Генератор мощных наносекундных импульсов

(19) (51) Н 03 К 3 1 г) ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИ ТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТ ОЩН СОВ митет Российской Федераци патентам и товарным знакам(56) 1. Кардо-Сысоев А.Ф Чашников И.Г,Полупроводниковый генератор высоковольтных импульсов с емкостной нагрузкой.ПТЭ 1986, Х 1, с.107-109, 2. Тучкевич В.М.,Грехов И.В. Новые принципы коммутациибольших мощностей полупроводниковымиприборами. Л.: Наука, 1988, с,104-107, 3.Зи С.Физика полупроводниковых приборов.М.: Мир, 1984, т.1, с.52-54, 109, т.2, с.156,4. Авторское свидетельство СССР Х1487774, 1986.(57) Изобретение относится к области мощной импульсной техники и может быть использовано в системах питания мощных лазеров, в видеоимпульсной радиолокации и т,д. Оно решает задачу увеличения быстродействия генератора мощных наносекундных импульсов за счет уменьшения времени нарастания и спада напряжения на нагрузке. Генератор мощных наносекундных импульсов, содержит дрейфовый диод с резким восстановлением обратного сопротивления (9), нагрузку (8) и две цепи, каждая из которых содержит последовательно соединенные ключ (2,5), конденсатор (4,5) и индуктивный накопитель энергии (6,7), дополнительный диод (1), причем площадь р-п-перехода дрейфового диода с резким восстановлением обратного сопротивления (31), толщина его базы (щ) и соотношение индуктив иост ей индуктивных накопителей3 1804271 4энергии (1.1 и 1.2) удовлетворяют следующим проницаемость, пороговая напряженностьвыражениям; поля, при которой начинается ударнаяБ ЗЛ 2/М; ЫгЛ-+1.2 ионизация, и насыщенная скорость носителейЕзе 2 Д 31 фз ,Е еУ Цтока в материале, из которого выполнендрейфовый диод с резким восстановлением,где Х 1 - концентрация легирующей примесив базе дрейфового диода с резким восстановф-лы, 2 ил,лением; 32, М 2 - площадь р-и-перехода иконцентрация примеси в базе дополнительного диода; е, Е, Уз -диэлектрическаяИзобретение относится к области мощной импульсной техники и может быть использовано для повышения быстродействия систем питания мощных лазеров, в видеоимпульсной радиолокации и т,д.Целью изобретения является увеличение быстродействия генератора за счет уменьшения времени нарастания и спада напряжения на нагрузке,На фиг.1 представлена схема предлагаемого генератора, где 1 - дрейфовый диод с резким восстановлением обратного сопротивления (ДДРВ), 2,3 - первый и второй ключи, соответственно; 4,5 - первый и второй кощенсаторы, соответственно; 6,7 - первый и второй ИНЭ, соответственно; 8 - нагрузка;9 - дополнительный диод, 10 - дополнительный конденсатор, 11 - источник настоянного тока; на фиг. 2 - временные диаграммы напряжений: 1 - на ДДРВ, 2 - на нагрузке 8.Генератор работает следующим образом. В исходном состоянии ключи 2 и 3 разомкнуты, кощенсаторы 4 и 5 заряжены до напряжения источника постоянного токапричем, полярность напряжения на обкладках конденсаторов такова, что конденсатор 4 в дальнейшем обеспечивает протекание через ДДРВ 1 прямого тока, а конденсатор 5 - обратного тока (или наоборот). В момент времени т, замыкается ключ 2 и в 1.С-контуре из элементов 1,2,4,6 протекает ток в прямом для ДДРВ 1 направлении. Таким образом осуществляется "накачка" неравновесных носителей в базу ДДРВ 1, В момент времени 1 задержанный относительно 1, на Т/2 (где Т - период колебаний .С-контура из элементов 1,2,4,6), замыкается ключ 3, обеспечивая протекание в 1.С- контуре из элементов 1,5,3,7 тока в обратном для ДДРВ 1 направлении, При равенстве индуктивностей ИНЭ 6 и 7 и равенстве емкостей конденсаторов 4 и 5 первая полуволна тока в 1.