CC BY
0
The paper examines the features of the fourth and fifth industrial revolutions and their place in the concept of «Industry 4.0» and «Industry 5.0» that describes them in a succession of other sociological theories of modern society. Using robotization as an example, their common features and differences, pros and cons of their implementation are defined.
Key words: Industry 4.0, Industry 5.0, information and communication technology, biotechnology revolution.
Severin Alexander Igorevich, student, [email protected], Russia, Saint-Petersburg, Saint-Petersburg State marine technical university,
Vinogradov Yuri Mikhailovich, laboratory assistant, [email protected], Russia, Saint-Petersburg, Saint-Petersburg State marine technical university
УДК 681.5
DOI: 10.24412/2071-6168-2024-1-361-362
ОБЗОР ТЕХНОЛОГИИ ТВЕРДОТЕЛЬНЫХ ЛИНЕЙНЫХ ТРАНСФОРМАТОРНЫХ ДРАЙВЕРОВ
А.С. Соболев
Данная статья представляет собой обзор последних достижений в области твердотельных линейных драйверов трансформаторов (ТЛДТ) для применения в импульсной энергетике. В нем обобщены технологические достижения, о которых сообщалось в предыдущих публикациях, и дана интерпретация экспериментальных результатов. Применение твердотельных ЛТД оказалось привлекательным подходом для создания компактных и повторяющихся импульсных генераторов энергии, востребованных в различных областях промышленности и научных исследований. В данной работе приведены и проанализированы их преимущества и недостатки по сравнению с альтернативными вариантами. Обсуждаются также перспективные технические направления развития твердотельных ЛТД.
Ключевые слова: твердотельный трансформатор, МОП-транзистор, обзор, линейное напряжение.
Импульсная система питания на основе ЛТД состоит из множества схемных блоков, каждый из которых способен генерировать короткий импульс. Выходные импульсы всех устройств складываются между собой как по току, так и по напряжению, что приводит к умножению мощности и преобразованию импеданса. Сложение по току обычно осуществляется прямым параллельным соединением, а сложение по напряжению - индуктивным накоплением.
Эквивалентная схема ЛТД приведена на рис. 2. Каждый блок схемы состоит из конденсатора и переключателя. Несколько таких блоков (n блоков) соединяются параллельно, образуя модуль, а несколько таких модулей (m модулей) последовательно индуктивно складываются в систему. Если один модуль может генерировать выходное напряжение v и выходной ток i, то выходное напряжение и выходной ток всей системы становятся равными mv и ni соответственно. Таким образом, по сравнению с мощностью одного блока выходная мощность системы умножается на nm, а выходной импеданс преобразуется с коэффициентом m/n. Наиболее заметные преимущества схемы ЛТД по сравнению с традиционной схемой сжатия импульсов заключаются в распределении напряжений и модульной структуре. В системе сжатия импульсов должен быть
361
выходной коммутатор, который управляет пиковой мощностью всей системы. Однако для ЛТД такой компонент не требуется, что указывает на теоретическую возможность неограниченного наращивания мощности ЛТД -систем [1-3]. Кроме того, генератор импульсной мощности на основе ЛТД состоит из множества одинаковых модулей, что дает возможность простого обслуживания, рециркуляции модулей и изменения конфигурации пользователем.
Рис. 1. Альтернативные схемы генерации импульсной мощности: (а) сжатие импульса и (б) добавление мощности с помощью ЛТД
Рис. 2. Эквивалентная схема импульсного генератора электроэнергии
на основе ЛТД
2. Основной принцип и структура ТЛДТ. Принцип работы ТЛДТ такой же, как и у больших ЛТД, за исключением того, что выключатели здесь могут быть отключены до полного разряда накопительных конденсаторов. В результате выходное напряжение модуля приблизительно равно напряжению на конденсаторе, а спад напряжения во время импульса может быть относительно небольшим, если емкость достаточно велика. Типовая конструкция модуля приведена на рис. 3.
