Высоковольтные твердотельные коммутирующие устройства ООО «ПАРАМЕРУС»

Введение

Современная промышленность имеет большую потребность в высоковольтных импульсных устройствах, обусловленную динамичным развитием оптических, лазерных, СВЧ и медицинских диагностических технологий. Формирование высоковольтных импульсов напряжением более 1 кВ является сложной инженерной задачей ввиду ограниченности большинства быстродействующих высоковольтных транзисторов рабочим напряжением 1,2 кВ.

Долгое время для переключения напряжения большей амплитуды использовались лампы, разрядники, тиратроны и высоковольтные электромеханические реле, однако каждому из перечисленных устройств свойственны значительные недостатки, ограничивающие их применимость. Так, лампы не способны коммутировать большие импульсные токи, а ввиду низкого КПД их нагрев недопустимо высок для современных применений. Разрядники могут коммутировать напряжение лишь в небольшом диапазоне, для них характерны низкая предельная частота и недолговечность. Тиратроны требуют высокомощного вспомогательного источника постоянного тока накала, а форма получаемого с их помощью высоковольтного импульса не только далека от идеального прямоугольника, но и дрейфует в течение срока службы. К недостаткам высоковольтных реле можно отнести низкие предельные частоты переключения и недолговечность.

Для формирования высоковольтных импульсов современной альтернативой устаревающим приборам стали высоковольтные твердотельные коммутирующие устройства (далее — коммутаторы). Они отличаются высокой долговечностью и надежностью, возможностью работы на частотах до нескольких мегагерц, а также способностью формировать прямо­угольные импульсы длительностью от десятков наносекунд до неограниченной. Благодаря возможности работы в режиме реле (открытие на неограниченное время) коммутаторы также подходят для подачи постоянного тока на высоковольтную нагрузку, такую как лампа бегущей волны (лбв). Электрически коммутаторы представляют собой высоковольтный транзистор с цифровым управлением затвором, гальванической изоляцией силового канала и интегрированным антипараллельным высоковольтным диодом.

Коммутаторы эксплуатируются в высокотехнологичных устройствах, таких как спектрометры, импульсные лазеры, модуляторы радиолокационных систем, лазерные усилители, приборы ночного видения, газовые лазеры и лазерные дальномеры, а также электровакуумные приборы и устройства.

Коммутаторы имеют обширный диапазон применений, и решение задачи правильного выбора устройства, способного обеспечить пользователю необходимые характеристики, является основополагающим фактором успешной реализации проекта. Для первичной оценки компании-изготовителю необходимо получить от заказчика следующие параметры:

• рабочее напряжение, с учетом возможных выбросов при коммутации;
• максимальный импульсный ток;
• рабочую частоту;
• требования к длительности импульса;
• необходимые скорости нарастания и спада импульса;
• среднюю мощность в нагрузке;
• тип нагрузки.

Коммутирующие устройства, выпускаемые ООО «ПАРАМЕРУС», функционально можно разделить на однотактные коммутаторы, полумостовые коммутаторы, твердотельные реле, коммутаторы для фотоники. Особо стоит отметить высоко­вольтные импульсные генераторы, совмещающие по своей структуре «коммутатор + высоковольтный источник питания + один или несколько источников смещения и нити накала».

Рис. 1. Коммутаторы серии HVS-B и HVS-C

Рис. 2. Коммутаторы серии HVS-D и HVS-E

Однотактные коммутаторы представлены четырьмя сериями: HVS-B, HVS-C (рис. 1), HVS-D, HVS-E (рис. 2). Приборы ранжированы по мощности, от самых компактных моделей HVS-B до сильноточных коммутаторов повышенной мощности HVS-E с принудительным охлаждением, которые применяются, когда нагрузка носит преимущественно активный характер.

• HVS-B — серия ультракомпактных высоко­вольтных коммутаторов с рассеиваемой мощностью до 4 Вт. Максимальное коммутируемое напряжение составляет 10 кВ, пиковый ток может достигать 140 А. Данный тип коммутаторов — это бюджетное решение, предназначенное в основном для мобильных и передвижных систем, а также для проведения различных НИОКР.
• HVS-C — базовая серия высоковольтных коммутаторов. Максимальное коммутируемое напряжение достигает 12 кВ, пиковый ток — 660 А. Данный тип коммутаторов характеризуется высокой импульсной и средней мощностью.
• HVS-D — серия высоковольтных коммутаторов с повышенным рабочим напряжением. Максимальное коммутируемое напряжение составляет 35 кВ, пиковый ток может достигать 100 А. Устройства данной серии характеризуются повышенной помехо­устойчивостью, что позволяет обеспечить стабильную работу устройства даже в присутствии сильных помех. Изделия предназначены для работы с высоковольтными СВЧ-приборами, импульсными источниками излучения и электростатическими линзами.
• HVS-E — серия высоковольтных сильноточных коммутаторов повышенной мощности. Максимальное коммутируемое напряжение составляет 20 кВ, пиковый ток достигает 1000 А. Для коммутаторов данной серии характерны пиковая мощность импульса до нескольких мегаватт, повышенная теплопроводность корпуса, широкий спектр опций для улучшенного охлаждения. Устройства предназначены для работы в сильноточных высоковольтных контурах, таких как газовые лазеры и лазеры на парах металлов, системы поджига плазмы, высоко­вольтные двигатели.
• Полумостовые коммутаторы, представленные сериями HVS-HB, HVS-HBM (рис. 3), предназначены для управления нагрузками любого типа, когда важен четкий задний фронт высоковольтного импульса.
  
