RU2745112C1 - Nanosecond pulse generator - Google Patents

Nanosecond pulse generator Download PDF

Info

Publication number
RU2745112C1
RU2745112C1 RU2020134962A RU2020134962A RU2745112C1 RU 2745112 C1 RU2745112 C1 RU 2745112C1 RU 2020134962 A RU2020134962 A RU 2020134962A RU 2020134962 A RU2020134962 A RU 2020134962A RU 2745112 C1 RU2745112 C1 RU 2745112C1
Authority
RU
Russia
Prior art keywords
diode
circuit
energy storage
drift
drift diode
Prior art date
Application number
RU2020134962A
Other languages
Russian (ru)
Inventor
Павел Михайлович Ярин
Original Assignee
Ефанов Михаил Владимирович
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Ефанов Михаил Владимирович filed Critical Ефанов Михаил Владимирович
Priority to RU2020134962A priority Critical patent/RU2745112C1/en
Application granted granted Critical
Publication of RU2745112C1 publication Critical patent/RU2745112C1/en

Links

Images

Classifications

    • H—ELECTRICITY
    • H03—ELECTRONIC CIRCUITRY
    • H03K—PULSE TECHNIQUE
    • H03K3/00—Circuits for generating electric pulses; Monostable, bistable or multistable circuits
    • H03K3/02—Generators characterised by the type of circuit or by the means used for producing pulses
    • H03K3/53—Generators characterised by the type of circuit or by the means used for producing pulses by the use of an energy-accumulating element discharged through the load by a switching device controlled by an external signal and not incorporating positive feedback
    • H03K3/57—Generators characterised by the type of circuit or by the means used for producing pulses by the use of an energy-accumulating element discharged through the load by a switching device controlled by an external signal and not incorporating positive feedback the switching device being a semiconductor device

Landscapes

  • Generation Of Surge Voltage And Current (AREA)

Abstract

FIELD: high-voltage pulse technology.
SUBSTANCE: invention relates to high-voltage pulse technology. The device contains an active switch connected in parallel to the charger, a drift diode with an abrupt recovery of the non-conducting state, a load, as well as first and second resonant circuits, each of which includes capacitive and inductive energy storage, respectively, of the first and second circuits. The second resonant circuit additionally contains a constant voltage source connected in series to the inductive energy storage of the second circuit and connected in parallel to the capacitive energy storage of the second circuit. Moreover, the capacity of the latter is 10-20 times greater than the capacity of the capacitive energy storage of the first circuit to ensure a linear acceleration of the current through the inductive energy storage of the second circuit. In this case, the voltage of the constant voltage source Usource is 10-40% of the voltage of the charger Ucharge , inductive energy storage devices of both the first and second circuits are connected in series to a drift diode, which is configured to break the reverse current at the time when the total charge Qdiode passed through it is determined by the expression Qdiode = ∫Idiode * dt = 0, where t is the operating cycle time of the drift diode from 0 to t3; Qdiode - charge passed through the drift diode; Idiode - current through the drift diode; t3 is the moment of breakage of the reverse current through the drift diode. Moreover, a constant voltage source, a capacitive energy storage of the second circuit and a drift diode are connected to a common bus at the second output.
EFFECT: technical result of the proposed solution is to increase the repetition rate of the output pulses due to the absence of residual currents in the drift diode with a sharp recovery of the non-conducting state after the end of the operating cycle.
3 cl, 4 dwg

Description

Изобретение относится к высоковольтной импульсной технике и может быть использовано для решения широкого спектра задач, например для систем питания мощных лазеров, управления ячейками Поккельса, генерации озона и т.д.The invention relates to high-voltage pulsed technology and can be used to solve a wide range of problems, for example, for power supply systems for high-power lasers, control of Pockels cells, ozone generation, etc.

Известен генератор мощных наносекундных импульсов (варианты), на базе дрейфового диода с резким восстановлением, включающий последовательно соединенные индуктивный накопитель энергии и дрейфовый диод с резким восстановлением непроводящего состояния, а также нагрузку, подсоединенную параллельно дрейфовому диоду, и ключи (см. патент RU №2580787, H03K 3/53, 2016).Known generator of powerful nanosecond pulses (options), based on a drift diode with a sharp recovery, including a series-connected inductive energy storage and a drift diode with a sharp recovery of the non-conducting state, as well as a load connected in parallel with the drift diode, and switches (see patent RU No. 2580787 , H03K 3/53, 2016).

Недостатком известного устройства является наличие двух ключей, что усложняет реализацию схемы.The disadvantage of the known device is the presence of two keys, which complicates the implementation of the circuit.

Также необходимо использовать быстродействующие ключи с коротким временем закрывания. Как правило, это полевые транзисторы, которые рассчитаны на небольшой ток, следовательно, данное устройство не предназначено для формирования высоковольтных (с амплитудами больше 2-3 кВ) импульсов напряжения.It is also necessary to use fast keys with short closing times. As a rule, these are field-effect transistors, which are designed for a small current, therefore, this device is not intended for the formation of high-voltage (with amplitudes of more than 2-3 kV) voltage pulses.

