Исследование и разработка электронно-оптических систем высоковольтных ключевых приборов с торможением электронного потока на аноде тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.27.02, кандидат технических наук Стальков, Павел Михайлович

• Стальков, Павел Михайлович
• кандидат технических наук
• 2009

Оглавление диссертации кандидат технических наук Стальков, Павел Михайлович

Глава 1. Анализ существующего положения с разработкой высоковольтных ключевых электронных приборов.

1.1. Введение.

1.2 Области применения высоковольтных вакуумных коммутирующих приборов и состояние их разработки.

1.3 Электронно-лучевые вентили и их особенности.

1.4. Существующий уровень разработок ЭЛВ и задача диссертационной работы.

Выводы по главе 1.

Глава 2. Траекторный анализ электронно-оптических систем и оптимизация параметров ЭЛВ.

2.1 Критерии оптимизации параметров ЭОС, суммарный коэффициент качества.

2.2 Применение суммарного коэффициента качества при проектировании ЭЛВ.

2.3 Модернизация ЭЛВ 4/40.

2.3 Расчёт ЭОС ЭЛВ 4/40М2.

2.4 Расчет ЭОС ЭЛВ 50/100М.

2.5 Расчёт ЭОС ЭЛВ 500/40.

2.6 ЭОС ЭЛВ с управляющей сеткой.

Выводы по главе 2.

Глава 3. Экспериментальные исследования макетов Электронно-оптических систем ЭЛВ.

3.1. Установка для экспериментальных исследований.

3.2 Исследование ЭОС ЭЛВ 4/40М2.

3.3 Исследование ЭОС ЭЛВ 50/100М.

3.4. Испытание ЭОС ЭЛВ 50/100М режиме управления прикатодным электродом.

3.5. Исследования ЭОС ЭЛВ 500/40.

Выводы по главе 3.

Глава 4 Конструкция ЭЛВ с модернизированной ЭОС, изготовление приборов и их исследование.

4.1. Разработка конструкции ЭЛВ 4/40 и ЭЛВ 50/100.

4.2 Определение допустимых отклонений геометрических параметров ЭОС.

4.2.1 Определение допустимого поворота катода оносительно оси симметрии прибора.

4.2.2 Влияние смещения катода по оси X катода на параметры системы.

4.2.3 Влияние смещения катода по оси У катода на параметры системы.

4.3 Результаты модернизации ЭЛВ 4/40.

Выводы по главе 4.

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Исследование и разработка электронно-оптических систем высоковольтных ключевых приборов с торможением электронного потока на аноде»

Развитие электротехники требует решения задач коммутации токов и высоких напряжений при высоком быстродействии. Наилучшим способом решения задачи являются приборы, в которых управление выходными электрическими величинами (током и напряжением) осуществляется при помощи входной электрической величины. Также крайне желательно, чтобы управляющая величина была возможно меньшей, а управляемая величина возможно большей. Это прежде всего относится к электронным коммутирующим приборам, которые будут рассмотрены ниже.

При этом значения коммутируемых токов и напряжений изменяются в весьма широких диапазонах. Так, значения коммутируемых токов расположены в интервале единиц ампер до 10 кА, а значения коммутируемых напряжений достигают сотен киловольт.

Для решения поставленной задачи при столь широком диапазоне значений созданы разнообразные электронные приборы, которые можно разделить на три основных класса. Для каждого вида приборов характерны собственные достоинства и недостатки.

Вакуумные электронные приборы, в которых преобразование управляющей величины в управляемую осуществляется при помощи носителей отрицательного заряда - электронов. Эти приборы обладают высоким быстродействием, но наличие пространственного заряда электронов ограничивает максимальный ток. Также отличительной чертой вакуумных электронных приборов является их высокая устойчивость к пробоям и действию ионизирующего электромагнитного излучения.

В газоразрядных или ионных приборах, пространственный заряд электронов компенсируется положительным зарядом ионов. Это приводит к увеличению коммутируемого тока, но вносит такие ограничивающие факторы, как увеличение времени коммутации, низкая помехоустойчивость, ограничение максимального коммутируемого напряжения. Газоразрядные приборы обладают высоким первеансом и способны реализовывать высокие токи. Ионизация газа приводит к образованию плазмы в прианодном пространстве. Сопротивление участка, заполненного плазмой, минимально, поэтому весь перепад напряжения сосредотачивается в прикатодном пространстве, что существенно увеличивает первеанс. Таким образом наличие плазмы в приборе приводит к снижению внутреннего сопротивления прибора. Однако наличие плазменного столба с его подвижной границей ограничивает высоковольтную прочность такого прибора. На практике коммутируемое напряжение таких приборов составляет не более 50-60 кВ. Также из-за постоянной ионной бомбардировки катода в таком приборе сокращается срок его службы.