С-контуре (1,2,4,6) находится в фазе со второй полуволной тока в 1.С-контуре (1,5,3,7). Следовательно ток обратной полярности в ДДРВ 1 равен сумме токов этих двух полуволн. Физические процессы в ДДРВ таковы, что, когда заряд, вынесенный из него обратным током, становится равным заряду, внесенному прямым током, происходит восстановление обратного сопротивления ДДРВ 1, и обрыв тока через него. При равенстве индуктивностей 6 и 7, а также емкостей 4 и 5 обрыв тока через ДДРВ 1 произойдет в момент времени 1 = 3/4 Т, когда ток через него максимален. Пока т,11, падение напряжения на ДДРВ 1 мало(где - скорость уменьшения тока через ДДРВ 1),По мере нарастания напряжения на ДДРВ 1 увеличивается и обратное напряжение на дополнительном диоде 9, Диод 9 в предлагаемом генераторе работает в режиме обострителя переднего фронта подаваемого на него импульса. Пока обратное напряжение на нем меньше напряжения пробоя р-пперехода, ток через него не протекает. При заметном превышении напряжения пробоя в области р-и-перехода происходит возбуждение волны ударной ионизации (ВУИ), пробегающей затем . через базу диода, В результате этого база диода заполняется электронно-дырочной плазмой, и диод 9 переходит в проводящее состояние, Падение напряжения на нем резко уменьшается. Одновременно с этим происходит рост тока и напряжения на нагрузке 8. По мере спада напряжения на ДДРВ 1 уменьшается и напряжение на нагрузке 8, Таким образом формируется выходной импульс генератора,Отметим, что для того, чтобы произошло возбуждение ВУИ в диоде 9, необходимо, чтобы обратное напряжение на нем на короткое время заметно превысило его напряжение пробоя 11, Напряжение же на ДДРВ 1 не должно превышать его напряжение пробоя, иначе генератор выйдет из строя, Разрешить это противоречие можно, если ДДРВ 1 и дополнительный диод 9 выполнены таким образом, что напряжение пробоя ДДРВ 1 больше, чем напряжение пробоя дополнительного диода 9, например, они изготовлены из разных материалов или имеют разную концентрацию примеси в базе, В других случаях схема генератора либо должна быть дополнена еще одним источником постоянного смещения, подсоединенным параллельно диоду 9 и нагрузке 8, либо вместо одиночного ДДРВ в качестве выходного размыкающего элемента должны быть использованы п ДДРВ, соединенные последовательно, что является традиционным способом при переключении с помощью ДДРВ напряжений, превышающих 11, И в том, и в другом случае схема предлагаемого генератора изменится несущественно, а принципы ее работы останутся теми же. Следует отметить также, что предлагаемый генератор может содержать не один дополнительный диод, а ш соединенных последо18 вательно дополнительных диодов, что также позволит увеличить амплитуду импульса напряжения, формируемого на нагрузке,При наличии в схеме генератора дополнительного диода 9, работающего в режиме диодного обострителя, время нарастания напряжения на нагрузке 8 определяется временем переключения диода 9, Время переключения диода 9 существенно меньше времени нарастания напряжения на ДДРВ 1, которым определяется время нарастания выходного импульса в прототипе (фиг.2), Так, время нарастания напряжения на ДДРВ 1 определяется временем пролета носителей через базу, и при характерной толщине базы (100-200)10 см и насьпценной скорости носителей в кремнии 10 см/с составляет (1-2)109 с, Время же переключения диода 9 определяется временем пробега ВУИ через его базу, и как установлено экспериментально, при тех же значениях толщины базы