Недбайло Ю А, «Радмір» ДП АТ НДІ радіотехнічних вимірювань вул Академіка Павлова, 271, м Харків, 61054, Україна Тел: +38 (057) 739-01-41, e-mail: nedbaylo@niiril

Анотація – Запропоновано ефективна схема високовольтного MOSFET комутатора для керування живленням магнетронних генераторів апаратів мікрохвильової терапії Може бути використана для управління напругою харчування інших НВЧ приладів із заземленим анодом

I                                       Введення

Застосування в спеціалізованих джерелах живлення потужних силових транзисторів з ізольованим затвором (MOSFET) дозволяє помітно спростити схеми комутації та управління, підвищити надійність і ефективність джерел живлення В [1] наведена схема високовольтного імпульсного модулятора, використовуваного для дослідження провідності водних розчинів в комірці Керра, побудована на потужних силових п-канальних MOSFET транзисторах по т н сходовій схемою, вартість комплектуючих в якій не перевищує МГО

Безпосереднє використання такої схеми для управління живленням СВЧ приладів із заземленим анодом (магнетронів, ЛБВ тощо) не представляється можливим через відсутність високовольтних р-канальних транзисторів для управління негативним високому напругою У роботі запропонована ефективна схема високовольтного комутатора, виконаного на недорогий елементній базі, яка дозволила вирішити ряд принципових проблем

II Високовольтний комутатор

Необхідність заземлювати анод і отримувати негативний високий потенціал створюють певні труднощі при розробці пристроїв керування напругою живлення, призначених для вакуумних НВЧ приладів Проблеми, що виникають при конструюванні високовольтних комутаторів, полягають у наступному

Напруга живлення розглянутих НВЧ пристроїв середнього рівня потужності знаходиться в межах 3 . 5 кВ при струмі 0,25 .. 1,0 А, при цьому, під високим негативним потенціалом знаходяться як самі комутуючі елементи, так і схеми управління Це вимагає застосування схем гальванічної розвязки по ланцюгах контролю і управління Наявність широкого спектра недорогих мікросхем оптронной розвязки на напругу до 5 – 7 кВ, дозволяє вирішити це завдання Водночас, хоча в даний час відсутні відповідні силові р – канальні транзистори MOSFET на напругу більше 200 В, які б дозволили здійснити управління високим негативним напругою відносно корпусу, це завдання вирішується за допомогою недорогих потужних п-канальних силових MOSFET транзисторів на напругу близько 1 кВ, зєднаних за відомою з вакуумної техніки «сходовій» схемою, керованих через гальванічну оптронна розвязку

На рис1 наведена функціональна схема пристрою, що дозволяє здійснювати управління подачею напруги живлення на магнетрон, а, при необхідності, і імпульсну модуляцію напругою живлення СВЧ генератора, виконана на базі недорогих MOSFET транзисторів, наприклад, типу IRFPG 40, відповідних за своїми параметрами для цієї мети Робота схеми високовольтного комутатора полягає в наступному При подачі на вхід пристрою високої напруги Uin, струм, що протікає через ланцюг стабілізатора VD1, R3, створює на стабілітроні VD1 і, відповідно, на затворі транзистора VT1 напруга зсуву Ug-s, відмикають транзистор VT1 Транзистор VT1 відкривається і його струм, протікаючи через дільник VD2, R5, R6, створює на стабілітроні VD2 падіння напруги, відмикають транзистор VT2 Ток транзистора VT2, протікаючи через дільник VD3, R5, створює на стабілітроні VD3 падіння напруги, відмикають транзистор VT3 і висока напруга з входу пристрою виявляється прикладеним до катода магнетрона G1, викликаючи генерацію СВЧ коливань

Рис 1 Функціональна схема ВВ комутатора: G1 – магнетрон R1, R3 – токозадающіх резистори Р2-датчик струму магнетрона VD1 VD3 – стабілітрони VP1 – оптопара управління VP2-оптопара контролю струму VP3-оптопара контролю напруги VT1 . VT3-ключові транзистори а-а – вхід управління високою напругою Ь-Ь-сигнал контролю струму с-с – сигнал контролю високої напруги

