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Para promover el desarrollo de la tecnología de síntesis de energía de microondas, es necesario llevar a cabo investigaciones sobre tecnologías clave de conmutación de fuentes de energía de pulsos con múltiples salidas sincrónicas para lograr una sincronización precisa del haz de electrones (jitter sincrónico ≤10 ns ) y la coherencia de la forma de onda de salida de la fuente es correcta, cumple con los requisitos de carga. Entre los diversos métodos de activación de los interruptores de gas, los interruptores activados por láser son un interruptor ideal para reducir el tiempo de retardo y la fluctuación del tiempo. Para la conmutación por láser en medios gaseosos, el retraso de tiempo puede alcanzar de 1 ns a 2 ns, y su fluctuación de tiempo puede alcanzar el nivel de menos de nanosegundos [1]. Por lo tanto, el interruptor principal de la fuente de energía de pulso de un solo canal utiliza un interruptor de chispa de gas activado por láser, que requiere una fluctuación del interruptor de ≤5 ns y una frecuencia de repetición de 50 Hz.

En el experimento de salida síncrona de dos fuentes de energía de pulsos, el sistema de control del disparador es la clave para garantizar la síntesis correcta y efectiva de las fuentes. Por un lado, el sistema de control genera la secuencia de trabajo para el funcionamiento normal de las dos fuentes. Al mismo tiempo, a través del diseño que considera la sincronización, controla el interruptor de disparo del láser para generar la señal de disparo para lograr una cierta eficiencia de síntesis de energía. . Dado que el MOSFET de potencia tiene las características de tipo unipolar, control de voltaje, velocidad de conmutación rápida, alta impedancia de entrada, buena estabilidad térmica, pequeña potencia de accionamiento requerida y circuito de accionamiento simple, el MOSFET se utiliza para diseñar el sistema de control de disparo externo del disparador láser.

1 Estructura del sistema y principio de funcionamiento

La Figura 1 es el diagrama de bloques estructural del sistema de control síncrono de la fuente de energía del impulso del disparador láser. La fuente única utiliza el láser SpitLight 1200 de la alemana InnoLas. empresa La señal de disparo Dividido en múltiples canales, los interruptores de las unidades de control se encienden respectivamente. El principio de funcionamiento del sistema de disparo láser es: las unidades de almacenamiento de energía de las dos fuentes de energía de pulso se cargan al valor establecido, el sistema de control establece el intervalo de tiempo de disparo de las dos fuentes de acuerdo con la posición del objetivo y envía instrucciones al Sistemas de disparo por láser de las dos fuentes respectivamente para disparar. El sistema genera luz láser y la inyecta en el interruptor principal, controlando la avería de cada uno de los dos conjuntos de interruptores principales. La energía eléctrica almacenada en el sistema de energía primaria se alimenta a la carga. a través del interruptor.

Los requisitos de los parámetros de diseño del sistema de disparo externo del láser son los siguientes:

(1) Generar una señal de disparo de flash. Amplitud de pulso 5 V ~ 15 V, ancho de pulso

≥100 μs, frecuencia de funcionamiento 50 Hz, carga 50 Ω

(2) Genera señal de disparo de celda Pockels. Amplitud de pulso 5 V ~ 15 V, ancho de pulso ≥ 100 µs, flanco ascendente de pulso ≤ 5 ns, carga 50 Ω, frecuencia de operación 50/N (N=1, 2,..., 50). El retraso entre esta señal y la señal del flash es ajustable;

(3) Se deben tomar medidas de protección antiinterferencias, como aislamiento y blindaje, entre el circuito de disparo externo, el láser y la fuente de alimentación de pulso para garantizar que la Sistema de disparo Funciona normalmente en entornos hostiles con alto voltaje, gran corriente y fuerte radiación.

2 Diseño teórico y análisis

El sistema de disparo externo del láser consta de dos partes: generación de señal de control y disparo de señal de control. Las dos partes están conectadas a través de fibra óptica multimodo ordinaria (. La longitud de onda de trabajo es de 820 nm). Entre ellos, la configuración de parámetros de trabajo del sistema de control (como frecuencia de operación y tiempos de operación, etc.), generación de señal de control, aislamiento y conversión de señal de salida (eléctrica/óptica) y otras funciones se implementan en la unidad de generación de señal de control, que es ubicada en el área de trabajo donde se encuentra el operador, ubicada al costado del láser de fuente de energía de pulso, se encuentra la unidad de activación de señal de control, que completa funciones tales como conversión de señal de entrada (óptica/eléctrica) transmitida a través de fibra óptica, amplificación y aumento rápido; formación de señal de borde y salida de disparo de aislamiento.