составляет величину порядка 10 с, т,е, на-опорядок меньше, Следовательно, и время нарастания напряжения на нагрузке 8 на порядок меньше, чем в прототипе,Наличие дополнительного диода 9 в схеме генератора и одновременное выполнение соотношения (1-3) между параметрами диода 9, ДДРВ 1 и ИНЭ б и 7 позволяет уменьшить также и время спада напряжения на нагрузке 8 по сравнению с прототипом,В предлагаемом изобретении время спада напряжения определяется постоянной времени КС, (С, - барьерная емкость ДДРВ 1) в отличие от прототипа, в котором длительность спада определяется величиной 1.1.г--- (2). гВеличина КС, может быть(з значительно менъше, чем т,к, уменьшение С, повышает требования к остальным элементам схемы генератора в меньшей степени, чем уменьшение 1., и 12, Для того, чтобы время спада определялось величиной КС, к моменту включения диода 9 основная доля энергии, накопленной в ИНЭ б и 7, должна быть израсходована на заряд барьерной емкости ДДРВ 1, который происходит при обрыве тока пока напряжение на ДДРВ 1 нарастает, а диод 9 еще заперт. То есть должно быть выполнено условие Яь0 (4)где Яь - энергия, накопленная в ИНЭ б и7; 04271 8Яс, - энергия, накопленная в барьернойемкости ДДРВ 1 к моменту включениядиода 9,После ряда преобразований условие (4)может быть приведено к виду (5)1.1. з г2 Е е1 +1 9 3)(3121 З 1 Если генератор содержит и последовательно включенных выходных ДДРВ 1, то выражение (5) принимает вид1.1. з г1 г Ееп3 ЪЧБ1 З 1 (б)Как следует из вышесказанного в предлагаемом изобретении ДДРВ 1 является не только размыкающим элементом, но и промежуточным накопителем энергии, которая в дальнейшем расходуется на формирование выходного импульса, Следовательно, потери накопительной энергии непосредственно в самом ДДРВ 1 должны быть малы, Это требование обеспечивается, если толщина базовой области ДДРВ 1 ж равна или меньше ширины области объемного заряда в ней ю, т,е, чю Максимальные потери составляют 250 от накопленной энергии, При ю1 эти потери еще меньше. Указанное условие может быть приведено к виду (7) иЕе(7)Кроме того, должны быть малы потери и в дополнительном диоде 9, который выполняет функции ключа. Основная доля энергии, рассеиваемой в диоде 9, расходуется на заряд барьерной емкости этого диода, пока он находится в запертом состоянии, и в дальнейшем тратится на возбуждение ВУИ в нем, Чтобы эта энергия, а следовательно и потери в диоде 9, составляли не слишком большую часть энергии, накопленной в барьерной емкости ДДРВ 1, должно выполняться уаювие С,Сгде С, - барьерная емкость диода 9, Если ДДРВ 1 и диод 9 выполнены из одного и того же материала, то условие малости потерь в диоде 9 принимает вид (8) или, если генератор содержит и выходных ДДРВ и ш дополниНБ Б - ; (8) 1 2БИпБ, (9)1 П)Мтельных диодов, вид (9)В предлагаемом генераторе роль промежуточного накопителя энергии выполняет ДДРВ 1, и времени спада напряжения9 18 определяется его барьерной емкостью, Величина времени спада может быть изменена только за счет изменения этой емкости, т,е. изменения площади диода или концентрации примеси в его базе, что не всегда возможно. Для того, чтобы регулировать время спада предлагается использовать дополнительный конденсатор 10, подсоединенный параллельно ДДРВ 1, Дополнительный конденсатор 10 выполняет ту же роль, что и барьерная емкость ДДРВ 1, время же спада напряжения на нагрузке при этом определяется величиной К(С, + С), где С - емкость дополнительного конденсатора, и за счет изменения С может быть изменено в широких пределах.