высоковольтный КОММУТАТОР для УПРАВЛЕНИЯ НАПРЯЖЕНИЕМ ПИТАНИЯ СВЧ-ГЕНЕРАТОРОВ АППАРАТОВ МИКРОВОЛНОВОЙ ТЕРМОТЕРАПИИ И ГИПЕРТЕРМИИ

February 27, 2013 by admin Комментировать »

Недбайло Ю. А., «Радмир» ДП АО НИИ радиотехнических измерений ул. Академика Павлова, 271, г. Харьков, 61054, Украина Тел.: +38 (057) 739-01-41, e-mail: nedbaylo@niiri.l<harl<ov.com

Аннотация – Предложена эффективная схема высоковольтного MOSFET коммутатора для управления питанием магнетронных генераторов аппаратов микроволновой терапии. Может быть использована для управления напряжением питания других СВЧ приборов с заземленным анодом

I.                                       Введение

Применение в специализированных источниках питания мощных силовых транзисторов с изолированным затвором (MOSFET) позволяет заметно упростить схемы коммутации и управления, повысить надежность и эффективность источников питания. В [1] приведена схема высоковольтного импульсного модулятора, используемого для исследования проводимости водных растворов в ячейке Керра, построенная на мощных силовых п-канальных MOSFET транзисторах по т. н. лестничной схеме, стоимость комплектующих в которой не превышает МОО.

Непосредственное использование такой схемы для управления питанием СВЧ приборов с заземленным анодом (магнетронов, ЛБВ и др.) не представляется возможным из-за отсутствия высоковольтных р-канальных транзисторов для управления отрицательным высоком напряжением. В работе предложена эффективная схема высоковольтного коммутатора, выполненного на недорогой элементной базе, которая позволила разрешить ряд принципиальных проблем.

II.              Высоковольтный коммутатор

Необходимость заземлять анод и получать отрицательный высокий потенциал создают определенные трудности при разработке устройств управления напряжением питания, предназначенных для вакуумных СВЧ приборов. Проблемы, возникающие при конструировании высоковольтных коммутаторов, состоят в следующем.

Напряжение питания рассматриваемых СВЧ устройств среднего уровня мощности находится в пределах 3..5 кВ при токе 0,25… 1,0 А, при этом, под высоким отрицательным потенциалом находятся как сами коммутирующие элементы, так и схемы управления. Это требует применения схем гальванической развязки по цепям контроля и управления. Наличие широкого спектра недорогих микросхем оптронной развязки на напряжение до 5 – 7 кВ, позволяет решить эту задачу. В то же время, хотя в настоящее время отсутствуют подходящие силовые р – канальные транзисторы MOSFET на напряжение более 200 В, которые бы позволили осуществить управление высоким отрицательным напряжением относительно корпуса, эта задача решается с помощью недорогих мощных п-канальных силовых MOSFET транзисторов на напряжение порядка 1 кВ, соединенных по известной из вакуумной техники «лестничной» схеме, управляемых через гальваническую оптронную развязку.

На рис.1 приведена функциональная схема устройства, позволяющего осуществлять управление подачей напряжения питания на магнетрон, а, при необходимости, и импульсную модуляцию напряжением питания СВЧ генератора, выполненная на базе недорогих MOSFET транзисторов, например, типа IRFPG 40, подходящих по своим параметрам для этой цели. Работа схемы высоковольтного коммутатора состоит в следующем. При подаче на вход устройства высокого напряжения Uin, ток, протекающий через цепь стабилизатора VD1, R3, создает на стабилитроне VD1 и, соответственно, на затворе транзистора VT1 напряжение смещения Ug-s, отпирающее транзистор VT1. Транзистор VT1 открывается и его ток, протекая через делитель VD2, R5, R6, создает на стабилитроне VD2 падение напряжения, отпирающее транзистор VT2. Ток транзистора VT2, протекая через делитель VD3, R5, создает на стабилитроне VD3 падение напряжения, отпирающее транзистор VT3 и высокое напряжение со входа устройства оказывается приложенным к катоду магнетрона G1, вызывая генерацию СВЧ колебаний.