Модуль ЛТД состоит из 24 схемных блоков. Каждый блок состоит из пленочного конденсатора и силового МОП-транзистора [2,5-7]. Поперечное сечение модуля показано на рис. 4, а его эквивалентная схема - на рис.5.
Принцип работы модуля объясняется следующим образом. Первоначально конденсаторы заряжаются до определенного постоянного напряжения. При включении МОП-транзисторов конденсаторы разряжаются в контуре, проходящем через МОП транзисторы и верхний корпус модуля, как показано сплошными стрелками на рис. 5. В то же время большая индуктивность магнитопровода индуцирует вторичный ток в другом контуре через весь внешний корпус модуля и нагрузку, как показано пунктирными стрелками на рис. 5. Важно отметить, что для идеального сердечника первичный и вторичный токи должны быть практически одинаковыми, а чистый ток может быть прене-
п
брежимо мал [3, 6]. Таким образом, поведение схемы в модуле ЛТД работает как трансформатор 1:1, который эффективно передает энергию разряда конденсатора на выход. Однако в реальных ситуациях сердечники не идеальны, и, следовательно, всегда возникает проблема эффективности выхода. После каждого импульса необходимо восстановить магнитный поток в сердечнике, иначе при повторном включении сердечник вскоре насытится. Для этой цели мы использовали отдельную обмотку с постоянным током 2 А.
Рис. 3. Пример модуля ТЛДТ
Магнитное ядро Драйвер
Рис. 4. Структура поперечного сечения твердотельного модуля ЛТД
Магнитное ядро
Защитный диод
Рис. 5. Эквивалентная схема модуля ТЛДТ
Сплошные и пунктирные стрелки указывают направления первичного и вторичного токов соответственно.
Резисторы сверху являются фиктивными нагрузками. Кроме вышеперечисленных компонентов, модуль ЛТД содержит также схемы управления МОП-транзисторами, как показано на рис. 6. Сигнал включения/выключения поступает на оптический модуль, затем усиливается микросхемой драйвера и поступает на все драйверы [7-9].
МОП-транзисторов. Исходный управляющий сигнал является преимущественно двоичным (логическим), в то время как на выходе драйвера, подаваемом на затворы МОП транзисторов, возникают вопросы времени нарастания и синхронизации. Компоненты схемы, используемые в модуле ЛТД, показанном на рис. 3, приведены в табл. 1. Для достижения суммирования напряжений можно объединить множество модулей ЛТД, как показано на рис. 2. На рис. 6 показана система ЛТД, состоящая из 30 модулей.
Как видно из рис. 4, каждый модуль имеет на своей нижней поверхности проводящий лист (покрытие), поэтому при укладке модулей друг на друга нижний лист верхнего модуля служит верхней крышкой для модуля, расположенного под ним [4,10]. Таким образом, все корпуса модулей соединены с землей, что очень удобно для зарядки, управления и экранирования помех.
3. Типичное рабочее поведение ТЛДТ. Управление всеми модулями ТЛДТ осуществляется по оптическим волокнам. Управляющие сигналы формируются с помощью ПЛИС. Результаты измерений временных последовательностей показывают, что общая временная задержка от ПЛИС до МОП-транзисторов составляет около 150 нс, что в основном обусловлено работой микросхем драйверов [5]. Однако джиттер задержки между всеми МОП транзисторами в каждом модуле составляет менее 2 нс. В системе, представленной на рис. 6, используется 720 МОП-транзисторов. Полученные результаты показаны на рис. 7 для различных напряжений заряда конденсаторов. Время нарастания и спада напряжения на нагрузке, показанное на рис. 8, обусловлено многими факторами, в том числе индуктивностью цепи, реакцией устройства и его разбросом. Небольшое падение напряжения во время импульса вызвано падением напряжения на конденсаторе. Пиковое выходное напряжение достигло почти 29 кВ при заряде конденсатора 1 кВ. Пиковый ток через нагрузочный резистор 120 U достиг ~240 А, т.е. примерно 10 А на устройство при равномерном распределении тока. Временной интервал между включением и выключением примерно определяет длительность выходного импульса. На рис. 8 показаны осциллограммы выходного напряжения, полученные при различных временных интервалах - от 60 до 200 нс. Полная ширина на полумаксимуме выходного напряжения изменяется от ~50 до ~170 нс, что ограничивается временем нарастания системы и насыщением сердечника. Диод, который виден параллельно нагрузке на рис. 5, предназначен в первую очередь для защиты коммутаторов, но он также выполняет роль шунтирования тока в цепи в случае, если местный модуль не включен [6].