2.1 Diseño de la unidad de generación de señales de control

La unidad de generación de señales de control se divide en 2 partes:

(1) Generador de señales de disparo por impulsos. Se utiliza para generar señales de disparo de pulso que controlan el funcionamiento de dispositivos MOSFET de potencia y transistores de potencia. Tiene la capacidad de ajustar el número, el ancho de pulso y la frecuencia de los pulsos de salida, y la salida es de nivel TTL. Se utiliza una PC industrial con una tarjeta NI de temporización/conteo PCI-6602 incorporada. El sistema de desarrollo LabVIEW se utiliza para compilar la interfaz hombre-máquina de la computadora, configurar los parámetros de trabajo y programar para generar las señales de control requeridas para el externo. activación del láser. Entre ellos, PCI-6602 proporciona 8 canales de temporización/conteo con una frecuencia de fuente de 32 bits de 80 MHz, y el flanco ascendente de la señal de pulso de salida se prueba experimentalmente en aproximadamente 10 ns;

(2) Circuito de aislamiento de fibra óptica. Se utiliza para aislar la señal de disparo de nivel TTL y el voltaje de salida del MOSFET de potencia, y tiene las características de respuesta rápida y sin distorsión.

El dispositivo transmisor de fibra óptica es el HFBR-1414, que tiene un ancho de banda de hasta 5 MHz y cumple con los requisitos de transmisión de señales de pulso de disparo con un ancho de pulso de varios cientos de µs.

2.2 Diseño de la unidad de activación de señal de control

La unidad de generación de señal de control se divide en 4 partes:

(1) Circuito de conversión óptico/eléctrico. El dispositivo receptor de fibra óptica HFBR-2412 se utiliza para convertir la señal óptica transmitida a la unidad de activación de señal de control a través de la fibra óptica multimodo en una señal eléctrica TTL.

(2) Circuito de accionamiento MOSFET de potencia/transistor de potencia. El primero se utiliza para elevar la señal TTL de bajo nivel a un nivel que se puede utilizar para controlar el dispositivo MOSFET de potencia para generar un flanco ascendente de pulso. ≤5 ns La señal de activación de la celda de Pockels del láser. Este último se utiliza para generar señales de disparo de flash.

(3) Alimentar dispositivos MOSFET. MOSFET (Transistor de efecto de campo semiconductor de óxido metálico) es un dispositivo controlado por voltaje. Dado que MOSFET tiene un coeficiente de temperatura positivo, puede evitar daños al dispositivo causados ​​por un aumento continuo de temperatura. Al mismo tiempo, debido a que su resistencia de encendido no tiene un límite superior teórico, la pérdida de energía durante el encendido puede ser muy pequeña. Sus ventajas son: capacidades de encendido y apagado muy rápidas (nivel ns); energía de disparo muy baja; capaz de trabajar a altas frecuencias de repetición (nivel de MHz); larga vida útil (promedio de alta eficiencia, el pulso); El ancho se puede ajustar (la salida está determinada por la señal de disparo de entrada). Se seleccionó el dispositivo MOSFET de potencia de IR Company, IRLML2803. Su voltaje de ruptura de fuente de drenaje VDSS es de 30 V, el ID de corriente CC es de 1,2 A, la corriente de salida máxima bajo pulso es de 7,3 A y el tiempo de retardo de conducción Td (encendido) es de 3,9. ns, y el tiempo libre Toff es 9 ns.

(4) Pieza de alimentación. Se utiliza un paquete de baterías de litio para proporcionar energía de bajo voltaje para circuitos de aislamiento de fibra óptica y circuitos de accionamiento MOSFET. Está equipado con un tablero de protección especial con funciones de protección contra sobrecarga, sobredescarga, sobretensión, subtensión, cortocircuito sobrecorriente y conexión inversa para garantizar aún más el funcionamiento seguro de la parte de control del paquete de baterías. Esto elimina efectivamente factores peligrosos como la falla de alto voltaje que puede ocurrir en la unidad de disparo, la unidad de generación de señal de control de la etapa frontal y el circuito de trabajo de alto voltaje de la fuente de energía de la etapa trasera debido a la conexión a tierra de la fuente de alimentación. .

