output of the power supply 1, a common point of connection of the capacitors with the switch 2, other terminals of the capacitors 3 connected to the beginnings of the branches of the primary winding (dissipation inductances 6.1 ... m, n, conductor 7 passing through the core, magnetization inductance, another terminal of the switch and the power source) and to another terminal of the power source and the switch. When the capacitors are charged, the core 8 of the transformer 4 is magnetized. When the switch 2 is triggered, the capacitors 3 are discharged through the leakage inductance, the current path passed through the core, to the load. When a capacitor is selected in this way through a scattering inductance, a rectangular pulse is formed, which is exacerbated by passing through a current path passed through the core and is released to the load through a transformer.

По фиг. 1(в) трансформатор содержит k вторичных обмоток, каждая из которых подключена к своей нагрузке. Заявленный генератор предназначен для генерирования импульсов длительностью (10•10^-9 - 100•10^-9)с, а электрическая длина вторичной обмотки существенно больше этого значения, что позволяет использовать свойство ветви обмотки как развязывающего элемента и питать соответственно k нагрузок.In FIG. 1 (c) the transformer contains k secondary windings, each of which is connected to its load. The claimed generator is designed to generate pulses of duration (10 • 10 ^-9 - 100 • 10 ^-9 ) s, and the electrical length of the secondary winding is significantly greater than this value, which allows you to use the property of the branch of the winding as an decoupling element and, accordingly, supply k loads.

Испытания заявленного генератора проводились на макете по схеме фиг. 1(б), без обострения импульса (без токопровода пропущенного сквозь сердечник), а на обычном импульсном трансформаторе, содержащем 4 ветви первичной обмотки. Применены конденсаторы серии К78-12 и К78-2 с номиналами (1; 0,1; 0,04; 0,02) мкФ. Tests of the claimed generator were carried out on the layout according to the scheme of FIG. 1 (b), without an exacerbation of the pulse (without a current path passed through the core), and on a conventional pulse transformer containing 4 branches of the primary winding. Capacitors of the K78-12 and K78-2 series with ratings (1; 0.1; 0.04; 0.02) μF were used.

Результаты испытаний макета генератора показали, что прямоугольный импульс макет генератора формирует. The test results of the generator layout showed that a rectangular pulse generates a generator layout.

При испытаниях макета генератора с 7 ветвями первичной обмотки произошло укорочение импульса в 1,5 раза. По расчету должно быть в 1,7 раза. When testing the prototype of the generator with 7 branches of the primary winding, the pulse shortened by 1.5 times. According to the calculation should be 1.7 times.

Испытания показали, что предлагаемый генератор обладает заявленными свойствами. Tests have shown that the proposed generator has the declared properties.

Claims

1. The generator of high-voltage pulses, comprising a series-connected pulse source, a pulse transformer with a core core, in which the core is made with a longitudinal hole and through which a conductor is passed, connecting the pulse source to the primary winding of the transformer, and the secondary winding is connected to the load, characterized in that the primary winding is made of n parallel branches, each of which is connected to the capacitors of the pulse source, and the capacitance of each condensate and is proportional to the ratio of
1 / (2n-1) ² ,
where n is the number of the primary winding branch.

2. The generator according to claim 1, characterized in that the first of the mentioned pulse source capacitors is divided into m identical capacitors having primary windings along their branch, and the subsequent capacitors are selected in proportion to the ratio
l / m (2n-l) ² ,
where m is the number of divisions of the first capacitor.

3. The generator according to claim 1 or 2, characterized in that the secondary winding of the pulse transformer has k branches, each of which is connected to its load.