Форма выходного сигнала может быть произвольно сформирована путем правильного включения/выключения большого числа модулей. На рис. 9 представлен пример формирования выходных импульсов, выполненный с помощью описанной выше
Рис. 6 - Генератор импульсной мощности, состоящий из 30 полупроводниковых модулей ЛТД.
системы ЛТД. Верхние графики иллюстрируют синхронизацию управляющих сигналов, а нижний осциллограф представляет собой выходное напряжение, полученное на нагрузке. ПЛИС позволяет программировать временные характеристики каждого модуля и изменять их от выстрела к выстрелу. Такой способ управления выходом позволяет по-новому подойти к генерации импульсной энергии, что было невозможно при использовании предыдущих технологий [7].
30
>
аГ 20
с»
о >
110 о
о
-1
Рис. 7. Осциллограммы выходного напряжения, полученные при различных напряжениях заряда, для длительности управляющего импульса 120 нс.
Rl- 120 О.
- 1000V 900 V
600 V
—---700 V
I 600 V
Я - 500V
•Я too V
à - зооV ¡® - 200 V 100 V
00 0 100 200 300 Time (ns)
-100
400
Time (ris)
Рис. 8. Волновые формы выходного напряжения, полученные при различных длительностях управляющих импульсов, для зарядного напряжения 1 кВ.
3 modules
О^ 5 -
0 100 200 300
Time (ns)
Рис. 9. Демонстрация управления формой сигнала с помощью ТЛДТ. На верхних диаграммах показаны управляющие сигналы, подаваемые на различные модули, а нижняя кривая представляет собой форму выходного напряжения
Заключение. В данной статье рассматриваются последние технические достижения в области ТЛДТ. После значительных успехов, достигнутых в последнее время в области больших ЛТД, компактные и повторяющиеся ЛТД на основе на полупровод-
365
никовых переключателях также исследовались для целей промышленного применения. С технологической точки зрения импульсной энергетики прогресс в области малых ЛТД не менее значителен, чем в области больших. Развитие технологии ТЛДТ будет продолжаться и в будущем. Предполагается, что предметом исследований будут конфигурация схемы, комбинация устройств и метод управления. Биполярный выход будет очень интересным направлением развития конфигурации схем ТЛДТ. Существует множество приложений, требующих биполярных высоковольтных импульсов. Биполярно марковские схемы изучались и разрабатывались в последние годы. Модульная структура ЛТД, по-видимому, позволяет осуществлять независимое управление и вывод различных модулей, что, в принципе, может обеспечить относительно простой технический подход к биполярному выводу из одного стека. В системе ТЛДТ могут использоваться сотни и даже тысячи коммутационных устройств. С точки зрения соотношения стоимость/производительность эти устройства не обязательно должны быть одной и той же модели. Другими словами, в зависимости от требований нагрузки мы можем использовать комбинацию различных типов коммутационных устройств. Например, для газоразрядной нагрузки может потребоваться относительно быстрое нарастание напряжения и последующий относительно большой импульс тока. В этом случае система ЛТД, состоящая из модулей с быстродействующими (например, MOSFET) и сильноточными (например, IGBT) коммутационными устройствами, будет более подходящей по сравнению с системой, использующей только один тип коммутаторов. Возможна также комбинация кремниевых и карбидокремниевых приборов.
