МОЩНЫЕ ВЫСОКОВОЛЬТНЫЕ ГЕНЕРАТОРЫ С ПОЛУПРОВОДНИКОВЫМИ КОММУТАТОРАМИ
There were considered schemes of powerful high-voltage generators with semiconductor switches in the form of IGBTtransistors and SOS- diodes. It is proposed to use in the discharge circuit of the generator with SOS-diodes as a highvoltage well as low-voltage circuit of pulsed transformer to increase...
Збережено в:
| Дата: | 2014 |
|---|---|
| Автори та афіліації: |
|
| Ключові слова: | keywords |
| Автор: | |
| Формат: | Стаття |
| Мова: | Українська |
| Опубліковано: |
Інститут електродинаміки НАН України, Київ
2014
|
| Теми: | |
| Онлайн доступ: | https://techned.org.ua/index.php/techned/article/view/1076 |
| Теги: |
Додати тег
Немає тегів, Будьте першим, хто поставить тег для цього запису!
|
| Назва журналу: | Technical Electrodynamics |
| Завантажити файл: |
|
Репозитарії
Technical Electrodynamics| _version_ | 1870203702986407936 |
|---|---|
| author | Бойко, Н.И. |
| author_facet | Бойко, Н.И. |
| author_institution_txt_mv | [
{
"author": "Н.И. Бойко",
"institution": "Національний технічний університет \"Харківський політехнічний інститут\", вул. Кирпичова, 2, Харків, 61002, Україна"
}
] |
| author_sort | Бойко, Н.И. |
| baseUrl_str | https://techned.org.ua/index.php/techned/oai |
| collection | OJS |
| datestamp_date | 2023-01-08T17:30:56Z |
| description | There were considered schemes of powerful high-voltage generators with semiconductor switches in the form of IGBTtransistors and SOS- diodes. It is proposed to use in the discharge circuit of the generator with SOS-diodes as a highvoltage well as low-voltage circuit of pulsed transformer to increase the efficiency and simplify the design. A scheme of the high-voltage pulse generator with a nanosecond front was proposed. The presence of linear pulse transformer in structure of the proposed generator with nanosecond front, high pulse repetition rate, an use in a discharge circuit high and low voltage circuits are its difference. References 6, figures 4. |
| first_indexed | 2026-06-16T01:18:15Z |
| format | Article |
| fulltext |
92 ISSN 1607-7970. Техн. електродинаміка. 2014. № 5
УДК 621.37
МОЩНЫЕ ВЫСОКОВОЛЬТНЫЕ ГЕНЕРАТОРЫ
С ПОЛУПРОВОДНИКОВЫМИ КОММУТАТОРАМИ
Бойко Н.И., докт.техн.наук
Национальный технический университет «Харьковский политехнический институт»,
ул. Фрунзе, 21, Харьков, 61002, Украина.
E-mail: qnaboy@mail.ru , eft@kpi.kharkov.ua
Рассмотрены схемные решения мощных высоковольтных генераторов с полупроводниковыми коммутаторами
в виде IGBT-транзисторов и SOS-диодов. Для увеличения КПД. и упрощения конструкции предложено исполь-
зовать в разрядном контуре генератора с SOS-диодами как высоковольтную, так и низковольтную цепи им-
пульсного трансформатора. Предложена схема такого генератора высоковольтных импульсов с наносекунд-
ным фронтом. Отличием предложенного генератора с наносекундным фронтом, высокой частотой следова-
ния импульсов, с использованием в разрядном контуре высоковольтных и низковольтных цепей является нали-
чие в его составе линейного импульсного трансформатора. Библ. 6, рис. 4.
Ключевые слова: генератор, коммутатор, транзистор, SOS-диод, высоковольтный импульсный трансформатор,
частота следования импульсов, емкостный накопитель, индуктивность, сопротивление нагрузки.
Генераторы с полупроводниковыми коммутаторами обеспечивают частоту следования импульсов в на-
грузку 50000 импульсов в секунду [1, 2]. Современные транзисторные сборки с рабочими напряжениями до
10 кВ в качестве силовых электронных коммутаторов энергии в низковольтных цепях высоковольтных генера-
торов позволяют получать микросекундные импульсы на нагрузке амплитудой 25÷500 кВ.