Como se muestra en la Figura 2, el nivel TTL convertido se forma, es impulsado por un MOSFET de potencia/transistor de potencia, se aísla mediante un transformador de pulso y se envía al láser. Para garantizar el funcionamiento normal de la unidad de disparo, es necesario agregar un transformador de impulsos de alto voltaje soportado (5 kV) para el aislamiento eléctrico antes de enviarlo al láser.

2.3 Selección de dispositivos MOSFET de potencia y sus circuitos de conducción

La Figura 3 es un diagrama de circuito esquemático del principio de funcionamiento del dispositivo MOSFET de potencia. En la Figura 3 (a), RG y CGS son los principales parámetros que afectan el retardo de encendido del MOSFET; la capacitancia de la compuerta de drenaje CGD es el parámetro principal que causa que el voltaje de la compuerta se altere durante la acción de conmutación; La capacitancia CDS es el principal parámetro que afecta el apagado. El principal parámetro del tiempo. Hay dos procesos de conversión para dispositivos MOSFET: conversión activa y conversión desactivada. La relación entre el voltaje de fuente de drenaje VDS, la corriente de drenaje iD, el voltaje de fuente de puerta VGS y la corriente de puerta iG durante el proceso de transición de encendido con el tiempo t se muestra en la Figura 3 (b). El proceso de conversión de conducción se divide en 4 etapas, cada etapa es:

(1) etapa t0 ~ t1: la corriente de accionamiento de la puerta iG carga CDS y CGS, lo que hace que el voltaje en CGS aumente de 0 a MOSFET. Umbral de encendido VGS(th).

(2) Etapa t1~t2: el voltaje puerta-fuente VGS continúa aumentando exponencialmente, excediendo el valor de encendido del MOSFET VGS(th) y alcanzando Va. Después de que VGS excede VGS(th), el La corriente de drenaje comienza a crecer y alcanza la corriente de salida final Io. Durante este proceso, el MOSFET consume la mayor cantidad de energía debido a la superposición de voltaje y corriente.

(3) etapa t2~t3: desde el momento t2, el voltaje drenaje-fuente VDS del MOSFET comienza a disminuir, lo que provoca el efecto de capacitancia de Miller desde el drenaje hasta la compuerta, lo que hace que VGS no pueda subir y se Aparece una meseta. En el momento t3, el voltaje drenaje-fuente cae al valor mínimo.

(4) etapa t3~t4: en este intervalo, el voltaje de la fuente de puerta VGS aumenta desde la plataforma hasta el voltaje de conducción final. El aumento del voltaje de la compuerta reduce la resistencia de la fuente de drenaje RDS (encendido) y el MOSFET ingresa al estado encendido después de t4.

El proceso de conmutación de corte de los dispositivos MOSFET es opuesto al proceso anterior. Del análisis anterior, se puede ver que los requisitos principales para el circuito de control de puerta son:

(1) Los bordes anterior y posterior del pulso de la señal de control deben ser pronunciados.

(2) La constante de tiempo del bucle de carga y descarga de la puerta MOSFET de potencia debe ser pequeña para aumentar la velocidad de conmutación del dispositivo MOSFET de potencia.

(3) La corriente impulsora es la corriente de carga y descarga del condensador de compuerta. La corriente impulsora debe ser grande para que los flancos ascendentes y descendentes de la forma de onda de conmutación sean más rápidos.

Seleccione el dispositivo MOSFET IRLML2803 y verifique su curva característica: cuando VDS=15 V, VGS=12 V, la carga total de la puerta QG≈3.7 nC, luego la capacitancia de la puerta C=QG/VGS =3.7 nC /12 V≈0,3 nF=300 pF.

La velocidad a la que el MOSFET se enciende y apaga está relacionada con la velocidad de carga y descarga de la capacitancia de la puerta del MOSFET. La relación entre la capacitancia de la puerta MOSFET, el tiempo de encendido y apagado y la corriente de accionamiento del controlador MOSFET se puede expresar como:

dT=(dV×C)/I

Donde, dT es el tiempo de encendido/apagado, dV es el voltaje de la puerta, C es la capacitancia de la puerta (a partir del valor de carga de la puerta) e I es la corriente máxima de excitación (para un valor de voltaje dado).