Известен также генератор импульсов, содержащий дрейфовый диод с резким восстановлением непроводящего состояния, подключенный к земле ключ, а также нагрузку, подсоединенную параллельно дрейфовому диоду (см. патент RU №2589240, H03K 3/53, 2016).Also known is a pulse generator containing a drift diode with a sharp recovery of the non-conducting state, a switch connected to the ground, and a load connected in parallel to the drift diode (see patent RU No. 2589240, H03K 3/53, 2016).

Недостатком известного устройства является сложность реализации, связанная с большим количеством элементов.The disadvantage of the known device is the complexity of the implementation associated with a large number of elements.

Также наличие остаточных затухающих токов в контурах и через дрейфовый диод с резким восстановлением непроводящего состояния после окончания рабочего цикла приводит к дополнительному нагреву элементов цепи и уменьшению возможной частоты повторения импульсов.Also, the presence of residual damped currents in the circuits and through the drift diode with a sharp restoration of the non-conducting state after the end of the operating cycle leads to additional heating of the circuit elements and a decrease in the possible pulse repetition rate.

Наиболее близким по технической сущности к заявляемому решению является генератор импульсов напряжения, содержащий активный ключ, параллельно подключенный к зарядному устройству, дрейфовый диод с резким восстановлением непроводящего состояния, нагрузку, а также первый и второй резонансные контура, каждый из которых включает емкостный и индуктивный накопители энергии соответственно первого и второго контура (см. патент US №8115343, H03K 3/02, 2012).The closest in technical essence to the claimed solution is a voltage pulse generator containing an active switch connected in parallel to a charger, a drift diode with a sharp recovery of the non-conducting state, a load, as well as the first and second resonant circuits, each of which includes capacitive and inductive energy storage respectively, the first and second circuit (see US patent No. 8115343, H03K 3/02, 2012).

Генератор импульсов выполнен с возможностью генерирования, по меньшей мере, одного импульса, имеющего длину не более 100 наносекунд и амплитуду, по меньшей мере, 1 кВ.The pulse generator is configured to generate at least one pulse having a length of no more than 100 nanoseconds and an amplitude of at least 1 kV.

Недостатками известного устройства являются:The disadvantages of the known device are:

1. После завершения рабочего цикла через контуры и диод с резким восстановлением протекают остаточные токи, которые приводят к дополнительному нагреву элементов и уменьшают частоту повторения выходных импульсов.1. After the completion of the operating cycle, residual currents flow through the circuits and the sharp recovery diode, which lead to additional heating of the elements and reduce the repetition rate of the output pulses.

2. Ток через активный ключ имеет большую амплитуду, что приводит к возрастанию потерь на нем и уменьшению КПД.2. The current through the active switch has a large amplitude, which leads to an increase in losses on it and a decrease in efficiency.

Технический результат заявляемого решения заключается в увеличении частоты повторения выходных импульсов за счет отсутствия остаточных токов в дрейфовом диоде с резким восстановлением непроводящего состояния после окончания рабочего цикла.The technical result of the proposed solution is to increase the repetition rate of the output pulses due to the absence of residual currents in the drift diode with a sharp recovery of the non-conducting state after the end of the operating cycle.

Дополнительный технический результат заключается в повышении коэффициента полезного действия за счет сокращения потерь на активном ключе при формировании высоковольтных импульсов напряжения с высокой частотой их повторения.An additional technical result consists in increasing the efficiency by reducing losses on the active switch when generating high-voltage voltage pulses with a high repetition rate.

Для достижения указанного технического результата в генераторе наносекундных импульсов, содержащем активный ключ, параллельно подключенный к зарядному устройству, дрейфовый диод с резким восстановлением непроводящего состояния, нагрузку, а также первый и второй резонансные контуры, каждый из которых включает емкостный и индуктивный накопители энергии соответственно первого и второго контуров, согласно изобретению второй резонансный контур дополнительно содержит источник постоянного напряжения, последовательно подключенный к индуктивному накопителю энергии второго контура и параллельно подключенный к емкостному накопителю энергии второго контура, причем емкость последнего в 10-20 раз больше емкости емкостного накопителя энергии первого контура для обеспечения линейного разгона тока через индуктивный накопитель энергии второго контура, при этом напряжение источника постоянного напряжения Uисточ составляет 10-40% от напряжения зарядного устройства Uзаряд, а индуктивные накопители энергии и первого и второго контуров последовательно подключены к дрейфовому диоду, который выполнен с возможностью обрыва обратного тока в момент времени, когда суммарный заряд Qдиод, прошедший через него определен выражением:To achieve the specified technical result in a nanosecond pulse generator containing an active switch connected in parallel to the charger, a drift diode with a sharp recovery of the non-conducting state, a load, as well as the first and second resonant circuits, each of which includes capacitive and inductive energy storage, respectively, of the first and of the second circuit, according to the invention, the second resonant circuit further comprises a constant voltage source connected in series to the inductive energy storage of the second circuit and connected in parallel to the capacitive energy storage of the second circuit, the capacity of the latter being 10-20 times greater than the capacity of the capacitive energy storage of the first circuit to ensure linear acceleration current through the inductive circuit of the second energy store, wherein the voltage is a DC voltage source U sOURCE is 10-40% of the voltage U charger charge and inductive energy storage ui and the first and second circuits are connected in series to a drift diode, which is configured to cut off the reverse current at the time when the total charge Q of the diode passing through it is determined by the expression:

Qдиод=∫Iдиод*t=0, гдеQ diode = ∫I diode * t = 0, where

t - время рабочего цикла дрейфового диода от 0 до t3;t is the operating cycle time of the drift diode from 0 to t 3 ;

Qдиод - заряд, прошедший через дрейфовый диод;Q diode - charge passed through the drift diode;

Iдиод - ток через дрейфовый диод;I diode - current through the drift diode;

t3 - момент обрыва обратного тока через дрейфовый диод,t 3 - the moment of breakage of the reverse current through the drift diode,

при этом источник постоянного напряжения, емкостный накопитель энергии второго контура и дрейфовый диод вторым выводом подключены к общей шине.in this case, the constant voltage source, the capacitive energy storage of the second circuit and the drift diode are connected by the second output to the common bus.

Также согласно изобретению, активный ключ соединен с зарядным устройством положительной полярности, а положительный электрод источника постоянного напряжения через индуктивный накопитель второго контура подключен к катоду дрейфового диода.Also according to the invention, the active switch is connected to a charger of positive polarity, and the positive electrode of the constant voltage source is connected to the cathode of the drift diode through the inductive storage of the second circuit.

Также согласно изобретению, активный ключ соединен с зарядным устройством отрицательной полярности, а отрицательный электрод источника постоянного напряжения через индуктивный накопитель второго контура подключен к аноду дрейфового диода.Also according to the invention, the active switch is connected to a charger of negative polarity, and the negative electrode of the constant voltage source is connected to the anode of the drift diode through the inductive storage of the second circuit.

Наличие источника постоянного напряжения во втором контуре РК2 и взаимосвязь его элементов, позволяет осуществлять разгон основного обратного тока через дрейфовый диод в контуре РК2, а именно в контуре, где нет активного ключа. Это приводит к уменьшению тока через активный ключ, и, соответственно, к сокращению потерь на нем, к увеличению коэффициента полезного действия генератора.The presence of a constant voltage source in the second loop RK 2 and the interconnection of its elements allows the acceleration of the main reverse current through the drift diode in the loop RK 2 , namely in the circuit where there is no active switch. This leads to a decrease in the current through the active switch, and, accordingly, to a reduction in losses on it, to an increase in the efficiency of the generator.

Выполнение емкостного накопителя энергии второго контура в 10-20 раз больше емкостного накопителя энергии первого контура обеспечивает практически линейный разгон тока через индуктивный накопитель энергии второго контура для того, чтобы основная часть обратного тока шла через РК2 и разгружала РК1, снижая потери, позволяла не допустить существенной разрядки емкостного накопителя энергии второго контура.The implementation of the capacitive energy storage of the second circuit is 10-20 times larger than the capacitive energy storage of the first circuit provides an almost linear acceleration of the current through the inductive energy storage of the second circuit in order for the main part of the reverse current to go through the RK 2 and unload RK1, reducing losses, making it possible to prevent significant discharge of the capacitive energy storage of the second circuit.

Заявляемая схема генератора наносекундных импульсов позволяет увеличить частоту повторения выходных импульсов поскольку сразу после окончания рабочего цикла дрейфовый диод готов к новому циклу работы из-за отсутствия остаточных токов в нем.The claimed circuit of the nanosecond pulse generator allows increasing the repetition rate of the output pulses, since immediately after the end of the operating cycle, the drift diode is ready for a new cycle of operation due to the absence of residual currents in it.

Это происходит, так как ток через дрейфовый диод обрывается в момент времени, когда суммарный заряд, прошедший через дрейфовый диод, становится равным нулю, и дрейфовый диод остается в обратно смещенном положении из-за приложенного к нему напряжения источника постоянного напряжения во втором контуре РК2.This happens because the current through the drift diode is cut off at the time when the total charge passed through the drift diode becomes zero, and the drift diode remains in the reverse-biased position due to the voltage applied to it from the constant voltage source in the second circuit RK 2 ...