В [1-5] представлены генераторы на основе импульсных трансформаторов (ИТ) и IGBT-коммутаторов,
в которых ИТ и обратные диоды в IGBT используются для рекуперации энергии, не выделившейся в нагрузке.
В работе представлены режимы, в которых в разрядном контуре генераторов задействованы как высоковольт-
ная, так и низковольтная цепи ИТ. На рис. 1 показана схема генератора, в которой IGBT-ключ может использо-
ваться и как замыкающий, и как размыкающий коммутатор. На всех рисунках в работе Lнв, Lвв – индуктивность
рассеивания и подводящих проводников в низковольтной и высоковольтной обмотке ИТ соответственно. Схема
(рис. 1) опробована в ряде генераторов [1, 2]. Когда IGBT-ключ – размыкающий коммутатор, а индуктивность
намагничивания ИТ – промежуточный накопитель энергии, в разрядном контуре высоковольтной нагрузки уча-
ствуют и высоковольтная, и низковольтная цепи ИТ. Схема на рис. 1 содержит в высоковольтной цепи ИТ
только нагрузку и имеет высокий КПД (примерно 90 %). Но такая схема не обеспечивает наносекундную дли-
тельность фронта импульсов на нагрузке из-за микросекундной переходной характеристики ИТ. Для обостре-
ния фронта импульсов могут быть использованы SOS-диоды в высоковольтной цепи ИТ.
Схемы с SOS-диодами разработаны российскими учеными [5, 6]. Но в этих генераторах в цепях накач-
ки SOS-диодов используются
дроссели с насы-щением (маг-
нитные ключи), которые умень-
шают КПД генераторов. На
рис. 2 показана принципиальная
электрическая схема генератора
с IGBT-коммута-тором в низко-
вольтной цепи ИТ и SOS-комму-
татором в высоковольтной цепи
ИТ без дросселей с насыщением.
В схеме (рис. 2) разрядный кон-
тур через нагрузку содержит как
высоковольтные, так и низко-
вольтные элементы: R'н – С'вв –
L'вв – Lнв – Сосн – T – R'н, где
штрихи означают приведение к
низковольтной первичной об-
мотке ИТ. Генератор (рис. 2) в
случае использования Т (IGBT) в
качестве замыкающе-го комму-
татора работает следующим об-
разом. Предварительно заряжа-
ется низковольтная емкость Сосн
© Бойко Н.И., 2014
Реактор
к
Lнв
Lдр
СнЗУ
Rш
СУ
ИТ
Rс Св
Сн
T
Сз
d
Lвв
ЕДН
К осциллографу
Lнв
Рис. 1 Lдр
Сосн
ЗУ
СУ
ИТ
Rн
Сн
T
Сз
SOS
СввLввLнв
Рис. 2
ISSN 1607-7970. Техн. електродинаміка. 2014. № 5 93
L'вв
ТΣ
LμΣ СнвΣ
LнвΣ
SOS
С'вв
С'н
R'н
ЛИТ
основного накопителя энергии от зарядного устройства (ЗУ) до напряжения Uнв. После подачи управляющего
сигнала от системы управления (СУ) через драйвер(ы) на затворы IGBT-коммутатора транзисторы открывают-
ся. В результате этого через ИТ заряжается Свв до напряжения Uвв≤2ктUнв, где кт – коэффициент трансформации
ИТ. В приведенном неравенстве удвоение напряжения на Свв происходит из-за С'вв<<Сосн. Необходимая энергия
передается в высоковольтную цепь ИТ. При заряде Свв происходит накачка SOS-диодов в прямом направлении.