El tiempo de encendido/apagado del IRLML2803 es 4 ns, entonces I=QG/dT=3,7 nC/4 ns≈0,9 A. Es decir, la corriente de excitación máxima derivada de la fórmula anterior es 0,9 A. También es necesario considerar la resistencia externa utilizada entre el controlador MOSFET y la puerta MOSFET de potencia. Esto reducirá la corriente de carga máxima del condensador de la compuerta de excitación. Se selecciona la salida máxima. Controladores con corriente superior a 0,9 A. El sistema utiliza un controlador no inversor de corriente de salida de pico alto TC4424A de 4,5 A, que se ha verificado experimentalmente para cumplir con los requisitos de salida de señal de borde ascendente rápido.

3 Resultados y análisis de la prueba

3.1 Prueba de conversión de transmisión de fibra óptica de señal de disparo

El sistema de disparo externo láser utiliza tecnología de transceptor y transmisión de fibra óptica desde él mismo. está hecho de aislamiento Hecho de material de fibra óptica de alto voltaje, tiene una buena capacidad de aislamiento de alto voltaje y una fuerte capacidad antiinterferente. La sincronización de la transmisión de señal de fibra óptica multicanal también es muy buena y cumple con los requisitos de alta. aislamiento de voltaje y sincronización de señales.

La Figura 4 muestra la forma de onda de la señal generada por la unidad de disparo externa del láser. El canal 2 en la Figura 4(a) y la Figura 4(b) muestran la señal de disparo del flash láser con una frecuencia de operación de 50 Hz (la primera es una secuencia de pulsos con un número de salida de 50 y el segundo es un pulso de salida único). Está controlando La unidad de generación de señal se genera mediante programación de PC y se ingresa a la unidad de disparo a través del aislamiento del transformador de pulso, la conversión eléctrica/óptica y el procesamiento de transmisión de fibra óptica. Luego se somete a conversión óptica/eléctrica, amplificación del transistor de potencia. y está aislado y enviado al láser mediante un transformador de pulso de alto voltaje, su tiempo de aumento Tr está dentro de 200 ns, que está determinado principalmente por el tiempo de aumento de salida del transformador de pulso.

El canal 1 en la Figura 4(a) y la Figura 4(b) es la señal de activación de la celda láser Pockels (el método de visualización es el mismo que el canal 2) y la frecuencia de funcionamiento es de 50 Hz ( 50/N, N=1), el método de generación de señal en la unidad de generación de señal de control es el mismo que el de la señal del disparador de flash, la diferencia es que después del procesamiento, como el MOSFET de potencia y el controlador MOSFET de alta velocidad, se configura en el disparador. unidad, finalmente se genera una señal de pulso con un flanco ascendente medido real de menos de 5 ns.

En el experimento, se midió que el ancho de pulso de la señal de disparo del flash láser y la señal de disparo de la célula de Pockels era de 160 μs. Esta última está retrasada unos 250 μs con respecto a la primera. Ambas son ajustables y la de Pockels. celda La frecuencia de salida de la señal de disparo también se puede ajustar para cumplir con los requisitos del láser.

3.2 El impacto del disparo externo del láser en la fuente de energía

El sistema de conmutación principal de frecuencia de repetición de alta potencia y baja fluctuación es el núcleo y la dificultad en el desarrollo de la fuente de energía sincrónica. sistema de control. Para lograr un funcionamiento con baja fluctuación del sistema de sincronización de la fuente de energía de impulsos, primero se analizan las fuentes de fluctuación durante la operación del sistema. El flujo de trabajo del sistema de sincronización es el siguiente: el sistema de disparo externo del láser genera una señal de borde ascendente rápida y la envía al láser. El láser genera un pulso láser y lo inyecta en el interruptor láser. una línea que descarga el diodo a través del módulo de superposición de inducción para generar un haz de electrones. Durante este proceso, pueden ocurrir las siguientes fluctuaciones:

(1) La fluctuación del circuito del sistema de disparo externo del láser J1.

La fluctuación proviene de la diferencia en el retardo del chip en la línea de transmisión y la línea de conversión y la fluctuación del propio chip. Se ha medido que la fluctuación es inferior a 2 ns;

(2) Fluctuación del láser J2. La fluctuación proviene del proceso de trabajo del láser. Cuando se activa mediante una señal de borde de ataque rápida (tr≤5 ns), la fluctuación del láser es inferior a 3 ns.

(3) El interruptor láser vibra J3. La fluctuación proviene del proceso físico de activación del láser para generar una descarga de plasma y el indicador de diseño es inferior a 5 ns.