  

  Рис. 3. Схемы включения двухтактных коммутаторов

• HVS-HB — базовая версия высоковольтных коммутируемых устройств полумостовой конфигурации. Максимальное коммутируемое напряжение составляет 10 кВ, пиковый ток может достигать 100 А. Устройства предназначены для емкостной нагрузки и симметричной работы обоих плеч коммутатора.
• HVS-HBM — версия высоковольтных коммутирующих устройств полумостовой конфигурации для смешанной нагрузки и несимметричной работы плеч коммутатора. Максимальное коммутируемое напряжение составляет 35 кВ, пиковый ток может достигать 250 А. Рекомендуется для применения в составе СВЧ-устройств.

Твердотельные реле, представленные серией HVS-RH (рис. 4), — это высоковольтные твердотельные полумостовые реле с цифровым управлением. Максимальное коммутируемое напряжение составляет 30 кВ, пиковый ток — 15 А. Устройства предназначены для переключения полярности высокого напряжения на нагрузке либо для разрядки нагрузки на землю. Приборы многократно превосходят вакуумные и механические реле по сроку службы, подходят для горячего переключения, обладают способностью выключить оба вывода и защитами от протекания сквозного тока и превышения максимальной частоты.

Рис. 4. Коммутаторы серии HVS-RH

Рис. 5. Коммутаторы серии HVS-ONQ, HVS-OFFQ, HVS-HBP и HVS-FBP

Коммутаторы для фотоники представлены сериями HVS-ONQ, HVS-OFFQ и HVS-HBP, HVS-FBP (рис. 5). Устройства предназначены для работы с ячейками Поккельса. Применяемые типы охлаждения: кондуктивное или жидкостное.

• HVS-ONQ — коммутаторы предназначены для формирования импульса напряжения с резким нарастанием и плавным спадом на нагрузке малой емкости (до 6 пФ). Максимальное коммутируемое напряжение составляет 9 кВ, максимальная частота непрерывной работы 400 кГц.
• HVS-OFFQ — коммутаторы предназначены для формирования импульса напряжения с резким спадом и плавным нарастанием на нагрузке малой емкости (до 6 пФ). Максимальное коммутируемое напряжение составляет 9 кВ, максимальная частота непрерывной работы 400 кГц.
• HVS-HBP — коммутаторы предназначены для формирования прямоугольных импульсов на нагрузке малой емкости
  (до 6 пФ). Максимальное коммутируемое напряжение составляет 4,2 кВ, максимальная частота непрерывной работы 250 кГц, длительность импульса от 100 нс (рис. 6).
  
  

  Рис. 6. Осциллограмма работы коммутатора серии HVS-HBP на емкостную нагрузку

• HVS-FBP — коммутаторы предназначены для формирования узких импульсов на нагрузке малой емкости (до 6 пФ). Максимальное коммутируемое напряжение составляет 4,2 кВ, максимальная частота непрерывной работы 250 кГц (рис. 7).
  
  

  Рис. 7. Осциллограмма работы коммутатора серии HVS-FBP на емкостную нагрузку

Конкурентным преимуществом коммутаторов для фотоники является наличие аналогового термодатчика, отслеживающего температуру устройства и передающего эти данные пользователю. Таким образом, пользователь может определить, на какой процент от допустимой мощности работает устройство в конкретный момент, с учетом используемой системы охлаждения.

Рис. 8. Импульсные генераторы HVG и SHVG

Импульсные генераторы представлены моделями HVG и SHVG (рис. 8). Для работы устройств не требуется внешнего высоковольтного источника питания, коммутатора и согласующих устройств для связки «источник-коммутатор». Параметры выходных импульсов соответствуют входному управляющему сигналу от внешнего генератора прямоугольных импульсов TTL-уровня, поддерживается возможность генерации импульсов заданной длины по фронту управляющего импульса, а также возможность создания пользовательского алгоритма генерации импульсов. Возможна модификация стандартных моделей для создания генераторов импульсов с несколькими выходами, при этом напряжение на дополнительных выходах может быть синхронизировано и/или смещено на постоянную величину относительно импульса на основном выводе или генерироваться автономно по сигналу с внешнего сигнального генератора или внутреннего таймера. Разработаны модели генераторов, предназначенных для управления ячейкой Поккельса экстремально высокой емкости (50 пФ).