По окончании заряда Свв эта емкость разряжается по контуру SOS – С'вв – L'вв – Lнв – Сосн – T – SOS, осуществляя
обратную накачку SOS-диодов. В результате обратной накачки происходит наносекундный обрыв тока через
SOS, и ток переключается в нагрузку с активным сопротивлением Rн и емкостью Сн<Свв. При этом ток протека-
ет по разрядному контуру R'н – С'вв – L'вв – Lнв – Сосн – T – R'н в случае, когда Rн существенно меньше емкостного
сопротивления Хсн нагрузки. Иначе ток будет протекать как через R'н, так и через С'н. После переключения тока
в нагрузку возможны различные варианты использования энергии, запасенной в Свв. Например, в случае инак-
тивирующей обработки текучих водосодержащих пищевых продуктов или воды, когда Rн=(10÷100) Ом, Rн<Хсн
и требуется в каждом импульсе всю энергию, запасенную в Свв, рационально выделить в Rн, необходимо, чтобы
выполнялось неравенство R'н>>2[(L'вв+Lнв)/С'вв]1/2. В случае, когда нагрузкой генератора является реактор, в ко-
тором в результате обрыва тока через SOS возникает импульсный коронный разряд с наносекундным фронтом,
лишь малая часть энергии, запасенной в Свв, может выделиться в реакторе. Оставшуюся энергию следует вер-
нуть в первичный накопитель Сосн. Активное сопротивление коронного разряда − большое (Rн>10000 Ом). По-
этому для ускорения возвращения энергии из Свв в Сосн параллельно реактору следует подключить индуктив-
ность Lр (на рис. 2 Lр не показана), приведенная величина L'р которой, лежит в интервале (L'вв+Lнв)<L'р<Lμ.
При низкоомной нагрузке Rн<10 Ом и необходимости выделить в ней всю энергию из Свв в каждом им-
пульсе индуктивности Lsв, Lsн рассеивания обмоток ИТ требуется минимизировать. Это возможно выполнить,
применив в качестве ИТ линейный импульсный трансформатор (ЛИТ)
[6]. Схема мощного генератора с ЛИТ и полупроводниковыми комму-
таторами приведена на рис. 3, а схема замещения с приведеним к пер-
вичной обмотке ЛИТ – на рис. 4. Ферромагнитный магнитопровод
ЛИТ разделен на секции. На каждую секцию намотана одновитковая
первичная обмотка, в цепи которой находятся последовательно соеди-
ненные емкостный накопитель Снв и коммутатор Т (на рис. 3 IGBT-
ком-мутатор). Суммарная первичная обмотка состоит из ряда одновит-
ковых первичных обмоток, намотанных каждая на свою секцию. Вто-
ричная обмотка выполнена также одновитковой, но охватывает все
секции магнитопровода. Устройство ЛИТ обеспечивает минимальные
индуктивность рас-
сеивания Ls и намаг-
ничивания Lμ (при
этом Ls<<Lμ как и в
традиционных ИТ).
По-этому длитель-
ность переходной
характеристики ЛИТ
короче, чем у тради-
цион-ных ИТ. Ко-
эффициент транс-
формации повы-
шающего ЛИТ равен кт=n, где n – количество секций (или первичных обмоток, образующих суммарную пер-
вичную обмотку). На рис. 4 СнвΣ=nСнв, LнвΣ= Lнв/n, LμΣ= Lμ/n, Lμ – индуктивность намагничивания одной секции
ЛИТ, ТΣ – суммарный IGBT-коммутатор, состоящий из n секционных IGBT-коммутаторов Т, соединенных па-
раллельно.
Низкие значения Ls и Lμ приводят к увеличению тока в генераторе. Это повышает требования к комму-
таторам по пропускаемым токам. Современный IGBT модуль способен пропускать ток 1200 А, может выдер-
живать напряжение 3300 В и имеет время включения существенно меньше 1 мкс, а время выключения пример-
но 1 мкс (например, IGBT модуль MIO 1200-33E10). Учитывая то, что суммарная первичная обмотка состоит из
n составляющих ее первичных обмоток, в каждой из которых в качестве IGBT-коммутатора включен один мо-
дуль MIO 1200-33E10 с соответствующим драйвером, при n=25 коммутаторы суммарной первичной обмотки
способны пропустить ток Iдоп=30 кА. А расчетный ток Iр в разрядном контуре через суммарную первичную об-
мотку при Rн=8 Ом примерно равен Iр≈U'вв/R'н. При U'вв=300 В, R'н=Rн/n2=0,0128 Ом, Iр≈23,4 кА, Iдоп>Iр. Значит
IGBT-коммутаторы могут работать вместе с SOS-коммутаторами в разрядных контурах мощных высоковольт-
ных генераторов. Преимуществами полупроводниковых систем коммутации с IGBT в мощных высоковольтных
генераторах перед системами коммутации с искровыми разрядниками являются высокая допустимая частота
следования импульсов (до сотен тысяч импульсов в секунду), высокая стабильность импульсов на нагрузке.
