CC BY
206
2
ТЕХНОЛОГИИ
УДК 621.317.7.027.3; 621.319.027.3
ПОСТРОЕНИЕ ВЫСОКОВОЛЬТНОГО МОДУЛЯТОРА С НАНОСЕКУНДНЫМ ФРОНТОМ ДЛЯ УПРАВЛЕНИЯ ЭЛЕКТРООПТИЧЕСКИМ ЗАТВОРОМ В СОСТАВЕ ТВЕРДОТЕЛЬНОГО ЛАЗЕРА
Д.С. Терновский, В.В. Тогатов
Рассмотрен режим сверхбыстрого включения МОП-транзистора, при которых время переключения прибора не превышает единиц наносекунд. Дано объяснение механизма сверхбыстрого переключения. Приведены результаты экспериментов, подтверждающих механизм сверхбыстрого переключения. Рассмотрена возможность построения высоковольтного модулятора с наносекундным фронтом на основе эффекта сверхбыстрого переключения МОП-транзистора. Приведены структурная схема и характеристики разработанного высоковольтного импульсного модулятора для управления электрооптическими затворами с амплитудой импульса до 6 кВ и фронтом, не превышающим 5 нс.
Ключевые слова: высоковольтная техника, импульсная техника, техника наносекундного диапазона, электрооптический затвор.
Введение
При формировании высоковольтных импульсов напряжения с наносекундным фронтом используются электронные коммутаторы, построенные на основе различных физических механизмов [1-3]. В последнее время появилась информация о разработке высоковольтных модуляторов с наносекундным фронтом, построенных на основе высоковольтных МОП-транзисторов [4]. Известно, что типовые времена переключения этих транзисторов составляют десятки наносекунд, в то время как фронт импульсов напряжения на выходе модуляторов не превышает единиц наносекунд. В известной нам литературе объяснения механизма такого быстрого переключения МОП-транзисторов не дано.
Данная статья посвящена анализу режима сверхбыстрого переключения МОП-транзистора, его реализации при включении полевого прибора и построению на его основе высоковольтного модулятора с наносекундным фронтом.
Анализ режима сверхбыстрого включения
Исследуется процесс включения МОП-транзистора в схеме, приведенной на рис. 1. Силовая часть схемы, помимо исследуемого транзистора Т2, включает сопротивление нагрузки Я3 и высоковольтный источник Ун. Схема дополнена элементами Ьс и ЬИ, учитывающими индуктивности выводов транзистора и токоподводящих дорожек в цепях стока и истока, а также емкостями СЗи и СЗС. Схема управления состоит из стандартного драйвера М1 и усилительного каскада на ^-канальном транзисторе Т1. Схема дополнена цепью отрицательного смещения, подаваемого на затвор Т2. Она включает регулируемый источник иОБР и резистор Я2.
На вход исследуемого транзистора Т2 со стока Т1 подаются прямоугольные импульсы напряжения с амплитудой иПР. Так как сопротивление канала Т1 равно 0,02 Ом, а импульсный ток стока, идущий на перезаряд емкостей СЗИ и СЗС, может достигать 50 А, то источник входного напряжения в первом приближении можно рассматривать как идеальный источник э.д.с. На этапе задержки емкость СЗИ, заряженная к моменту включения до обратного напряжении иОБР, резонансно перезаряжается через индуктивность в цепи истока ЬИ. Если напряжение, подаваемое в цепь затвора, равно Цпр и со-
противление в цепи затвора близко к нулю, то ток истока в момент окончания задержки (г = гЗ) оказывается равным
'и (г З ) = Здесь бЛор -
изн(^з) = ипор-
с
ЗИ
и
[(ПР + и0Бр )) ((Пр - иПОр )2 ]
(1)
- пороговое напряжение, определяющее момент окончания задержки Оценим величину гИ (З), если в качестве коммутирующего МОП-
транзистора используется ГОРВЕЗО со следующими параметрами: крутизна ч = 3 А/В, пороговое напряжение ипор = 4 В, емкость затвор-исток Сзи = 1,3 нФ и индуктивность в цепи истока Ьи = 5 нГн. При максимальном размахе входного напряжения ипр = иобр = 20 В величина /И (гЗ) оказывается равной 18,7 А. Этот ток резко возрастает, если индуктивность в цепи истока ЬИ становится ниже 5 нГн. Как будет показано ниже, увеличение /И (гЗ) принципиально важно для реализации режима сверхбыстрого включения МОП-транзистора.