Рис. 1. Функциональная схема ВВ коммутатора: G1 – магнетрон; R1, R3 – токозадающие резисторы; Р2-датчик тока магнетрона; VD1. VD3 – стабилитроны; VP1 – оптопара управления; VP2 -оптопара контроля тока; VP3 -оптопара контроля напряжения; VT1.. VT3-ключевые транзисторы; а-а – вход управления высоким напряжением; Ь-Ь -сигнал контроля тока; с-с – сигнал контроля высокого напряжения.

Fig. 1. Block diagram of HV switch device:

G1 – magnetron; Rl, R3 – current control resistors; R2 – current sensor; VD.. VD3 – Zener-diodes; VP1 – processing opto-coupler; VP2 – opto-coupler of current control; VP3 – opto-coupler of voltage control; VT1.. VT3- switch MOSFET; a-a – voltage control; b-b – current control; c-c – high-voltage control

Использование стабилитронов VD1…VD3 позволяет ограничить максимальное отпирающее напряжение на затворах транзисторов и улучшить их коммутационные характеристики. Оптопара VP1 предназначена для гальванической развязки цепи управления включением высокого напряжения. Оптопара VP2 используется для гальванической развязки цепи контроля тока магнетрона, а оптопара VP3 – для гальванической развязки цепи контроля высокого напряжения.

Для контроля тока магнетрона используется падение напряжения на резисторе R2, вызванное током магнетрона. Сигнал контроля тока магнетрона снимается с выхода Ь-Ь микросхемы оптронной развязки VP2. При поступлении высокого напряжения на вход устройства, ток через токозадающий резистор R1 вызывает зажигание светодиода оптронной развязки VP3, а сигнал контроля наличия высокого напряжения снимается с выхода с-с микросхемы VP3. Такое состояние системы контроля имеет место при наличии уровня логического нуля на входе а-а оптронной развязки VP1. При подаче на вход VP1 уровня логической единицы транзистор оптронной развязки VP1 отпирается и шунтирует переход затвор-исток транзистора VT1, вызывая его запирание и откпючение высокого напряжения от магнетрона. При подаче на управляющий вход VP1 импульсного управляющего напряжения возможно получение режима импульсной генерации. Максимальная частота модуляции определяется частотными свойствами и режимом работы микросхемы оптронной развязки VP1, а также параметрами транзисторов VP1.. VP3. Автор на действующем макете устройства использовал частоту модуляции

1  кГц и получил достаточно хорошие результаты. В случае применения в качестве СВЧ генератора магнетрона типа М107, напряжение питания которого в рабочем режиме изменяется в пределах 1,6..2,0 кВ, а при понижении напряжения ниже 1,6 кВ он запирается, можно обойтись всего одним кпючевым транзистором, обеспечив выравнивание потенциалов резистивным делителем. Появившиеся в настоящее время транзисторы на напряжение 2,5 кВ позволяют, используя всего один ключевой транзистор, создавать подобные схемы на напряжение до 4..5 кВ.

Следует отметить, что коммутатор открывается сразу после подачи на вход устройства высокого напряжения и для его запирания на вход VP1 необходимо подать управляющее напряжение, что может оказаться не очень удобным, т. к. при его пропадании по каким-либо причинам (например, вследствие неисправности схемы управления) на выходе коммутатора появится высокое напряжение, которое вызовет несанкционированную генерацию СВЧ- энергии. Этого можно избежать путем последовательного включения цепи входа VP1, например, в разрыв цепи резистора R1. Тогда, при подаче на вход устройства высокого напряжения, ток резистора R1, будет вызывать срабатывание оптронной развязки VP1, которая своим выходом будет шунтировать вход транзистора VT1 и вызывать его запирание. Для управления работой коммутатора потребуется введение в электрическую схему устройства еще одной оптронной развязки VP4, на вход которой подается сигнал управления, а ее выход следует вкпючить параллельно входу VP1. При подаче управляющего напряжения на VP4 она шунтирует вход VP1, транзистор VT1 открывается и подает высокое напряжение в нагрузку. При пропадании управляющего сигнала VT1 снова закроется.