Список литературы
1. H. Akiyama, T. Sakugawa, T. Namihira, K. Takaki, Y. Minamitani, et al., Industrial applications of pulsed power technology, IEEE Trans. Dielectr. Electr. Insul. 14(2007) 1051e1064.
2. J. Mankowski, M. Kristiansen, A review of short pulse generator technology, IEEE Trans. Plasma Sci.28 (2000)102e108.
3. J. Deng, W. Xie, S. Feng, M. Wang, H. Li, et al., From concept to reality - a review to the primary test stand and its preliminary application in high energy density physics, Matter Radiat Extreme.1 (2016)48e58.
4. Соболев, А. С. Оптимизация цифрового регулятора системы автоматического регулирования непрерывного объекта / А. С. Соболев, С. Г. Черный // Вестник Военного инновационного технополиса "Эра". - 2023. - Т. 4, № 2. - С. 208-213. - DOI 10.56304/S2782375X23020134. - EDN KCXSYI.
5. Черный, С. Г. Обзор процессов формирования и повышения энергоэффективности на судах (нормативные и экономические аспекты) / С. Г. Черный, А. С. Соболев // Вестник Инженерной школы Дальневосточного федерального университета. -2023. - № 3(56). - С. 78-89. - DOI 10.24866/2227-6858/2023-3/78-89. - EDN FHHSFT.
6. B. M. Koval'chuk, V. A. Vizir', A. A. Kim, E. V. Kumpyak, S. V. Loginov, et al., Fast primary storage device utilizing a linear pulse transformer, Russ. PhysJ.40(1997)1142e1153.
7. Вынгра, А. В. Исследование активного фильтра тока судовых электроэнергетических систем с нечеткими алгоритмами / А. В. Вынгра, С. Г. Черный, П. А. Ерофеев // Труды Крыловского государственного научного центра. - 2023. - № S1. - С. 124-130. - DOI 10.24937/2542-2324-2023-1-S-I-124-130. - EDN NRSBTX.
8. M. G. Mazarakis, W. E. Fowler, A. A. Kim, V. A. Sinebryukhov, S. T. Rogowski, et al., Highcurrent, 0.5-MA, fast,100-ns, linear transformer driver experiments, Phys. Rev. Spec. Top. Accel. Beams12 (2009),050401e1~17.
9. B. M. Novac, M. Istenic, J. Luo, I. R. Smith, J. Brown, et al., A10-GW pulsed power supply for HPM sources, IEEE Trans. Plasma Sci.34 (2006)1814e1821.
10. G. A. Mesyats, S. D. Korovin, V. V. Rostov, V. G. Shpak, M. I. Yalandin, The RADAN series of compact pulsed power generator sand their applications, Proc. IEEE92(2004)1166e1179.
Соболев Александр Сергеевич, ассистент, магистрант, sobolev.alexandr1496@,gmail.com, Россия, Керчь, Керченский государственный морской технологический университет
OVERVIEW OF SOLID-STATE LINEAR TRANSFORMER DRIVERS TECHNOLOGY
A.S. Sobolev
This article provides an overview of recent advances in solid-state linear transformer drivers (SLDs) for switched-mode power applications. It summarizes the technological advances reported in previous publications and provides an interpretation of the experimental results. The use of solid-state FTEs has proven to be an attractive approach for creating compact and repeatable pulsed power generators that are in demand in various fields of industry and scientific research. This paper presents and analyzes their advantages and disadvantages compared to alternative options. Promising technical directions for the development of solid-state LTD are also discussed.
Key words: solid-state transformer, MOS transistor, review, line voltage.
Sobolev Alexander Sergeevich, assistant, undergraduate, [email protected], Russia, Kerch, Kerch State Marine Technological University