Л Г5
М1
Оеп
с 1
3
хч
Кч
1Ы оит
КС оит
ОКБ ОКБ
Я1 10 к
Яз 5.5
Ьс
Т2
Я2 100
Рис. 1. Схема для исследования процесса включения МОП-транзистора: М1 - М1С4421АВМ, Т - ^7416, 12 - ^ВЕЗО
После окончания этапа задержки начинается рост тока стока. Как и в работе [5], при анализе процесса включения будем использовать кусочно-линейную аппроксимацию передаточной характеристики МОП-транзистора. Согласно этой аппроксимации, ток стока равен
0 при изи < ип0р
, (2)
/ (изи - ипор ) при изи > ипор '
где ^ - крутизна транзистора, изи и ипор - напряжение затвор-исток и пороговое, соответственно. Можно показать, что при сформулированных допущениях процесс нарастания тока стока при включении МОП-транзистора описывается выражением
( г Л г
'о =■
'с (г) = 1пр
1-е и
V
+ 'и (гЗ )
(3)
Здесь 1пр = ^ (ипр ) - установившееся значение тока стока в активном режиме,
/и (з) определено в (1). При выводе уравнения (3) за начало отсчета г = 0 принят момент окончания этапа задержки.
1
8
2
4
5
И
Из выражения (3) следует, во-первых, что рост тока стока при включении происходит с постоянной времени т = . Во-вторых, при I = 0 ток стока скачком увеличивается до значения /И (/З). Этот результат является принципиальным, так как определяет режим сверхбыстрого включения полевого прибора. Физический смысл такого режима заключается в том, что до тех пор, пока ток стока не достигнет величины ги ), отрицательная обратная связь, обусловленная индуктивностью Ьи, в приборе отсутствует. При этом рост тока стока вплоть до значения /и (tз) не превышает единиц наносекунд и
определяется темпом заряда емкости Сзи большим током ги (^). В дальнейшем рост тока стока осуществляется в соответствии с уравнением (3) с постоянной включения т = . В наибольшей степени режиму сверхбыстрого включения отвечают МОП-
транзисторы с малой индуктивностью в цепи истока, имеющие отрицательное смещение в цепи затвора в момент включения. Отрицательное смещение увеличивает время заряда емкости Сзи до напряжения ипор. При этом ток в цепи истока к моменту окончания этапа задержки ги (з) соответственно возрастает.
Очевидно, что режим сверхбыстрого включения может быть реализован только при условии незначительной индуктивности в цепи стока.
Возможность реализации режима сверхбыстрого включения полевого прибора подтверждена нами прямыми экспериментами. На рис. 2 приведены три осциллограммы включения высоковольтного транзистора 1КРВЕ30 на омическую нагрузку 5,5 Ом при напряжении источника питания 400 В. Осциллограмма 1 соответствует включению транзистора прямоугольным импульсом затворного напряжения с амплитудой 10 В без предварительного обратного смещения на затворе. Осциллограммы 2 и 3 соответствуют включению транзистора, при котором импульс затворного напряжения с той же амплитудой подавался на затвор, предварительно смещенный обратным напряжением 10 В и 20 В соответственно. Каждая из трех осциллограмм имеет два явно выраженных участка. Первый - режим сверхбыстрого включения, не превышающий 3 нс, второй - установление стационарного состояния с постоянной эЬИ. Зависимость тока истока в момент окончания задержки ;И (^) от обратного напряжения иОБР дается выражением (1). При указанных выше значениях параметров транзистора 1КБВЕ30 величины тока /И ^ З), рассчитанные по формуле (1)
для трех значений обратного напряжения 0, 10, 20 В, оказались равными 4,2, 9,75 и 15 А. Соответствующие экспериментальные значения /И (^), найденные из осциллограмм на
рис. 2, составили 7,2, 14,4 и 21,6 А. Отмеченное различие связано с тем, что время переключения транзистора в этом режиме хоть и мало, но конечно. Поэтому к моменту, когда ток стока достигает тока истока, последний успевает существенно возрасти относительно своего значения в момент окончания задержки.