Твердотельная электроника получила за последнее время огромное распространение, вызванное её низкой ценой и простотой в эксплуатации. Сильным положительным качеством полупроводниковых приборов является возможность коммутации больших токов (сотни ампер). Однако недостатком твердотельных приборов является низкое значение коммутируемого напряжения в единичном приборе (до 6 кВ). На практике это означает, что для коммутации высокого напряжения (десятки киловольт и выше) необходимо последовательное соединение нескольких полупроводниковых приборов, при одновременном управлении всеми ими. Надежность такой схемы обратно пропорциональна количеству последовательных элементов. Кроме того, крайне высоки требования к синхронности переключения. Ведь если хотя бы один из ключевых элементов сработает раньше, на остальных элементах напряжение превысит максимально допустимое. Конечно, цепочки приборов выбираются с запасом, как по коммутируемому напряжению, так и по количеству приборов, но первое снижает параметры системы, а второе еще приводит к ещё большему усложнению системы управления.

Рассмотрим параметры вакуумных электронных приборов, газоразрядных (водородные тиратроны) и силовых полупроводниковых приборов (транзисторов, тиристоров типа JGBT, JGCT), применяющихся при создании высоковольтных схем.

В таблице 1 приводятся данные по коммутируемому напряжению, импульсному току в единичном приборе, оценивается количество полупроводниковых элементов для реализации высокого напряжения, (например, 100 кВ), прямое падение и суммарные потери, возможность ограничения тока и долговечность при токе -500А.

Из таблицы 1 следует, что использованию ключа на уровень напряжения 100 кВ в объеме единичного прибора соответствует только вакуумный прибор, обладающий к тому же высоким быстродействием и возможностью ограничения тока (пентодной характеристикой).

Водородный тиратрон по своим электрическим параметрам не обладает возможностью полного управления и ограничения тока. Кроме того, максимальное напряжение на закрытом тиратроне не более 50 кВ. Также недостатком этого прибора является ограниченный срок службы.

Прогресс в развитии полупроводниковой техники в последние десятилетия огромный. Особенно бурно развивались слаботочные приборы, предназначенные для быстрой коммутации малых напряжений 1-2 В, использующихся в современной цифрой технике. Но и в силовой полупроводниковой электронике прогресс весьма значителен. Современные тиристоры и транзисторы (JGBT и JGCT) способны коммутировать токи 1,2 кА и 4 кА соответственно. При этом коммутируемое напряжение составляет 3,3 кВ и 4.5 кВ. Таким образом, для коммутации напряжения 100 кВ требуются последовательные наборы из -25-30 шт. таких приборов.

Разумеется, для каждого из последовательно соединенных приборов требуется система управления. Основное требование к такой системе -синхронность управления всеми приборами, иначе, как это отмечалось выше, напряжение на отдельных элементах последовательной цепи может превысить максимально допустимое. В этом случае происходит необратимое разрушение всех или части приборов, что при последовательном их соединении означает полную неработоспособность. Таким образом, недостаточный уровень максимально напряжения на единичном приборе приводит к существенному снижению надежности и усложнению системы управления. Тем не менее, оценка показывает, что СПП целесообразно по критерию надежности и ценовым характеристикам использовать до 30-40 кВ, когда еще возможна конкуренция с коммутирующими лампами.

Следует отметить также важную особенность вакуумных приборов. Выделение тепловой энергии в вакуумном приборе происходит на электродах, а не в объёме прибора, как это происходит в силовых полупроводниковых приборах, в результате возрастает стойкость к пробою, а в случае пробоя прибор легко восстанавливает свою работоспособность. Таким образом, даже в случае пробоя не происходит необратимого выхода вакуумного прибора из строя. Поэтому вакуумный прибор способен работать при высоких напряжениях на единичном приборе. Также следует отметить важную особенность вакуумных приборов — эти приборы устойчивы к воздействию ионизирующего излучения. Таким образом, из сравнения вакуумных ключевых приборов с водородным тиратроном и СПП следует, что для перечисленных выше применений предпочтительнее использование вакуумных электронных коммутирующих приборов.