La Figura 5 muestra la forma de onda de carga sintetizada por el módulo de superposición de inducción de 4 canales en la fuente de energía de pulso. La frecuencia de repetición es de 25 Hz. La carga es un diodo plano. (El canal 1 es la forma de onda de la señal de corriente del diodo. El canal 2 es la forma de onda de la señal de voltaje del diodo). Esto demuestra que: al utilizar el sistema de disparo externo del láser, la forma de onda de salida de carga tiene buena consistencia y la fluctuación del interruptor es baja cuando la frecuencia de repetición es de 25 Hz, lo que cumple con los requisitos de diseño.

3.3 Consideraciones antiinterferencias

La unidad de disparo externo del láser es un enlace de control en funcionamiento sincrónico y es la clave para el funcionamiento normal del dispositivo. Los requisitos para el circuito de activación son que el borde frontal del pulso sea pronunciado, tenga suficiente amplitud y ancho de pulso, y tenga buena estabilidad y rendimiento antiinterferente. El dispositivo generador de alto voltaje es propenso a producir varias señales de pico instantáneas, las llamadas "rebabas". Cuando su amplitud y energía alcanzan un cierto nivel, fácilmente pueden causar que el sistema no funcione normalmente. Durante la prueba de operación sincrónica temprana y el proceso de depuración, debido a las limitaciones de las condiciones del sitio experimental, la fuente de alimentación del láser y la fuente de alimentación de carga primaria de la fuente de energía de pulso estaban conectadas a tierra cuando la fuente de energía estaba funcionando, el sistema de disparo externo del láser. salida al láser Pockel La señal de disparo de la caja genera un pulso de interferencia de pico por adelantado en relación con el tiempo establecido, lo que hace imposible garantizar la realización normal de la prueba de funcionamiento sincrónico. En este sentido, se adoptaron métodos como agregar filtros de potencia y condensadores de alta frecuencia para eliminar los efectos de interferencia introducidos por la fuente de alimentación y se mejoraron los resultados. El siguiente paso es utilizar la misma fuente de alimentación para el láser y su sistema de disparo externo, y separarla completamente de la fuente de alimentación de la fuente de energía de pulso para garantizar el funcionamiento seguro del sistema de sincronización.

Los resultados experimentales muestran que el uso de MOSFET de potencia y su controlador de alta velocidad y otras medidas son efectivos, y es factible utilizar dispositivos transceptores de fibra óptica para conversión y transmisión y aislamiento de transformadores de pulsos de alto voltaje. . Lo que afecta la eficiencia de conversión de salida síncrona del interruptor de la fuente de energía de impulsos es el rendimiento del circuito de disparo externo del láser. El estado de encendido y apagado del interruptor MOSFET de potencia se puede controlar mediante pulsos de disparo. Al seleccionar un controlador MOSFET con un circuito de salida de pico alto, el flanco ascendente de la señal del pulso de salida se puede controlar por debajo de 5 ns. Usando un sistema de disparo externo láser, una fuente de energía de un solo pulso repite el cambio para lograr parámetros: voltaje de operación 150 kV, corriente 30 kA, fluctuación

≤5 ns y frecuencia de repetición 25 Hz. Establece una cierta base técnica para un mayor desarrollo de una salida sincronizada estable, confiable y precisa de dos o más fuentes de energía de impulsos.

Además, en la placa de circuito impreso del circuito de control del disparador, el circuito de control es extremadamente susceptible a la interferencia del bucle de alimentación. La longitud de la traza del controlador MOSFET y el MOSFET debe mantenerse lo más corta posible para limitarla. el efecto de oscilación causado por la inductancia. La inductancia entre la salida del controlador y la puerta MOSFET también afecta la capacidad del controlador MOSFET para mantener la puerta MOSFET baja durante condiciones transitorias. Es necesario estudiar más a fondo los problemas que existen en los experimentos de activación láser, como la reducción del frente de forma de onda y la mejora de las capacidades antiinterferencias.

Referencias

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[2] Zhao Junping, Zhang Linwen, Li Jin. Investigación experimental sobre tecnología de conmutación de sólidos basada en láser intenso y haz de partículas, 2004(11).

[3] Yee H P. Un controlador MOSFET de supresión de EMI [A]. Actas de la conferencia y exposición de electrónica de potencia aplicada [C]. Duodécimo anual, 1997: 242-248.

[4] SAETHRE R, KIRBIE H, CAPORASO G, et al.Sistema de control óptico, diagnóstico y suministro de energía para un modulador de inducción de estado sólido[A].Actas de la 11ª Conferencia Internacional de Energía Pulsada del IEEE[C].Baltimore Maryland, 1997: 1397-1402.