Сущность предложения поясняется чертежами, где на фиг. 1 схематично представлена связь двух резонансных контуров РК1 и РК2 генератора и дрейфового диода; на фиг. 2 представлена функциональная схема генератора наносекундных импульсов напряжения положительной полярности; на фиг. 3 представлены временные графики токов, зарядов и напряжений в схеме, а именно на фиг. 3а представлен временной график тока через индуктивный накопитель энергии первого контура; на фиг. 3б представлен временной график тока через индуктивный накопитель энергии второго контура; на фиг. 3в представлен временной график тока через дрейфовый диод; на фиг. 3г представлен временной график напряжения на нагрузке; на фиг. 4 представлена схема генератора наносекундных импульсов напряжения отрицательной полярности.The essence of the proposal is illustrated by drawings, where FIG. 1 schematically shows the connection of two resonant circuits RK 1 and RK 2 of the generator and the drift diode; in fig. 2 shows a functional diagram of a generator of nanosecond voltage pulses of positive polarity; in fig. 3 shows time graphs of currents, charges and voltages in the circuit, namely in FIG. 3a shows a time graph of the current through the inductive energy storage of the first circuit; in fig. 3b shows a time graph of the current through the inductive energy storage of the second circuit; in fig. 3c shows a time graph of the current through the drift diode; in fig. 3d shows the time graph of the voltage across the load; in fig. 4 shows a diagram of a generator of nanosecond voltage pulses of negative polarity.

Следует учесть, что на чертежах представлены только те детали, которые необходимы для понимания существа предложения, а сопутствующее оборудование, хорошо известное специалистам в данной области, на чертеже не представлено.It should be noted that only those details are shown in the drawings that are necessary to understand the essence of the proposal, and related equipment, well known to specialists in this field, is not shown in the drawing.

На чертежах использованы следующие позиции: 1 - дрейфовый диод; 2 - активный ключ; 3 - емкостный накопитель энергии первого контура; 4 - индуктивный накопитель энергии первого контура; 5 - зарядное устройство; 6 - источник постоянного напряжения; 7 - емкостный накопитель энергии второго контура; 8 - индуктивный накопитель энергии второго контура; 9 - разделительный конденсатор; 10 - нагрузка.The following items are used in the drawings: 1 - drift diode; 2 - active key; 3 - capacitive energy storage of the primary circuit; 4 - inductive energy storage of the first circuit; 5 - charger; 6 - constant voltage source; 7 - capacitive energy storage of the second circuit; 8 - inductive energy storage of the second circuit; 9 - dividing capacitor; 10 - load.

Генератор наносекундных импульсов включает два резонансных контура РК1 и РК2, которые подключены параллельно дрейфовому диоду 1 (фиг. 1).The generator of nanosecond pulses includes two resonant circuits RK 1 and RK 2 , which are connected in parallel to the drift diode 1 (Fig. 1).

Первый резонансный контур РК1 генератора наносекундных импульсов включает последовательно соединенные между собой активный ключ 2, емкостный накопитель энергии первого контура 3 и индуктивный накопитель энергии первого контура 4 (фиг. 2).The first resonant circuit RK 1 of the nanosecond pulse generator includes an active switch 2, a capacitive energy storage of the first circuit 3 and an inductive energy storage of the first circuit 4 (Fig. 2), connected in series.

Таким образом, согласно схеме первого контура РК1, положительный электрод активного ключа 2 последовательно подключен к положительному электроду емкостного накопителя энергии 3, а также параллельно подключен к положительному электроду зарядного устройства 5, которое предназначено для зарядки емкостного накопителя энергии первого контура 3 до напряжения +Uзаряд.Thus, according to the scheme of the first circuit RK 1 , the positive electrode of the active switch 2 is connected in series to the positive electrode of the capacitive energy storage device 3, and is also connected in parallel to the positive electrode of the charger 5, which is designed to charge the capacitive energy storage device of the first circuit 3 to voltage + U charge .

Второй отрицательны электрод активного ключа 2, а также отрицательный электрод зарядного устройства 5 и анод дрейфового диода 1 подключены к общей шине.The second negative electrode of the active switch 2, as well as the negative electrode of the charger 5 and the anode of the drift diode 1 are connected to a common bus.

Также согласно схеме первого контура РК1, индуктивный накопитель энергии первого контура 4 последовательно подключен, как к емкостному накопителю энергии 3, так и к катоду дрейфового диода 1.Also, according to the scheme of the first circuit RK 1 , the inductive energy storage of the first circuit 4 is connected in series both to the capacitive energy storage 3 and to the cathode of the drift diode 1.

Второй резонансный контур РК2 генератора наносекундных импульсов включает источник постоянного напряжения 6, емкостный накопитель энергии второго контура 7 и индуктивный накопитель энергии второго контура 8 (фиг. 2).The second resonant circuit RK 2 of the generator of nanosecond pulses includes a constant voltage source 6, a capacitive energy storage of the second circuit 7 and an inductive energy storage of the second circuit 8 (Fig. 2).

Таким образом, согласно схеме второго контура РК2, положительный электрод источника постоянного напряжения 6 параллельно подключен к положительному электроду емкостного накопителя энергии второго контура 7 и последовательно подключен к индуктивному накопителю второго контура 8.Thus, according to the scheme of the second circuit RK 2 , the positive electrode of the constant voltage source 6 is connected in parallel to the positive electrode of the capacitive energy storage of the second circuit 7 and is connected in series to the inductive storage of the second circuit 8.

Второй электрод индуктивного накопителя энергии второго контура 8 последовательно подключен к катоду дрейфового диода 1.The second electrode of the inductive energy storage of the second circuit 8 is connected in series to the cathode of the drift diode 1.

