Генератор прямоугольных импульсов на основе последовательного соединения MOSFET с Umax = 4500 В

Cover Page

Cite item

Full Text

Open Access Open Access
Restricted Access Access granted
Restricted Access Subscription Access

Abstract

Выявлены преимущества новой конструкции генератора высоковольтных прямоугольных импульсов. В отличие от аналогов, в предложенном авторами генераторе изменены схемы ключа, образованного последовательным соединением N транзисторов (Тk, k = 1, ..., N) и сопряженного c ключом высоковольтного источника; он обеспечивает N ЭДС Ek (Ei /Ej = const (i, j); i ≠ j; i, j =1, 2, …, N), которые питают Тk через нагрузочные резисторы Rk. Предложенная конструкция позволяет отказаться от резистивного делителя и снабберов, балансирующих равенство напряжений Uk на одинаковых Tk в генераторах-аналогах. Преимущества нового решения: 1) простота схемы и настройки ключа; 2) быстрый переход ON → OFF (Rk малы); 3) высокая частота повторения импульсов; 4) значительное улучшение балансировки напряжений Uk, что позволяет задавать ЭДС Ek так, чтобы выполнялось условие ∑Uk ≈ ∑Uk,max для разных по типу транзисторов (Ui,max ≠ Uj,max). В генераторе использовались высоковольтные транзисторы разных типов с Umax = 4500 В. В результате упрощена постановка высоковольтных экспериментов для поиска новых путей выполнения исследования. Выполнено сравнение вольт-амперных характеристик эмиссии (импульсный и стационарный режимы) из жидкого сплава на основе Ga.

Full Text

Restricted Access

About the authors

А. Л. Деспотули

Институт проблем технологии микроэлектроники и особочистых материалов РАН (ИПТМ РАН)

Author for correspondence.
Email: despot@iptm.ru
Russian Federation, 142432, Черноголовка, Московская обл., ул. Академика Осипьяна, 6

В. В. Казьмирук

Институт проблем технологии микроэлектроники и особочистых материалов РАН (ИПТМ РАН)

Email: despot@iptm.ru
Russian Federation, 142432, Черноголовка, Московская обл., ул. Академика Осипьяна, 6

А. А. Деспотули

Институт проблем технологии микроэлектроники и особочистых материалов РАН (ИПТМ РАН)

Email: despot@iptm.ru
Russian Federation, 142432, Черноголовка, Московская обл., ул. Академика Осипьяна, 6

А. В. Андреева

Институт проблем технологии микроэлектроники и особочистых материалов РАН (ИПТМ РАН)

Email: andreeva@iptm.ru
Russian Federation, 142432, Черноголовка, Московская обл., ул. Академика Осипьяна, 6

References

  1. Neumann E., Schaefer–Ridder M., Wang Y., Hofschneider P.H. // The EMBO Journal. 1982. V. 1. P. 841. https://doi: 10.1002/j.1460-2075.1982.tb01257.x
  2. Zhang J., Liu W., Dai J., Xiao K. // Adv. Sci. 2022. V. 9. P. 2200534. https://doi: 10.1002/advs.202200534
  3. Thompson S.P., Prewett P.D. // J. Phys. D: Appl. Phys. 1984. V. 17. P. 2305. https://doi: 10.1088/0022-3727/17/11/018
  4. Kissel J., Zscheeg H., Rudenauer F.G. // Appl. Phys. A. 1988. V. 47. P. 167. https://doi.org/10.1007/BF00618881
  5. Pargellis A.N., Seidl M. // J. Appl. Phys. 1978. V. 49. P. 4933. https://doi.org/10.1063/1.325529
  6. Matossian J., Seidl M. // J. Appl. Phys. 1982. V. 53. P. 6376. https://doi.org/10.1063/1.331508
  7. Деспотули А.Л., Андреева А.В. // Нано и микросистемная техника. 2020. № 8. С. 403. https://doi.org/ 10.17587/nmst.22.403-414
  8. Деспотули А.Л., Андреева А.В. // Нано и микросистемная техника. 2021. № 1. С. 6. https://doi.org/10.17587/nmst.23.6-23
  9. https://www.behlke.com/
  10. http://www.paramerus.com
  11. SiC Power Devices and Modules. Application Note. No. 63AN102E, Rev.003. ROHM Co., Ltd, 2020.
  12. Long T, Pang L., Li G., Zhou C., Ye M., Chen X., Zhang Q. // IEEE International Power Modulator and High Voltage Conference. Jackson.WY. 2018. P. 383. https://doi.org/10.1109/IPMHVC.2018.8936716
  13. Vechalapu K., Hazra S., Raheja U., Negi A., Bhattacharya S. // IEEE Energy Conversion Congress and Exposition (ECCE), Cincinnati, OH, 2017. P. 808. https://doi.org/ 10.1109/ECCE.2017.8095868
  14. Snubber circuit design methods. Application Note. No. 62AN037E Rev.002. ROHM Co., Ltd, 2020.
  15. Li C., Chen R., Chen S., Li C., Luo H., Li, W., He X. // Energies. 2022. V. 15. P. 1722. https://doi.org/10.3390/en15051722
  16. Воронин П.А. Силовые полупроводниковые ключи. Москва: Изд. дом “Додэка XXI”, 2005.
  17. Hess H.L., Baker R.J. // IEEE transactions on power electronics. 2000. V. 15. P. 923. https://doi.org/10.1109/63.867682
  18. Дудников В.Г., Шабалин А.Л. // ЖТФ. 1985. Т. 55. С. 776.