III.                                   Заключение

Таким образом, в работе показана возможность, используя недорогие силовые п-канальные MOSFET транзисторы и другие доступные комплектующие, общая стоимость которых не превышает $20, создать устройство, позволяющее достаточно эффективно осуществлять коммутацию питания и модуляцию по питанию магнетронных генераторов и других СВЧ приборов с заземленным анодом. Представлена функциональная схема устройства, описана работа схемы.

IV.                          Список литературы

[1] Scott А. Riley, Skipp May and Matthew Р Augustine. High- voltage pulse switching hardware of electro-optic studies of conducting aqueous solution. – «Review of scientific instrument» august 2002, v. 73, N 8, p. 3080-3084.

HIGH-VOLTAGE SWITCHER FOR SUPPLY VOLTAGE CONTROL IN MAGNETRON GENERATORS OF MICROWAVE THERAPY DEVICES

Yuriy A. Nedbaylo RADMIR JSC SRIREM Akademik Pavlov str. 271, Kharkov, 61054, Ukraine Ph.: +38(0572)269541, e-mail: nedbaylo@niiri. kharkov.com

Abstract – Presented in this paper is the efficient circuit of high-voltage MOSFET switch for supply voltage control in magnetron generator with grounded anode intended for microwave therapy devices.

I.                                         Introduction

The circuits of pulse switches for high positive potential cont-rol are known. In the paper, an effective circuit of high- voltage MOSFET switch of negative potential executed on base of inex-pensive elements with use of decoupling optoelectronic cell is described.

II.                            Switcher of High-Voltage

MOSFET switchboard has the benefit of simplicity, reliability, low cost and adjustable rise and fall time figures. The best performances were obtained with the type IRFPG40. They have best ratio of cost/quality figure. A schematic diagram of the high-voltage switcher is shown on Fig.1. HV switcher is controlled at standard TTL voltage level. The high-voltage switching section uses IRF MOSFETs in “ladder” device-stacking configuration. The first power MOSFET device VP1 operates as a straightforward 1 kV rated switcher. For 3 kV switcher, two additional MOSFETs VP2-VP3 are placed in series with the first one in the previously mentioned ladder configuration. Zener diodes VD1-VD3 connecting gate to the source of each device ensure safe maximum value of gate-to-source turn-on voltage. The drain of MOSFET VP3 is connected through cathode of GI magnetron. Voltage divider with resistors R4-R6 provides applied VP2 and VP3 gate potentials, thereby establishing the operational range of each respective MOSFET in the ladder. When “collapse” ofthe lowest MOSFET VP1 occurs, the adjacent device receives Zener-limited voltage, which permits fast transient of turning on. That is repeated in the higher ladder MOSFETs until the entire ladder drain-source series is near high potential. The IRFPG40 MOSFET series provides best turn-on and turn-off delay times.

III.                                       Conclusion

The possibility of low cost efficient high-voltage switchboard for supply voltage control for magnetron generator and other microwave devices with grounded anode has been proved in the paper. Technical aspects of voltage control combined with pulse modulation are discussed.

Источник: Материалы Международной Крымской конференции «СВЧ-техника и телекоммуникационные технологии», 2006г. 

Оставить комментарий

микросхемы мощности Устройство импульсов питания пример приемника провода витков генератора выходе напряжение напряжения нагрузки радоэлектроника работы сигнал сигнала сигналов управления сопротивление усилитель усилителя усиления устройства схема теория транзистора транзисторов частоты