Учитывая приведённое выше, задачей данной работы является изучение ситуации с разработкой вакуумных высоковольтных коммутирующих приборов и создание научных основ их усовершенствования.

Таблица 1

Сравненительные характеристики вакуумных ключевых ламп типа ЭЛВ, водородных тиратронов и Clill при использовании их для коммутации напряжений 100 кВ. п/п Тип прибора Коммутируемое напряжение Имп. ток в ед. пр. Кол-во элементов для 100 кВ Прямое падение Суммарные потери Долговечность при токе 500А Возможность ограничения тока

1 Вакуумный прибор до 200кВ 5 00А 1шт 1,2 кВ 6 кВт 103ч есть

2 Водородный тиратрон до 50кВ ЗОООА 1 шт 1 кВ 4,5 кВт 5-102ч нет

3 Транзистор IGBT 3,3 кВ 1200 А -40 шт 3 В в ед.пр. 4.5 кВт 50«Ю3ч нет

4 Тиристор IGCT 4,5 кВ 4500 А -25 шт 3 В в ед.пр. 3,3 кВт Ю3ч нет

Заключение диссертации по теме «Вакуумная и плазменная электроника», Стальков, Павел Михайлович

Выводы по главе 4

На основании разработанных ЭОС были спроектированы приборы ЭЛВ 4/40М, ЭЛВ 4/40М2, ЭЛВ 50/100М, ЭЛВ 500/40.

Характеристики изготовленного прибора ЭЛВ 4/40М полностью соответствуют расчетным, приборы ЭЛВ 4/40М выпускаются малыми партиями на НПО «Контакт» и применяются в аппаратуре РЛС.

Для приборов ЭЛВ 4/40М2, ЭЛВ 50/100М, и ЭЛВ 500/40 на НПО «Контакт» изготовлены экспериментальные опытные образцы и технологические макеты. С целью более точного соответствия характеристик приборов расчетным значениям, было проведено специальное исследование, с целью определения допустимых отклонений. В результате определено, что допустимые отклонения положения катода в приборе составляют:

1. по оси X не более 0,2 мм

2. по оси У не более 0,2 мм

3. поворот катода относительно оси симметрии прибора не более 0,25°, Что соответствует допускам, реализуемым на НПО «Контакт» при изготовлении электронных приборов.

При этом необходимо отметить, что одновременном сочетании нескольких отклонений допустимых по отдельности, характеристики прибора ухудшаются весьма значительно.

На основании полученных данных были разработаны рекомендации по изготовлению прибора и разработана конструкторская документация, переданная на завод изготовитель.

Заключение 1

Анализ областей применения высоковольтных вакуумных электронных приборов показывает, что в настоящее время возникла потребность в широком использовании высоковольтных коммутирующих приборов в мощных электрических схемах. К ним относятся модуляторы и защитные коммутаторы радиоэлектронных схем постоянного и импульсного режимов с высоким уровнем средней мощности, электроннолучевые технологические установки, источники питания пылегазоочисных установок (электрофильтры, установки очистки окислов с помощью коронного разряда), а также начинающая своё развитие высоковольтная преобразовательная техника. Эта область ориентирована на уровень напряжения 20-200 кВ и коммутацию в нагрузке средней мощности от 100 кВт до 10 МВт, и это направление будет в будущем существенно расширяться.

Показано, что в области параметров указанных применений: высокое коммутируемое напряжение (20-200кВ) и относительно малые средние токи (2-50 А) явное преимущество имеют вакуумные электронные приборы по сравнению с газоразрядными (тиратроны) и силовыми полупроводниковыми (IGBT, тиристоры). Определяющим является возможность коммутировать высокое напряжение в единичном приборе, полное (жесткое) управление током за счет управляющей сетки, наличие пологой вольтамперной характеристики ограничение перехода к пробою в нагрузке, стойкость к электромагнитному излучению высокой частоты и возможность кратковременного рассеяния мощности при пробоях (что расширяет диапазон применения подобных приборов).

Сравнительный анализ высоковольтных электронных приборов, разработанных для разных целей (короткоимпульсные модуляторы, регуляторы тока) с высоковольтными коммутирующими лампами с торможением электронно-лучевыми вентилями (ЭЛВ) показывает, что ЭЛВ обладают более высокими показателями по внутреннему сопротивлению и КПД; однако, по коммутируемой мощности, отнесенной к объему прибора они уступают некоторым другим разработкам со сравнительно низкими показателями по электрическим параметрам для данного применения.