Рис. 3 Рис. 4
ЛИТ
Т
Т
Т
Снв
Снв
Снв
Lнв
Lнв
Lвв
Lнв
Свв
Rн
Сн
SOS
94 ISSN 1607-7970. Техн. електродинаміка. 2014. № 5
Кроме того, такая система коммутации обеспечивает возможность управления моментами включения и выклю-
чения IGBT коммутаторов и полную синхронность их срабатывания при параллельной работе. Допустимую
частоту следования в нагрузку мощных высоковольтных импульсов с наносекундным фронтом в настоящее
время ограничивают, вероятно, SOS-коммутаторы на уровне нескольких тысяч импульсов в секунду.
1. Бойко Н.И., Евдошенко Л.С., Зароченцев А.И., Иванов В.М., Коняга С.Ф. Высоковольтный комплекс с двумя вы-
сокочастотными генераторами импульсов, регулирующими режимы коронного и барьерного разрядов при обработке газо-
образных углеродов // Технічна електродинаміка. – 2012. – № 2. – С. 105–106.
2. Бойко Н.И., Борцов А.В., Евдошенко Л.С., Иванов В.М. Генераторы высоковольтных импульсов с частотой сле-
дования до 50000 импульсов в секунду // Приборы и техника эксперимента. – 2011. – № 4. – С. 92–101.
3. Бойко Н.И., Борцов А.В., Евдошенко Л.С., Иванов В.М., Иванькина А.И., Тур А.Н. Импульсный коронный разряд
с расширенной зоной ионизации: физические основы получения и перспективные области применения // Електротехніка і
електромеханіка. – 2004. – №3. – С. 98–104.
4. Бойко Н.И., Борцов А.В., Евдошенко Л.С., Зароченцев А.И., Иванов В.М. Использование импульсного коронного
разряда с расширенной зоной ионизации для конверсии токсичных газообразных отходов // Електротехніка і електромехані-
ка. – 2007. – № 4. – С. 64–65.
5. Васильев П.В., Любутин С.К., Педос М.С., Пономарев А.В., Рукин С.Н., Сабитов А.К., Словиковский Б.Г., Тимо-
шенков С.П., Цыранов С.Н., Чолах С.О. SOS-генератор для технологических применений // Приборы и техника эксперимен-
та. – 2011. – № 1. – С. 61–67.
6. Месяц Г.А. Импульсная энергетика и электроника. – М.: Наука, 2004. – 704 с.
УДК 621.37
ПОТУЖНІ ВИСОКОВОЛЬТНІ ГЕНЕРАТОРИ З НАПІВПРОВІДНИКОВИМИ КОМУТАТОРАМИ
Бойко М.І. докт.техн.наук
Національний технічний університет «Харківський політехнічний інститут»,
вул. Фрунзе, 21, Харків, 61002, Україна. E-mail: qnaboy@mail.ru , eft@kpi.kharkov.ua
Розглянуто схемні рішення потужних високовольтних генераторів з напівпровідниковими комутаторами у ви-
гляді IGBT-транзисторів і SOS-діодів. Для підвищення ККД і спрощення конструкції запропоновано викорис-
тати у розрядному контурі генератора із SOS-діодами як високовольтне, так і низьковольтне кола імпульсного
трансформатора. Запропоновано схему такого генератора високовольтних імпульсів з наносекундним фронтом.
Відмінністю запропонованого генератора з наносекундним фронтом, високою частотою проходження імпуль-
сів, з використанням у розрядному контурі високовольтних і низьковольтних кіл є наявність у його складі лі-
нійного імпульсного трансформатора. Бібл. 6, рис. 4.
Ключові слова: генератор, комутатор, транзистор, SOS-діод, високовольтний імпульсний трансформатор, час-
тота проходження імпульсів, ємнісний накопичувач, індуктивність, опір навантаження.
POWERFUL HIGH-VOLTAGE GENERATORS WITH THE SEMICONDUCTOR SWITCHES
Boyko M.I.