На рис. 3 приведены три осциллограммы включения того же транзистора 1КБВЕ30 на нагрузку 43 Ом при напряжении источника 400 В и прямом затворном напряжении Цпр = 10 В. Так как крутизна этого транзистора составляет ^ = 3 А/В, то он заведомо включался с заходом в режим насыщения. При этом ограничение тока стока осуществлялось на уровне 9 А. Осциллограмма 1 снималась при отсутствии напряжения обратного смещения в цепи затвора, а осциллограммы 2 и 3 - при наличии предварительного обратного смещения 10 и 20 В соответственно. Как и в предшествующем случае (рис. 2), расчетные значения тока ги (tз), соответствующие обратным напряжениям в цепи затвора 0, 10 и 20 В, равны 4,2, 9,75 и 15 А. Два последних значения тока превосходят ток, определяемый внешней цепью и равный 9 А. Поэтому на осциллограммах 2 и 3 режим сверхбыстрого включения реализуется вплоть до ограничения тока. При этом время включения составляет 2-3 нс. На осциллограмме 1 эксперименталь-
ное значение тока /И (/З) равно 6 А, что близко к расчетному значению. После достижения этой величины темп роста тока резко снижается, и дальнейшее изменение тока вплоть до ограничения осуществляется в соответствии с постоянной установления т = . Таким образом, рассмотренные экспериментальные зависимости тока стока на рис. 2 и 3 хорошо укладываются в концепцию сверхбыстрого включения транзистора.
160
140
120
100
40 -
V Н, В
60
15
20
25
30
35
40
45
50
55
60
0
0
5
10
I, нс
Рис. 2. Осциллограмма напряжения при включении транзистора !РРВЕ30 на резистивную нагрузку ^ = 5,5 Ом, Ун = 400 В, иПР = 10 В; 1 - иоБР = 0 В; 2 - иоБР = 10 В; 3 - Цобр = 20 В
V н, В 400
350
300
250
200
150
100
50
0
0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60
I, нс
Рис. 3. Осциллограмма напряжения при включении транзистора !РРВЕ30 на резистивную нагрузку ^ = 43 Ом, Ун = 400 В, ЦПР = 10 В; 1 - ЦОБР = 0 В; 2 - ЦОБР = 10 В; 3 - ЦОБР = 20 В.
В рамках общепринятых представлений длительность процесса включения определяется зарядом собственных емкостей транзистора. В этом смысле при подаче в цепь затвора предварительного обратного смещения время включения должно увеличиться, так как при включении происходит дополнительный перезаряд емкостей транзистора. Однако в режиме сверхбыстрого включения, согласно сказанному выше, имеет место обратная картина, что и подтверждается результатами прямых экспериментов.
Смысл режима сверхбыстрого включения можно пояснить и иначе. Максимальная скорость роста тока в полевом транзисторе ограничена величиной
и,, - и.
пор
IX ^и
В кремниевых МОП-транзисторах изи < 20 В, так как при больших напряжениях возможен пробой диэлектрика (оксида). Если принять изи - ипор = 15 В, а Ьи = 10 нГн, то ((/ Л )тах = 1,5 А/нс. Режим сверхбыстрого включения позволяет обойти это ограничение за счет предварительной накачки тока в индуктивности истока, осуществляемой по цепи затвора.
Схема модулятора
Режим сверхбыстрого включения использован нами при создании высоковольтных модуляторов с наносекундными фронтами для управления электрооптическими затворами. Импульсы напряжения, формируемые этими модуляторами, при амплитуде 2-6 кВ характеризуются длительностью фронта 2-4 нс [6].
и
HV
ОШ
Рис. 4. Схема модулятора
Схема модулятора представлена на рис. 4. Нагрузкой является емкость электрооптического затвора СЗ. Модулятор включает в себя источник высокого напряжения
UHV . Функции коммутирующего элемента выполняет последовательное соединение высоковольтных МОП-транзисторов Q1 —Q6. Каждый транзистор имеет независимую схему управления СУ\ -СУ6. Подача синхроимпульсов осуществляется с помощью трансформатора управления ТУ.
В паузе между импульсами высокое напряжение блокируется транзисторами Qi-Q6, напряжение на затворе СЗ равно нулю. При подаче синхроимпульса на вход модулятора трансформатор управления ТУ передает команду на включение каждой схеме управления СУ. Схемы управления одновременно включают высоковольтные МОП-транзисторы в режиме сверхбыстрого включения. Это позволяет зарядить емкость электрооптического затвора СЗ большим импульсный током за единицы наносекунд. Ток заряда замыкается по контуру (+)UHV - Q6-Q1 - СЗ - С1 - ОШ((-)ин^. Емкость конденсатора С1 много больше емкости затвора СЗ.