Проведенное рассмотрение характеристик и конструкции 3-х разработанных типов ЭЛВ показало, что основным направлением совершенствования ЭЛВ наряду с увеличением электронного КПД является улучшение массогабаритных показателей. При этом очевидно, что достоинством этих приборов, по сравнению с традиционными решениями триодами и тетродами, является высокий коэффициент полезного действия, достигаемый за счёт глубокого торможения электронного потока на аноде (уменьшение внутреннего сопротивления) и тщательное формирование электронного пучка в луч (уменьшение токовых потерь на управляющем электроде).

Следовательно, основной задачей работы по совершенствованию ЭЛВ и задачей диссертации является разработка оптимизированных электронно-оптических систем, обеспечивающих как повышение электронного КПД, так и уменьшение массо-габаритных показателей. 2

При разработке приборов в силу противоречивости требований часто сложно бывает определить, достигнуто ли улучшение параметров прибора в целом, так как рост одних параметров вызывает снижение других. Поэтому для комплексной оценки качества ЭЛВ необходимо ввести коэффициент, учитывающий все наиболее важные параметры прибора. На сегодняшний день существует необходимость определения нового числового коэффициента, отражающего качество прибора, учитывающего возможно большее количество его параметров, с учетом их важности с точки зрения вклада в общее качество прибора.

Для комплексной оценки качества прибора и многофакторной оптимизации удобно ввести специальный параметр, зависящий от многих параметров прибора — суммарный коэффициент качества прибора.

Суммарный коэффициент качества коммутирующего прибора может быть использован как для комплексной оценки качества приборов, так и в качестве целевой функции для решения задачи оптимизации при разработке электронно-оптической системы ЭЛВ. 3

Основываясь на использовании суммарного коэффициента качества, проведена комплексная оптимизация ЭЛВ 4/40, приведшая к увеличению суммарного показателя качества. Были созданы модернизированные приборы ЭЛВ 40/М и ЭЛВ 4/40М2, предназначенные для использования в качестве ключевого элемента в мощной передающей радиоаппаратуре. Разработаны и рассчитаны ЭОС для приборов ЭЛВ 50/100М предназначенного для источника питания гиротронов и электрофильтров пылегазоочистки, ЭЛВ 50/100М2 предназначенного для использования в энергетике (системах гибких линий электропередач), ЭЛВ 500/40 для создания мощных радиосигналов УВЧ и ЭЛВ 30/40 с дополнительной управляющей сеткой для применения в качестве усилительной лампы в передающей радиостанции. Было проведено расчетное определение допустимых отклонений размеров электродов при изготовлении и сборке ЭОС. 4

На созданном в процессе выполнения этой задачи стенде, были проведены экспериментальные исследования макетов единичного луча многолучевых ЭОС. По результатам испытаний сделан вывод о низком значении потерь и хорошем соответствии расчетным значениям. На основании результатов испытаний определены ожидаемые параметры приборов, и дано задание на разработку конструкции приборов. При проведении испытаний на стенде подтверждены результаты, полученные расчетным путём, и достигнуты рекордно низкие относительные токовые потери 0,5% от тока катода против ранее достигнутых 3,5%. 5

Были произведены расчетные и экспериментальные исследования ЭОС с дополнительной управляющей сеткой. Целью разработки этой ЭОС являлось увеличение коэффициента усиления ЭЛВ и управление ЭЛВ меньшим по амплитуде управляющим сигналом отрицательной полярности. Показано, что благодаря этому можно получить рост коэффициента усиления ЭЛВ в 10 раз при снижении первеанса в 3 раза.

В результате исследований, проведенных на основании созданной методики оптимизированного расчета и экспериментальной проверки, разработаны ЭОС для модернизации приборов ЭЛВ 4/40 и созданы ЭОС для новых приборов ЭЛВ 4/40М2, ЭЛВ 50/100М, ЭЛВ 50/100М2, ЭЛГ 500/40.

На основании разработанных ЭОС в конструкторском ВЭИ и НПО «Контакт» была разработана конструкции, которые были реализованы в экспериментальных образцах приборов.

Для определения величин допусков при производстве, было проведено расчетное и экспериментальное определение допустимых отклонений расстояний между электродами. Установлено, что при отклонении положения катода и прикатодного электродов менее 0,2 мм относительно номинального параметры системы практически не отличаются от номинальных. При отличии размеров 0,2-0,5 мм от номинальных значений происходит рост потерь в 1,5-2 раза. При больших отличиях размеров происходит недопустимый рост потерь. Эти данные были использованы при конструировании и изготовлении ЭЛВ.