Отрицательный электрод источника постоянного напряжения 6 и электрод емкостного накопителя второго контура 7 подключены к общей шине.The negative electrode of the constant voltage source 6 and the electrode of the capacitive storage of the second circuit 7 are connected to a common bus.

Генератор наносекундных импульсов также включает разделительный конденсатор 9 и нагрузку 10.The nanosecond pulse generator also includes a blocking capacitor 9 and a load 10.

При этом одним концом нагрузка 10 подключена параллельно дрейфовому диоду 1 через разделительный конденсатор 9.In this case, one end of the load 10 is connected in parallel to the drift diode 1 through the blocking capacitor 9.

Разделительный конденсатор 9 предназначен для блокировки протекания постоянного тока от источника постоянного напряжения 6 в нагрузку 10.The blocking capacitor 9 is designed to block the flow of direct current from the constant voltage source 6 to the load 10.

Второй конец нагрузки 10 подключен к общей шине.The other end of the load 10 is connected to a common bus.

Схема генератора, представленная на фиг. 4, отличается полярностью зарядного устройства 5, источника постоянного напряжения 6 и направлением включения дрейфового диода 1.The generator circuit shown in FIG. 4, differs in the polarity of the charger 5, the constant voltage source 6 and the direction of switching on the drift diode 1.

В этой схеме активный ключ 2 соединен с зарядным устройством 5 отрицательной полярности, а отрицательный электрод источника постоянного напряжения 6 через индуктивный накопитель второго контура 8 подключен к аноду дрейфового диода 1.In this circuit, the active switch 2 is connected to the charger 5 of negative polarity, and the negative electrode of the constant voltage source 6 through the inductive storage of the second circuit 8 is connected to the anode of the drift diode 1.

Катод дрейфового диода 1 соединен общей шиной с положительным электродом зарядного устройства 5, источника постоянного напряжения 6, активного ключа 2 и нагрузки 10.The cathode of the drift diode 1 is connected by a common bus with the positive electrode of the charger 5, constant voltage source 6, active switch 2 and load 10.

Генератор наносекундных импульсов работает следующим образом.The generator of nanosecond pulses works as follows.

В исходном состоянии активный ключ 2 разомкнут.In the initial state, the active key 2 is open.

Емкостный накопитель энергии первого контура 3 заряжен до напряжения (Uзаряд-Uисточ), зарядное устройство 5 выключено.The capacitive energy storage of the first circuit 3 is charged to voltage (U charge -U source ), the charger 5 is turned off.

Напряжение Uзаряд - напряжение на зарядном устройстве 5 и электроде емкостного накопителя энергии первого контура 3.Voltage U charge is the voltage across the charger 5 and the electrode of the capacitive energy storage of the first circuit 3.

Напряжение Uисточ - напряжение на источнике постоянного напряжения 6. SOURCE voltage U - voltage on the DC voltage source 6.

Для достижения максимальной амплитуды выходного импульса напряжение на источнике постоянного напряжения Uисточ выбирают в диапазоне от 10% до 40% от напряжения зарядного устройства Uзаряд.For maximum amplitude of the output pulse voltage on a DC voltage source U SOURCE selected in the range from 10% to 40% of the voltage U charger charge.

В момент времени t1=0 замыкается активный ключ 2 и начинает протекать ток в цепи первого резонансного контура РК1, а именно через активный ключ 2, емкостный накопитель энергии первого контура 3, индуктивный накопитель энергии первого контура 4 и дрейфовый диод 1.At the time t 1 = 0, the active switch 2 closes and the current begins to flow in the circuit of the first resonant circuit of PK 1 , namely through the active switch 2, the capacitive energy storage of the first circuit 3, the inductive energy storage of the first circuit 4 and the drift diode 1.

Форма тока через индуктивный накопитель энергии первого контура 4 представлена на рис. 3а.The shape of the current through the inductive energy storage of the first circuit 4 is shown in Fig. 3a.

Максимальная амплитуда тока I1max прямо пропорциональна напряжению, приложенному к емкостному накопителю энергии первого контура 3 (Uзаряд-Uисточ), и обратно пропорциональна волновому сопротивлению контура согласно формуле:The maximum current amplitude I 1max is directly proportional to the voltage applied to the capacitive energy storage of the primary circuit 3 (U charge -U source ), and is inversely proportional to the characteristic impedance of the circuit according to the formula:

I1max=(Uзаряд-Uисточ)/√L1/C1, гдеI 1max = (U charge -U source ) / √L 1 / C 1 , where

I1max - максимальный ток через индуктивный накопитель энергии первого контура 4;I 1max - maximum current through the inductive energy storage of the first circuit 4;

L1 - индуктивность индуктивного накопителя энергии первого контура 4;L 1 - inductance of the inductive energy storage of the first circuit 4;

С1 - емкость емкостного накопителя энергии первого контура 3.С 1 - the capacity of the capacitive energy storage of the primary circuit 3.