В схеме предусмотрена подача уставки высокого напряжения при помощи выключателя SQ. Этот выключатель также обеспечивает работу модулятора в режимах «switch-on» (с положительным фронтом) и «switch-off» (с отрицательным фронтом).
В отличие от существующих, разработанный модулятор выполнен в виде единой печатной платы, на которой расположен и высоковольтный источник. Для работы в режиме «switch-off» на плате предусмотрен разъем, к которому подключается дополнительный высоковольтный источник. Этот источник разработан нами и может поставляться в комплекте с модулятором. Модулятор (рис. 5) включает следующие основные компоненты: быстродействующий электронный коммутатор, блок накопительных конденсаторов, заряжаемых в паузе между импульсами, управляющие драйверы, трансформатор, с помощью которого осуществляется запуск модулятора, высоковольтный источник питания для формирования выходных импульсов в режиме «switch-on» и низковольтный - для цепей управления. Модулятор управляется внешними синхроимпульсами с частотой до 10 кГц. Регулировка амплитуды выходного импульса осуществляется либо встроенным потенциометром, либо дистанционно через входной разъем. Для контроля состояния платы используется светодиодная индикация, а при отсутствии высокого напряжения генерируется логический сигнал «Error». Питание платы осуществляется от низковольтного источника 5-30 В.
Рис. 5. Электрическая плата модулятора
Импульс напряжения, формируемый модулятором, приведен на рис. 6. Длительность фронта составляет не более 3 нс при амплитуде 4 кВ.
Проведены испытания разработанного высоковольтного импульсного модулятора в составе лазерного излучателя, установленного в технологический комплекс, предназначенный для объемной лазерной маркировки внутри прозрачных диэлектриков. В качестве нагрузки использовался электрооптический затвор типа QDN3 («VITRO LASER» GmbH) на кристалле BBO, работающий на поперечном электрооптическом эффекте. Емкость затвора составляла 6 пФ, рабочее четвертьволновое напряжение 3,6 кВ. Излучатель представлял собой одномодовый лазер на основе кристалла Nd3+:YVO4 с продольной импульсной диодной накачкой. Импульсы накачки с энергией до 7 мДж имели длительность 90 нс и частоту повторения до 2,5 кГц.
Цвых, 1В
нс
Рис. 6. Осциллограмма импульса напряжения, формируемого высоковольтным
импульсным модулятором
Рис. 7. Осциллограмма импульсов напряжения (1) на затворе и лазерного излучения (2). Масштаб: напряжение на затворе - 1кВ на деление, время - 5 нс на деление
По окончанию импульса накачки с импульсного модулятора на затвор подавался открывающий импульс длительностью до 200 нс. Время развития генерации находилось в пределах 30-60 нс. В результате на выходе излучателя генерировались световые импульсы на длине волны 1064 нм с энергией до 1 мДж. Отношение энергетической эффективности работы лазера в режиме модуляции добротности к соответствующему значению эффективности в режиме свободной генерации составило величину 76 %. Длительность импульса при максимальной энергии накачки составила 3,8 нс (рис. 7).
Нестабильность энергии от импульса к импульсу не превышала 2,5 %. Девиация изменений средней мощности излучения при частоте повторения 2 кГц по измерению в течение 16 часов непрерывной работы составила ± 1,6 %, что практически совпало со значением девиации в режиме свободной генерации. В результате проведения ресурсных испытаний не выявлено каких-либо изменений в работоспособности модулятора в течение 109 импульсов.
Основные технические характеристики модулятора
- амплитуда выходного импульса .............................................................2-6 кВ
- стабильность амплитуды ........................................................................ 5 %
- максимальный ток в импульсе................................................................30 А
- максимальная емкость нагрузки............................................................. 100 пФ
- длительность фронта................................................................................3-8 нс
- длительность плоской части импульса ..................................................0.2-2 мкс
- время спада ...............................................................................................0.5 мкс
- максимальная частота повторения импульсов ...................................... 10 кГц
- амплитуда входного синхроимпульса....................................................3-15 В
- напряжение источника питания платы .................................................. 5-30 В
- потребляемая мощность ..........................................................................2 Вт
- рабочий температурный диапазон.......................................................... (-40)-(+60 )°С
- габаритные размеры.................................................................................. 50*80*24 мм3
Заключение
1. Показано, что основным фактором, ограничивающим быстродействие МОП-транзисторов, является индуктивность в цепи истока транзистора.
2. Сформулирован режим сверхбыстрого включения МОП-транзистора, позволяющий обойти существующее ограничение по скорости переключения транзистора за счет предварительной накачки тока в индуктивности цепи истока.