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

Використання стабілітронів VD1 .. VD3 дозволяє обмежити максимальну відмикають напруга на затворах транзисторів і поліпшити їх комутаційні характеристики Оптопара VP1 призначена для гальванічної розвязки ланцюга керування включенням високої напруги Оптопара VP2 використовується для гальванічної розвязки ланцюга контролю струму магнетрона, а оптопара VP3 – для гальванічної розвязки ланцюга контролю високої напруги

Для контролю струму магнетрона використовується падіння напруги на резистори R2, викликане струмом магнетрона Сигнал контролю струму магнетрона знімається з виходу Ь-Ь мікросхеми оптронной розвязки VP2 При надходженні високої напруги на вхід пристрою, струм через токозадающій резистор R1 викликає запалювання світлодіода оптронной розвязки VP3, а сигнал контролю наявності високої напруги знімається з виходу з-с мікросхеми VP3 Такий стан системи контролю має місце при наявності рівня логічного нуля на вході а-а оптронной розвязки VP1 При подачі на вхід VP1 рівня логічної одиниці транзистор оптронной розвязки VP1 відмикається і шунтирует перехід затвор-витік транзистора VT1, викликаючи його замикання і откпюченіе високої напруги від магнетрона При подачі на керуючий вхід VP1 імпульсного керуючого напруги можливе отримання режиму імпульсної генерації Максимальна частота модуляції визначається частотними властивостями і режимом роботи мікросхеми оптронной розвязки VP1, а також параметрами транзисторів VP1 . VP3 Автор на діючому макеті пристрою використовував частоту модуляції

1 кГц і отримав досить хороші результати У випадку застосування як СВЧ генератора магнетрона типу М107, напруга живлення якого в робочому режимі змінюється в межах 1,6 . 2,0 кВ, а при зниженні напруги нижче 1,6 кВ він замикається, можна обійтися всього одним кпючевим транзистором, забезпечивши вирівнювання потенціалів резистивним дільником Зявилися в даний час транзистори на напругу 2,5 кВ дозволяють, використовуючи всього один ключовий транзистор, створювати подібні схеми на напругу до 4 . 5 кВ

Слід зазначити, що комутатор відкривається відразу після подачі на вхід пристрою високої напруги і для його замикання на вхід VP1 необхідно подати напругу, що управляє, що може виявитися не дуже зручним, т к при його пропажі з яких-небудь причин (наприклад, внаслідок несправності схеми управління) на виході комутатора зявиться висока напруга, яка викличе несанкціоновану генерацію СВЧ-енергії Цього можна уникнути шляхом послідовного включення ланцюга входу VP1, наприклад, в розрив ланцюга резистора R1 Тоді, при подачі на вхід пристрою високої напруги, струм резистора R1, буде викликати спрацьовування оптронной розвязки VP1, яка своїм виходом буде шунтировать вхід транзистора VT1 і викликати його замикання Для керування роботою комутатора потрібно введення в електричну схему пристрою ще однієї оптронной розвязки VP4, на вхід якої подається сигнал управління, а її вихід слід вкпючіть паралельно входу VP1 При подачі напруги, на VP4 вона шунтирует вхід VP1, транзистор VT1 відкривається і подає висока напруга в навантаження При пропажі керуючого сигналу VT1 знову закриється

III                                   Висновок

Таким чином, в роботі показано можливість, використовуючи недорогі силові п-канальні MOSFET транзистори та інші доступні комплектуючі, загальна вартість яких не перевищує $ 20, створити пристрій, що дозволяє досить ефективно здійснювати комутацію харчування та модуляцію з харчування магнетронних генераторів та інших НВЧ приладів із заземленим анодом Представлена ​​функціональна схема пристрою, описана робота схеми

IV                          Список літератури

[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 kharkovcom

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 Fig1 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

Джерело: Матеріали Міжнародної Кримської конференції «СВЧ-техніка і телекомунікаційні технології», 2006р