National technical university "Kharkov polytechnic institute",
Frunze str. 21, Kharkiv, 61002, Ukraine. E-mail: qnaboy@mail.ru , eft@kpi.kharkov.ua
There were considered schemes of powerful high-voltage generators with semiconductor switches in the form of IGBT-
transistors and SOS- diodes. It is proposed to use in the discharge circuit of the generator with SOS-diodes as a high-
voltage well as low-voltage circuit of pulsed transformer to increase the efficiency and simplify the design. A scheme of
the high-voltage pulse generator with a nanosecond front was proposed. The presence of linear pulse transformer in
structure of the proposed generator with nanosecond front, high pulse repetition rate, an use in a discharge circuit high
and low voltage circuits are its difference. References 6, figures 4.
Key words: generator, switch, transistor, SOS-diode, high-voltage pulse transformer, pulse repetition frequency, capaci-
tive storage, inductance, load resistance.
1. Boyko N.I., Evdoshenko L.S., Zarochentsev A.I., Ivanov V.M., Koniaga S.F. The high-voltage complex with two high fre-
quency generators that regulate modes of corona and barrier discharges when processing gaseous hydrocarbons // Tekhnіchna elek-
trodynamіka. – 2012. – № 2. – Pp. 105–106. (Rus)
2. Boyko N.I., Bortsov A.V., Evdoshenko L.S., Ivanov V.M. Generators of high-voltage pulses with high pulse repetition fre-
quency of 50,000 pulses per second // Pribory i Tekhnika eksperimentov. – 2011. – № 4. – Pp. 92–101. (Rus)
3. Boyko N.I., Bortsov A.V., Evdoshenko L.S., Іvanov V.M., Ivankina A.I., Tur A.N. Pulsed corona discharge ionization with
enlarged zone of ionization: physical fundamentals of obtaining and the perspective fields of application // Elektrotekhnіka і elek-
tromekhanіka. – 2004. – №3. – Pp. 98 – 104. (Rus)
4. Boyko N.I., Bortsov A.V., Evdoshenko L.S., Zarochentsev O.І., Ivanov V.M. Using pulsed corona discharge with enlarged
zone of ionization for the conversion of toxic gaseous waste // Elektrotekhnіka і elektromekhanіka. – 2007. – № 4. – Pp. 64–65. (Rus)
5. Vasilyev, P., Liubutin, S., Pedos M., Ponomarev A., Rukin S., Sabitov A., Slovikovskii B., Timoshenkov S., Tsyranov S.,
Cholakh S. A SOS-Generator for technological applications // Pribory i tekhnika eksperimentov. – 2011. – № 1. – Pp. 61–67. (Rus)
6. Mesyats G.A. Pulsed Power and Electronics. – Moskva: Nauka, 2004. – 704 p. (Rus)
Надійшла 04.02.2014
|
| id | techned_org_ua-article-1076 |
| institution | Technical Electrodynamics |
| keywords_txt_mv | keywords |
| language | Ukrainian |
| last_indexed | 2026-06-16T01:18:15Z |
| publishDate | 2014 |
| publisher | Інститут електродинаміки НАН України, Київ |
| record_format | ojs |
| resource_txt_mv | technedorgua/8b/113d7eb5c998a05e8751450feff1618b.pdf |
| spelling | techned_org_ua-article-10762023-01-08T17:30:56Z POWERFUL HIGH-VOLTAGE GENERATORS WITH THE SEMICONDUCTOR SWITCHES МОЩНЫЕ ВЫСОКОВОЛЬТНЫЕ ГЕНЕРАТОРЫ С ПОЛУПРОВОДНИКОВЫМИ КОММУТАТОРАМИ Бойко, Н.