Таким образом, введение в генератор дополнительного диода и одновременное выполнение соотношений (1 - 3) между параметрами элементов генератора позволяет использовать ДДРВ 1 одновременно в качестве размыкающего элемента и промежуточного накопителя энергии. В результате оказывается возможным уменьшить время нарастания и спада напряжения на нагрузке, и тем самым увеличить быстродействие генератора.Использование дрейфовых диодов с резким восстановлением обратного сопротивления для размыкания цепей протекания тока известно, Известно также и использование дрейфовых диодов для обострения фронта подаваемых на них импульсов, Однако, сочетание этих двух элементов таким образом, как это сделано в предлагаемом изобретении, при одновременном наложении сформированных вьппе требований на параметры этих элементов и на величину индуктивностей генератора, впервые позволило использовать ДДРВ 1 одновременно в качестве размыкающето элемента и в качестве промежуточного накопителя энергии для формирования выходного импульса генератора. В результате оказалось возможным уменьшить как время нарастания, так и время спада напряжения на нагрузке, а следовательно, и быстродействие генератора импульсов,Кроме того, известные диоды, выполняющие функции обострителей фронта, традиционно подсоединяют последовательно с выходной шиной генератора с помощью коаксиальной линии передач, При этом до переключения диода половина энергии импульса, подаваемого на вход линии, рассеивается в виде отраженной волны, что увеличивает потери энергии при работе генератора. В предлагаемом изобретении линии передачи не нужна, и практически 04271 10 вся энергия, накопленная в ИНЭ может быть преобразована в энергию выходного импульса, В результате использование предлагаемого изобретения позволяет "сжать" импульс напряжения практически без уменьшения его энергии. Таким образом, предлагаемое изобретение позволяет увеличить быстродействие генератора мощных наносекундных импульсов за счет уменьшения времени нарастания и спада напряжения на нагрузке при одновременном увеличении его КПД и мощности формируемого импульса,П р и м е р. При конкретной реализации предлагаемого изобретения в качестве каждого из ключей 2 и 3 использовалась транзисторная сборка из двух транзисторов КТ 904 и КТ 912, соединенных по схеме Дарлингтона. Частота следования импульсов задавалась схемой управления транзисторных ключей 2 и 3, собранной на пяти микросхемах типа К 155 (на фиг.1 не показана), и регулировалась от 100 Гц до 100 кГц, Время задержки замыкания ключа 3 относительно ключа 2 (т,-т,) составляло 10 с. Конденсаторы 4 и 5 имели емкости 5 ф 10Ф, Они заряжались от источника постоянного тока Б 5-50 до напряжения 50 В через зарядные элементы, каждый из которых представлял собой последовательно соединенные дроссель (десять витков диаметром 1 см) и мощный быстродействующий диод КД 213. Индуктивность дросселей имела величину 10Гн и была выбрана так, чтобы время заряда конденсаторов 4 и 5 было меньше периода следования импульсов генератора, Зарядные элементы на фиг.1 не показаны, т.к, способ их подключения является традиционным для заряда накопительных конденсаторов в генераторах импульсов, Индуктивности ИНЭ б и 7 имели величину 10 Гн, а сопротивление нагрузки 50 Ом.В качестве элемента 1 были использованы три последовательно соединенные ДДРВ (и = 3), ДДРВ 1 и дополнительный диод 9 были изготовлены из кремния и имели структуру +. лр -и-и - типа. Их параметры имели следующие значения; площадь р-и- переходов ДДРВ Б, = 0,3 см, площадь р-и- переходов2диода 9 3 = 0,05 смм, толщина и-базы ДДРВ чг = 10 см, толщина и-базы диода 9 1,5 ф 10 см, концентрация примеси в и-базах ДДРВ и диода 9 Х, М, = 10" см, что обеспечивало напряжение пробоя этих диодов 0 = 1,7 ф 10 В. Таким образом, генератор, содержащий 3 ДДРВ мог формировать импульсы амплитудой до 5 ф 10 В (3 0,).