Период колебаний тока определяется выражением:The period of current fluctuations is determined by the expression:

T=2π√L1*C1, гдеT = 2π√L 1 * C 1 , where

Т - период колебаний тока в первом резонансном контуре РК1,T is the period of current oscillations in the first resonant circuit of RK 1 ,

π - математическая постоянная 3,14.π - mathematical constant 3.14.

Падениями напряжения на активном ключе 2 и дрейфовом диоде 1 в общем случае можно пренебречь.Voltage drops across active switch 2 and drift diode 1 can generally be neglected.

Одновременно с протеканием тока в первом резонансном контуре РК1 начинает протекать ток I2 в цепи второго резонансного контура РК2, а именно через источник постоянного напряжения 6, емкостный накопитель энергии второго контура 7, индуктивный накопитель энергии второго контура 8 и через дрейфовый диод 1.Simultaneously with the flow of current in the first resonant circuit of the RK 1 , current I 2 begins to flow in the circuit of the second resonant circuit of RK 2 , namely, through the constant voltage source 6, the capacitive energy storage of the second circuit 7, the inductive energy storage of the second circuit 8 and through the drift diode 1.

Разгон тока определяется выражением:The acceleration of the current is determined by the expression:

dI2/dt=Uисточ/L2, гдеdI 2 / dt = U source / L 2 , where

I2 - ток через индуктивный накопитель энергии второго контура 8;I 2 - current through the inductive energy storage of the second circuit 8;

L2 - индуктивность индуктивного накопителя энергии второго контура 8.L 2 - inductance of the inductive energy storage of the second circuit 8.

Форма тока через индуктивный накопитель энергии второго контура 8 представлена на фиг. 3б.The shape of the current through the inductive energy storage of the second circuit 8 is shown in FIG. 3b.

Суммарный ток через дрейфовый диод 1 при этом имеет вид, представленный на фиг. 3в и определяется формулой:The total current through the drift diode 1 in this case has the form shown in Fig. 3c and is determined by the formula:

Iдиод=Ι1+Ι2, гдеI diode = Ι 1 + Ι 2 , where

Iдиод - ток через дрейфовый диод 1;I diode - current through the drift diode 1;

Ι1 - ток через индуктивный накопитель энергии первого контура 4;Ι 1 - current through the inductive energy storage of the first circuit 4;

I2 - ток через индуктивный накопитель энергии второго контура 8.I 2 - current through the inductive energy storage of the second circuit 8.

В момент времени t2 полярность тока через дрейфовый диод 1 меняет знак на противоположный и накопленный во время протекания прямого тока заряд начинает выноситься из дрейфового диода 1.At time t 2, the polarity of the current through the drift diode 1 reverses sign and the charge accumulated during the flow of the forward current begins to be removed from the drift diode 1.

Ток через дрейфовый диод 1 обрывается в момент времени t3, когда суммарный заряд Qдиод, прошедший через дрейфовый диод 1 становится равным нулю, согласно выражению:The current through the drift diode 1 is cut off at time t 3 , when the total charge Q of the diode passing through the drift diode 1 becomes zero, according to the expression:

Qдиод=∫Iдиод*dt=0, при этом t=0-t3, гдеQ diode = ∫I diode * dt = 0, while t = 0-t 3 , where

Qдиод - заряд, прошедший через дрейфовый диод 1;Q diode - the charge passed through the drift diode 1;

Iдиод - ток через дрейфовый диод 1;I diode - current through the drift diode 1;

t3 - момент времени, когда обрывается обратный ток через дрейфовый диод 1.t 3 - the moment in time when the reverse current through the drift diode 1 is cut off.

После момента времени t3 ток через индуктивные накопители энергии первого контура 4 и второго контура 8 перебрасывается в нагрузку 10.After time t 3, the current through the inductive energy storage of the first circuit 4 and the second circuit 8 is transferred to the load 10.

На нагрузке 10 возникает максимальное напряжение Uнаг max, которое определяется выражением (см. фиг. 3г):At the load 10, a maximum voltage U nag max occurs, which is determined by the expression (see Fig.3d):

Uнаг max≈Iдиод max*R, гдеU hot max ≈I diode max * R, where

Iдиод max - пиковое значение, которого достиг ток через дрейфовый диод 1 в момент t3;I diode max - the peak value reached by the current through the drift diode 1 at time t 3 ;

R - сопротивление нагрузки 10.R - load resistance 10.

Iдиод max=I1 max+I2max, гдеI diode max = I 1 max + I 2max , where

I1max - максимальный ток через индуктивный накопитель энергии первого контура 4 в момент времени t3;I 1max - maximum current through the inductive energy storage of the first circuit 4 at time t 3 ;

I2max - максимальный ток через индуктивный накопитель энергии второго контура 8 в момент времени t3.I 2max - maximum current through the inductive energy storage of the second circuit 8 at time t 3 .