И. generator switch transistor SOS-diode high-voltage pulse transformer pulse repetition frequency capacitive storage inductance load resistance генератор коммутатор транзистор SOS-диод высоковольтный импульсный трансформатор частота следования импульсов емкостный накопитель индуктивность сопротивление нагрузки There were considered schemes of powerful high-voltage generators with semiconductor switches in the form of IGBTtransistors and SOS- diodes. It is proposed to use in the discharge circuit of the generator with SOS-diodes as a highvoltage well as low-voltage circuit of pulsed transformer to increase the efficiency and simplify the design. A scheme of the high-voltage pulse generator with a nanosecond front was proposed. The presence of linear pulse transformer in structure of the proposed generator with nanosecond front, high pulse repetition rate, an use in a discharge circuit high and low voltage circuits are its difference. References 6, figures 4. Рассмотрены схемные решения мощных высоковольтных генераторов с полупроводниковыми коммутаторами в виде IGBT-транзисторов и SOS-диодов. Для увеличения КПД. и упрощения конструкции предложено использовать в разрядном контуре генератора с SOS-диодами как высоковольтную, так и низковольтную цепи импульсного трансформатора. Предложена схема такого генератора высоковольтных импульсов с наносекундным фронтом. Отличием предложенного генератора с наносекундным фронтом, высокой частотой следования импульсов, с использованием в разрядном контуре высоковольтных и низковольтных цепей является наличие в его составе линейного импульсного трансформатора. Библ. 6, рис. 4. Інститут електродинаміки НАН України, Київ 2014-08-11 Article Article application/pdf https://techned.org.ua/index.php/techned/article/view/1076 Tekhnichna Elektrodynamika; No. 5 (2014): TEKHNICHNA ELEKTRODYNAMIKA; 092 ТЕХНІЧНА ЕЛЕКТРОДИНАМІКА; № 5 (2014): ТЕХНІЧНА ЕЛЕКТРОДИНАМІКА; 092 2218-1903 1607-7970 uk https://techned.org.ua/index.php/techned/article/view/1076/953 Авторське право (c) 2023 ТЕХНІЧНА ЕЛЕКТРОДИНАМІКА https://creativecommons.org/licenses/by-nc-nd/4.0 |
| spellingShingle | генератор коммутатор транзистор SOS-диод высоковольтный импульсный трансформатор частота следования импульсов емкостный накопитель индуктивность сопротивление нагрузки Бойко, Н.И. МОЩНЫЕ ВЫСОКОВОЛЬТНЫЕ ГЕНЕРАТОРЫ С ПОЛУПРОВОДНИКОВЫМИ КОММУТАТОРАМИ |
| title | МОЩНЫЕ ВЫСОКОВОЛЬТНЫЕ ГЕНЕРАТОРЫ С ПОЛУПРОВОДНИКОВЫМИ КОММУТАТОРАМИ |
| title_alt | POWERFUL HIGH-VOLTAGE GENERATORS WITH THE SEMICONDUCTOR SWITCHES |
| title_full | МОЩНЫЕ ВЫСОКОВОЛЬТНЫЕ ГЕНЕРАТОРЫ С ПОЛУПРОВОДНИКОВЫМИ КОММУТАТОРАМИ |
| title_fullStr | МОЩНЫЕ ВЫСОКОВОЛЬТНЫЕ ГЕНЕРАТОРЫ С ПОЛУПРОВОДНИКОВЫМИ КОММУТАТОРАМИ |
| title_full_unstemmed | МОЩНЫЕ ВЫСОКОВОЛЬТНЫЕ ГЕНЕРАТОРЫ С ПОЛУПРОВОДНИКОВЫМИ КОММУТАТОРАМИ |
| title_short | МОЩНЫЕ ВЫСОКОВОЛЬТНЫЕ ГЕНЕРАТОРЫ С ПОЛУПРОВОДНИКОВЫМИ КОММУТАТОРАМИ |
| title_sort | мощные высоковольтные генераторы с полупроводниковыми коммутаторами |
| topic | генератор коммутатор транзистор SOS-диод высоковольтный импульсный трансформатор частота следования импульсов емкостный накопитель индуктивность сопротивление нагрузки |
| topic_facet | generator switch transistor SOS-diode high-voltage pulse transformer pulse repetition frequency capacitive storage inductance load resistance генератор коммутатор транзистор SOS-диод высоковольтный импульсный трансформатор частота следования импульсов емкостный накопитель индуктивность сопротивление нагрузки |
| url | https://techned.org.ua/index.php/techned/article/view/1076 |
| work_keys_str_mv | AT bojkoni powerfulhighvoltagegeneratorswiththesemiconductorswitches AT bojkoni moŝnyevysokovolʹtnyegeneratoryspoluprovodnikovymikommutatorami |