3. На основе режима сверхбыстрого включения разработана схема и конструкция высоковольтного модулятора с наносекундным фронтом для управления электрооптическим затвором в составе твердотельных лазеров.
4. Разработанный модулятор используется на фирме VITRO LASER (Германия) в составе технологического комплекса для ЗБ-гравировки в прозрачных диэлектриках и в Институте общей физики академии наук (ИОФАН) (г. Москва.).
Литература
1. Аристов Ю.В., Воронков В.Б., Грехов И.В., Козлов А.К., Коротков С.В. Мощный полупроводниковый переключатель высоковольтных импульсов с наносекундным фронтом нарастания // ПТЭ. - 2007. - № 2. - С. 87-90.
2. Грехов И.В., Ефанов В.М., Кардо-Сысоев А.Ф., Шендерей С.В. Формирование ки-ловольтных наносекундных перепадов напряжения дрейфовыми диодами с резким восстановлением // ПТЭ. - 1984. - № 5. - С. 103-105.
3. Грехов И.В., Ефанов В.М., Кардо-Сысоев А.Ф., Шендерей С.В. Мощный полупроводниковый генератор наносекундных импульсов // ПТЭ. - 1986. - № 1. - С. 93-94.
4. Behlke Power Electronics (GmbH). Fast high voltage solid-state switches. - Режим доступа: http://www.behlke.de, своб.
5. Clemente S., Pelly B.R., Insidori L. Силовые полупроводниковые приборы. - Воронеж, 1995. - С.195-215.
6. Тогатов В.В., Гнатюк П.А., Терновский Д.С. Высоковольтный импульсный модулятор с наносекундным фронтом // ПТЭ. - 2007. - № 6. - С. 134-135.
Терновский Дмитрий Сергеевич
Тогатов Вячеслав Вячеславович
— Санкт-Петербургский государственный университет информационных технологий, механики и оптики, аспирант, [email protected]
— Санкт-Петербургский государственный университет информационных технологий, механики и оптики, доктор технических наук, профессор, [email protected]
УДК 536.6
ПАРАМЕТРИЧЕСКАЯ ИДЕНТИФИКАЦИЯ ТЕПЛОВОГО ПОТОКА, ВХОДЯЩЕГО В ОДНОМЕРНЫЙ ТЕПЛОМЕР, С УТОЧНЕНИЕМ КОЭФФИЦИЕНТА ТЕПЛОПРОВОДНОСТИ
К.В. Кириллов, Н.В. Пилипенко
Исследованы возможности применения метода параметрической идентификации для одновременного восстановления теплового потока и уточнения теплопроводности материала тепломера. Представлено описание математических моделей и результаты тестирования разработанной по ним программы. Ключевые слова: приемники теплового потока, дифференциально-разностные модели, обратные задачи теплопроводности, параметрическая идентификация, фильтр Калмана.
Введение
Теплофизические характеристики (ТФХ) материала тепломера (в дальнейшем для краткости ПТП - приемника теплового потока) существенно влияют на результаты восстановления тепловых потоков. В нестационарной теплометрии, как правило, для получения информации о значениях ТФХ используются известные справочные данные, составление которых является отдельной задачей экспериментальной теплофизики. Однако значения ТФХ существенно различаются в зависимости от технологии получения сплавов, а для неоднородных ПТП величины ТФХ известны лишь приблизительно.
Для преодоления указанных проблем вместо традиционно применяемой прямой градуировки ПТП на специальных стендах предлагается использовать методы комбинированных обратных задач теплопроводности (ОЗТ) [1, 2]. Комбинированная ОЗТ предполагает постановку коэффициентной ОЗТ по определению ТФХ материала ПТП и объединение ее с граничной ОЗТ по восстановлению входящего в ПТП теплового потока.
При постановке коэффициентной ОЗТ рассматривается случай оптимального оценивания только коэффициента теплопроводности, где в качестве обязательной параметризации применяется его кусочно-постоянная аппроксимация, а при постановке граничной ОЗТ - кусочно-линейная сплайн-аппроксимация теплового потока.
В работе описан метод решения комбинированной ОЗТ с использованием фильтра Калмана (ФК) по искомым параметрам, приведены результаты восстановления тепловых потоков и уточнения ТФХ для тепломеров из различных материалов, оценены погрешности решения ОЗТ и даны рекомендации по использованию предлагаемого метода.