Передний фронт напряжения на нагрузке 10 определяется емкостью Сдиода дрейфового диода 1 и скоростью его обратного восстановления, задний фронт определяется величиной индуктивности L индуктивных накопителей энергии первого контура 4 и второго контура 8, включенных параллельно и сопротивления R нагрузки 10.The leading edge of the voltage across the load 10 is determined by the capacitance C of the diode of the drift diode 1 and the rate of its reverse recovery, the trailing edge is determined by the value of the inductance L of the inductive energy storage units of the first circuit 4 and the second circuit 8, connected in parallel and the resistance R of the load 10.

Напряжение на нагрузке 10 в момент времени t4 достигает значения, согласно выражению:The voltage across the load 10 at time t 4 reaches a value according to the expression:

0,37*Uнаг max ко времени t4=t3+tLR, где0.37 * U hot max by time t 4 = t 3 + t LR , where

Uнаг max - максимальное напряжение на нагрузке в момент времени t3;U nag max - maximum load voltage at time t 3 ;

tLR=L/R - постоянная времени.t LR = L / R - time constant.

После момента времени t3 ток через дрейфовый диод 1 прекращается, и он остается в обратно смещенном положении из-за приложенного к нему напряжения Uисточ.After time t 3, the current through the drift diode 1 stops, and it remains in the reverse-biased position due to the voltage U source applied to it.

Таким образом, он готов к новому циклу.Thus, he is ready for a new cycle.

Частота повторения импульсов определяется скоростью закрытия активного ключа 2 и скоростью зарядки емкостного накопителя энергии первого контура 3 зарядным устройством 5 до напряжения (Uзаряд-Uисточ).The pulse repetition rate is determined by the closing speed of the active key 2 and the charging rate of the capacitive energy storage of the first circuit 3 by the charger 5 to the voltage (U charge -U source ).

В качестве активного ключа 2 могут быть использованы биполярные транзисторы, полевые транзисторы, биполярные транзисторы с изолированным затвором, тиристоры и другие электронные ключи.As an active switch 2, bipolar transistors, field-effect transistors, bipolar IGBT transistors, thyristors and other electronic switches can be used.

Генератор отрицательных наносекундных импульсов (фиг. 4) работает аналогично описанному выше, за исключением того, что направление токов через индуктивные накопители энергии первого контура 4 и второго контура 8, а также через дрейфовый диод 1 имеют противоположную полярность. Соответственно, с помощью этой схемы можно получить такие же выходные импульсы, только отрицательной полярности.The generator of negative nanosecond pulses (Fig. 4) operates similarly to that described above, except that the direction of the currents through the inductive energy storage of the first circuit 4 and the second circuit 8, as well as through the drift diode 1 have opposite polarity. Accordingly, using this circuit, you can get the same output pulses, only negative polarity.

Claims (8)

1. Генератор наносекундных импульсов, содержащий активный ключ, параллельно подключенный к зарядному устройству, дрейфовый диод с резким восстановлением непроводящего состояния, нагрузку, а также первый и второй резонансные контуры, каждый из которых включает емкостный и индуктивный накопители энергии соответственно первого и второго контуров, отличающийся тем, что второй резонансный контур дополнительно содержит источник постоянного напряжения, последовательно подключенный к индуктивному накопителю энергии второго контура и параллельно подключенный к емкостному накопителю энергии второго контура, причем емкость последнего в 10-20 раз больше емкости емкостного накопителя энергии первого контура для обеспечения линейного разгона тока через индуктивный накопитель энергии второго контура, при этом напряжение источника постоянного напряжения Uисточ составляет 10-40% от напряжения зарядного устройства Uзаряд, а индуктивные накопители энергии и первого и второго контуров последовательно подключены к дрейфовому диоду, который выполнен с возможностью обрыва обратного тока в момент времени, когда суммарный заряд Qдиод, прошедший через него, определен выражением:1. A generator of nanosecond pulses, containing an active switch connected in parallel to the charger, a drift diode with a sharp recovery of the non-conducting state, a load, as well as the first and second resonant circuits, each of which includes capacitive and inductive energy storage, respectively, of the first and second circuits, which differ in that the second resonant circuit additionally contains a constant voltage source connected in series to the inductive energy storage of the second circuit and connected in parallel to the capacitive energy storage of the second circuit, and the capacity of the latter is 10-20 times greater than the capacity of the capacitive energy storage of the first circuit to ensure linear acceleration of the current second circuit via the inductive energy storage device, wherein the voltage of the DC voltage U sOURCE is 10-40% of the voltage U charger charge and inductive energy storage devices and the first and second circuits in series n They are connected to a drift diode, which is made with the possibility of interrupting the reverse current at the time when the total charge Q of the diode passing through it is determined by the expression: Qдиод=∫Iдиод*dt=0, гдеQ diode = ∫I diode * dt = 0, where t - время рабочего цикла дрейфового диода от 0 до t3;t is the operating cycle time of the drift diode from 0 to t 3 ; Qдиод - заряд, прошедший через дрейфовый диод;Q diode - charge passed through the drift diode; Iдиод - ток через дрейфовый диод;I diode - current through the drift diode; t3 - момент обрыва обратного тока через дрейфовый диод, при этом источник постоянного напряжения, емкостный накопитель энергии второго контура и дрейфовый диод вторым выводом подключены к общей шине.t 3 - the moment of breakage of the reverse current through the drift diode, while the constant voltage source, the capacitive energy storage of the second circuit and the drift diode are connected by the second output to the common bus. 2. Генератор наносекундных импульсов по п. 1, отличающийся тем, что активный ключ соединен с зарядным устройством положительной полярности, а положительный электрод источника постоянного напряжения через индуктивный накопитель энергии второго контура подключен к катоду дрейфового диода.2. The generator of nanosecond pulses according to claim 1, characterized in that the active switch is connected to the charger of positive polarity, and the positive electrode of the constant voltage source is connected to the cathode of the drift diode through the inductive energy storage of the second circuit. 3. Генератор наносекундных импульсов по п. 1, отличающийся тем, что активный ключ соединен с зарядным устройством отрицательной полярности, а отрицательный электрод источника постоянного напряжения через индуктивный накопитель энергии второго контура подключен к аноду дрейфового диода.3. The generator of nanosecond pulses according to claim 1, characterized in that the active switch is connected to a charger of negative polarity, and the negative electrode of the constant voltage source is connected to the anode of the drift diode through the inductive energy storage of the second circuit.
RU2020134962A 2020-10-23 2020-10-23 Nanosecond pulse generator RU2745112C1 (en)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2020134962A RU2745112C1 (en) 2020-10-23 2020-10-23 Nanosecond pulse generator