• HVG — серия компактных импульсных устройств, которые могут быть интегрированы в состав приборов научно-исследовательского, медицинского и общепромышленного назначения, а также использоваться как автономные устройства. Освоены высоковольтные генераторы прямоугольных импульсов амплитудой до 8 кВ с крутым фронтом и спадом импульса.
• SHVG — серия программируемых импульсных генераторов в приборном корпусе, позволяющих управлять устройством с передней панели или удаленно, используя цифровые интерфейсы управления.

Освоенные технологии позволяют ООО «ПАРАМЕРУС» серийно выпускать любой генератор для электрооптики с рабочим напряжением до 10 кВ.

Общие требования и рекомендации по работе с высоковольтными коммутирующими устройствами:

• Допускается использовать только безындукционные резисторы. Не допускается применение проволочных резисторов. В качестве нагрузочных или шунтирующих следует использовать резисторы, устойчивые к импульсу. В противном случае пиковый ток через данные элементы может многократно превышать расчетное значение. Специалисты ООО «ПАРАМЕРУС» рекомендуют использовать керамические и цементные резисторы. Номинал резистора должен быть таким, чтобы ток в контуре не превысил максимально допустимое для коммутатора значение.
• Для получения наилучших скоростных параметров длина контура от высоковольтного конденсатора до заземления должна быть минимальна. В случае если длину провода до накопительной емкости нельзя сократить менее 20 см, рекомендуется в непосредственной близости от коммутатора расположить конденсатор емкостью 100–150 пФ для фильтрации осцилляций, вызванных индуктивностью контура. Для использования коммутатора с емкостной или индуктивной нагрузкой необходимо проконсультироваться с производителем.
• При подключении коммутатора к нагрузке, ранее не тестируемой, начинать следует с пониженного коммутируемого напряжения и сниженной частоты работы/единичных импульсов. Необходимо контролировать выбросы выходного напряжения и нагрев коммутатора. Превышение номинальных параметров может привести к выходу устройства из строя.
• При подключении коммутатора нужно строго соблюдать полярность.
• Все коммутаторы могут подключаться в схему с плавающим потенциалом. Для этого в любой из предложенных выше схем с однополярным питанием (рис. 9) следует заменить подключенный к силовому каналу коммутатора контакт заземления на выход высоковольтного источника той же полярности, что и уже подключенный. При этом амплитуды напряжений должны выбираться так, чтобы потенциал на высоковольтной клемме коммутатора «HV–» никогда не был выше, чем на высоковольтной клемме «HV+».
  
  

  Рис. 9. Схемы включения однотактных коммутаторов

• При подключении коммутаторов в схему с плавающей «землей» разница напряжений источников питания не должна превышать максимальное рабочее напряжение коммутатора, а наибольшее из этих напряжений — электропрочность гальванической изоляции между силовой и управляющей частью коммутатора.
• Использовать коммутаторы с индуктивной нагрузкой следует с крайней осторожностью, поскольку открытие и закрытие коммутатора может происходить за время порядка единиц наносекунд, что может привести к сильнейшим индуктивным выбросам. Кроме того, важно следить, чтобы ни в какой момент времени через коммутатор не протекал обратный ток. Несмотря на то, что в большинство высоковольтных ключей производства ООО «ПАРАМЕРУС» встроен обратный антипараллельный диод, его быстродействие часто может оказаться недостаточным для своевременного восстановления блокирующей способности устройства.
• Емкость нагрузки сильно зависит от ее типа и может вносить существенные искажения в форму импульса, а в ряде случаев — приводить к неконтролируемому росту тока через коммутатор и выходу его из строя.
  Что касается собственной емкости коммутатора, она всегда представлена в документации на устройство. Ее значение и протекающий через контур ток определяют крутизну спада высоковольтного импульса: чем выше ток и ниже емкость, тем быстрее закончится высоковольтный импульс на нагрузке после перехода управляющего TTL-сигнала в 0. Как правило, значение паразитной емкости составляет от единиц до десятков пФ. В случае если значение паразитной емкости конкретно выбранного коммутатора не позволяет использовать его в вашем контуре, следует выбрать другое устройство с меньшим значением емкости.

Для наглядности в таблице приведены примеры коммутаторов и импульсных генераторов различных серий.

В статье сделан краткий обзор высоковольтных коммутирующих устройств производства ООО «ПАРАМЕРУС» и приборов на их основе, показаны плюсы использования полупроводниковых коммутаторов в сравнении с традиционными устаревающими приборами, такими как разрядники и радиолампы, представлено упрощенное руководство по подбору и тестированию.