I к

•iit

P* TVr

Таким образом, в результате проведенных исследований создана методика расчёта ЭОС, являющаяся инструментом для оптимизации ЭОС ЭЛВ. При помощи этой методики проведена модернизация нескольких типов ЭОС, направленная на снижение потерь и уменьшение массо-габаритных показателей приборов. После экспериментального подтверждения расчётных результатов на специально созданном стенде, размеры электродов и другие параметры ЭОС были переданы в конструкторское бюро для разработки конструкторской документации и последующего изготовления на предприятии-изготовителе ФГУП НПО «Контакт» новых приборов. Испытания изготовленных образцов ЭЛВ показали хорошее совпадение характеристик с расчетными.

Список литературы диссертационного исследования кандидат технических наук Стальков, Павел Михайлович, 2009 год

1. Переводчиков В.И. 1. Электротехника. 1980. № 6. С. 87.

2. Будкер Г.И. Переводчиков В.И. А. с. 367482. БИ. 1973. № 8. MKHHOI 21/10.

3. Нагучев О.Ю. Рекуперация энергии при торможении электронного потока на аноде как средство повышения мощности и эффективности электронных коммутирующих приборов. "Радиотехника и электроника", т.26,в.12,1981г.

4. В. И. Переводчиков, В. Н. Шапенко, П. И. Акимов Электронно-оптические системы высоковольтных коммутирующих электронных приборов. Радиотехника и электроника, 1997. том 42. № 3, с. 361-370

5. Скибитянский Д. Экспериментальное исследование процесса глубокого торможения электронных потоков в коллекторе типа цилиндра Фарадея. "Электронная техника", сер. 1, Электроника СВЧ, вып.7, 1970 г.

6. Логинов Л.В. Шапенко В.Н. Скибитянский Д. Яковлев А.Н. Рачицкий Д.ГЭлектронно-лучевой вентиль на ток 1 А и напряжение 200 кВ. "Электротехника",N 4,1983г.

7. Акимов П.И. Переводчиков В.И. // Задачи физической электроники. М.: Наука, 1982. С. 144.

8. Акимов П.И., Верстакова Е.А., Данилов В.А. Цхай А.Б. II Импульсные электромеханические в полупроводниковые преобразователи энергии. Куйбышев, 1978. С. 135.

9. Акимов П.И. Разработка электронно-оптических систем электронно-лучевых вентелей. Дис. канд. техн. наук. М.: ВЭИ, 1974.

10. Чернов З.С. Бернашевский Г. А. II Задачи физической электроники. М.: Наука, 1982. С. 175.

11. Переводчиков В.И., Шапенко В.Н., Стальков П.М. Предельный ток в электронно-оптических системах коммутирующих ламп с торможением электроного пучка на аноде.

12. Переводчиков В.И., Шапенко В.Н. Ц Задачи физической электроники. М.: Наука, 1982. С. 218.

13. Переводчиков В.И., Нагучев О.Ю. Ц РЭ. 1983. Т. 28. №б. С.1198.

14. Переводчиков В.И.Логинов Л.В., Шапенко В.Н. и др. II Электротехника. 1983. № 4.

15. Куклинский Б.Д. Нагучев 0. Ю. Шапенко В. Н. Яковлев А.Н. Электронно-лучевой вентиль на то 50 А и напряжение 160 кВ Электротехника", М., N 9,1987г

16. Промышленное применение электронных пучков под общей редакцией В.И. Переводчикова Сб.научных трудов. Изд. Минэлектротехпрома, ПМБВЭИ, 1986г.

17. Richard В. True, Fellow, IEEE, Robert J. Hansen, and Gwen R. Good The Hobetron—A High Power Vacuum Electronic Switch, Ieee transactions on electron devices, VOL. 48. NO. I. JAN. 2001

18. В.И. Переводчиков, О.Ю. Нагучев. " Рекуперация энергии при торможении электронного потока на аноде как средство повышения мощности и эффективности электронных коммутирующих приборов". "Радиотехника и электроника" №12 1981.

19. З.С. Чернов "Система с центробежно электростатической фокусировкой пучка".

20. В.И.Переводчиков, В.Н.Шапенко, П.И.Акимов "Электронно-оптические системы высоковольтных коммутирующих электронных приборов". "Радиотехника и электроника" 1997 том, 42 №3.