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2020134962A RU2745112C1 (en) 2020-10-23 2020-10-23 Nanosecond pulse generator

Publications (1)

Publication Number Publication Date
RU2745112C1 true RU2745112C1 (en) 2021-03-22

Family

ID=75159061

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
RU2020134962A RU2745112C1 (en) 2020-10-23 2020-10-23 Nanosecond pulse generator

Country Status (1)

Country Link
RU (1) RU2745112C1 (en)

Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US20100156195A1 (en) * 2008-05-23 2010-06-24 University Of Southern California Nanosecond pulse generator with a protector circuit
RU2580787C1 (en) * 2015-02-11 2016-04-10 Михаил Владимирович Ефанов High-power nanosecond pulse generator (versions)
RU2589240C1 (en) * 2015-04-20 2016-07-10 Михаил Владимирович Ефанов Pulse generator

Patent Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US20100156195A1 (en) * 2008-05-23 2010-06-24 University Of Southern California Nanosecond pulse generator with a protector circuit
US8115343B2 (en) * 2008-05-23 2012-02-14 University Of Southern California Nanosecond pulse generator
RU2580787C1 (en) * 2015-02-11 2016-04-10 Михаил Владимирович Ефанов High-power nanosecond pulse generator (versions)
RU2589240C1 (en) * 2015-04-20 2016-07-10 Михаил Владимирович Ефанов Pulse generator

Similar Documents

Publication Publication Date Title
US10587188B2 (en) Resonant pulsed voltage multiplier and capacitor charger
US10211816B2 (en) Generator of powerful nanosecond pulses (variants)
CN110138360B (en) High-efficient pulse power generating circuit of demagnetization switch based on RSD
Hermann et al. Reverse-conducting-IGBTs—A new IGBT technology setting new benchmarks in traction converters
JPS6056062B2 (en) Gate circuit of gate turn-off thyristor
Li et al. Repetitive high voltage rectangular waveform pulse adder for pulsed discharge of capacitive load
RU2745112C1 (en) Nanosecond pulse generator
Canacsinh et al. Voltage droop compensation based on resonant circuit for generalized high voltage solid-state Marx modulator
US8699249B1 (en) Compensation schemes for the voltage droop of solid-state Marx modulators
Li et al. The design of new compact Marx generator
CN109004918A (en) A kind of subnanosecond high-voltage pulse generation circuit
CN106357146A (en) All-solid-state Marx generator
RU2457615C2 (en) Subnanosecond pulse generator
US20110215791A1 (en) Compensation schemes for the voltage droop of solid-state Marx modulators
EP1693945A1 (en) Pulse generator circuit
RU2824806C1 (en) Defibrillation pulse generator with adjustable shape
RU84158U1 (en) SEMICONDUCTOR HIGH VOLTAGE NANOSECOND PULSE GENERATOR
CN113098317B (en) Trigger circuit of RBDT device and application thereof in pulse generator
Yu et al. Design of a high efficiency 40kV, 300us, 200Hz solid-state pulsed power modulator with long pulse width
RU2738857C1 (en) Method for pulse generation with voltage inversion
Munir et al. Design of a novel gate driver circuit for a Marx generator based 40kV electric fence energizer
RU82390U1 (en) HIGH-VOLTAGE PULSE MODULATOR WITH NANOSECOND FRONT FOR CONTROL OF ELECTRO-OPTICAL SHUTTERS IN THE VIEW OF POCKSEL CELL
Golland et al. Integrated 30 kV solid-state switch for pulse power applications
Kurhade et al. Implementation of fast trigger generator for high coulomb spark gap switching
SU703897A1 (en) Square wave pulse generator