Для кремния Ч, - 10" см/с, е = 10" Ф/см и при указанной величине Х, Е=21011 1804271 12В/см, Покажем, что при таких значениях нарастания напряжения на нагрузке 210-опараметров элементов генератора условия с и временем спада 2,5 ф 10 " с, т.е. полная(6,7,9) выполняются. длительность импульса составляла 4,5 ф 10Е е (2 10 )(10 ) с,ээ г -1 з (,14 з (,7 г Прототип же при тех значениях параметров его элементов формировал импульсыв 710 (Омфсфсм ) напряжения амплитудой 1,5 ф 10 В и длительностью 410 с. Таким образом, преди 3 лага емое изобретение позволило по107 ф 10 - условие (б) выполнено,-8 -9сравнению с прототипом на порядок уменьЕе (210 )(10 ) -г шить длительность импульсов, формируемых1,310 (см),1 (1 Е 10 1 ) (1014 )на нагрузке и следовательно на порядокувеличить быстродействие генератора,10 (см), Подключение дополнительного конденса 101,3 ф 10 - условие (7) выполнено.тора 10 параллельно ДДРВ 1 позволялоБ И -1 14(3 10 )(10 ) 1 э -1) изменять время спада на нагрузке. Так приемкости конденсатора 10 с 310 Ф, оноБ Я =5 ф 1010 ц" = 5 ф 10 д (см), 10 ц5 ф 10 д составляло 410 с, а общая длительность2 г 3-оВремя нарастания напряжения на нагруз- спада 5 ф 10 с, а общая длительность-юоке определялось временем переключения импульса 7 ф 10 с.дополнительного диода 9. Время спада Предлагаемый генератор может бытьсуммарной барьерной емкостью трех после- использован для накачки импульсных лазедовательно соединенных выходных ДДРВ 1, ров, для питания импульсных рентгеновскихкоторая составляла 5 ф 10 Ф, В результате трубок, в видеоимпульсной радиолокации иописанный генератор формировал на нагруз- т.п.ке 8 импульсы амплитудой 4 ф 10 В временем ФОРМУЛА ИЗОБРЕТЕНИЯ 1- - Ез гг Е е1 з ИБ Б -г МЕ-е1 д 5 1. Генератор мощных наносекундных импульсов, содержащий дрейфовый диод с резким восстановлением обратного сопротивления, нагрузку и две цепи, каждая из которых содержит последовательно соединенные ключ, конденсатор и индуктивный накопитель энергии, причем указанные цепи и нагрузка подсоединены параллельно упомянутому дрейфовому диоду, отличающийся тем, что, с целью увеличения быстродействия генератора за счет уменьшения времени нарастания и спада напряжения на нагрузке, генератор содержит дополнительный диод, анод которого соединен с анодом дрейфового диода с резким восстановлением обратного сопротивления, а катод - с нагрузкой, причем площадь р-и-перехода дрейфового диода с резким восстановлением обратного сопротивления Бтолщина его базы сч и соотношение индуктивн остей индуктивных накопителей энергии 1., и 1. удовлетворяют следующим выражениям: где Х, - концентрация легирующей примеси в базе дрейфового диода с резким восстановлением;Б, Хг - площадь р-и-перехода и концентрация примеси в базе дополнительного диода соответственно;е, Е, Ч, - диэлектрическая проницаемость, пороговая напряженность поля, при которой начинается ударная ионизация и насыщенная скорость носителей тока в материале, из которого выполнен дрейфовый диод с резким восстановлением соответственно;о - заряд электрона.2. Генератор по п. 1, отличающийся тем, что, с целью регулирования времени спада напряжения на нагрузке, генератор содержит дополнительный конденсатор, подсоединенный параллельно дрейфовому диоду с резким восстановлением обратного сопротивления,