Supplementary files

Supplementary Files
Action
1. JATS XML
Download
2. Fig. 1. High-voltage generator with a 3×MOSFET key. Transistors T1, T2 and T3 are connected to load resistors R1, R2 and R3 and to three EMFs of the high-voltage power supply (HVPS). High-voltage pulses are supplied to the object of study from the resistor Rimp.

Download (308KB)
Indexing metadata
3. Fig. 2. Simulation of time dependences of voltages on the drains of IXTL2N450 (T1) and IXTT1N450HV (T2) in 2×MOSFET. Voltage equalization on T1 and T2 is performed by a divider with two resistors r1 = r2 = 10 kOhm (standard approach), the load resistor of the switch R = 1.2 kOhm.

Download (208KB)
Indexing metadata
4. Fig. 3. Modeling of time dependences of voltages on the drains of IXTL2N450 (T1) and IXTT1N450HV (T2) in 2×MOSFET. Voltage equalization on T1 and T2 is performed by a dual-EMF power supply, the power supply supplies T1 and T2 through the transistor load resistors R1 = 220 Ohm (T1) and R2 = 1.2 kOhm (T2) (new technical solution, Fig. 1).

Download (215KB)
Indexing metadata
5. Fig. 4. Voltage oscillograms for 2×MOSFET: 1 – signal at the input of the FAN3224 driver, which controls the gate of the 2SK1317 (T1), 2 – pulse on the gate of T1, 3 – high-voltage pulse on the drain of T1, the VIP supplies EMF E1 = 1.45 kV to the load resistor R1 = 220 Ohm, recorded by a high-voltage probe (100:1), 4 – high-voltage pulse on the drain of T2 (IXTF1N450), the VIP supplies EMF E2 = 5.4 kV to the load resistor R2 = 1.2 kOhm, recorded by a high-voltage probe (1000:1). Horizontal sweep speed 100 ns/div, vertical scale 1 kV/div.

Download (508KB)
Indexing metadata
6. Fig. 5. Voltage oscillograms for 2×MOSFET: 1 – signal at the input of the FAN3122 driver, which controls the gate of the IXTL2N450 (T1), 2 – pulse on the gate of T1, 3 – high-voltage pulse on the drain of T1, the VIP supplies EMF E1 = 4.0 kV to the load resistor R1 = 220 Ohm, recorded by a high-voltage probe (100:1), 4 – high-voltage pulse on the drain of T2 (IXTH1N450HV), the VIP supplies EMF E2 = 7.3 kV to the load resistor R2 = 1.2 kOhm, recorded by a high-voltage probe (1000:1). Horizontal sweep speed 200 ns/div, vertical scale 1 kV/div.

Download (727KB)
Indexing metadata
7. Fig. 6. Voltage oscillograms for 3×IGBT: 1 – signal at the input of the FAN3122 driver, which controls the gate of T1 (IXBH12N300), 2 – high-voltage pulse on the collector of T1, the VIP supplies EMF E1 = 2.3 kV to the load resistor R1 = 1.6 kOhm, recorded by a 100:1 high-voltage probe, 3 – high-voltage pulse on the collector of T2 (IXBH12N300), the VIP supplies EMF E2 = 4.2 kV to the load resistor R2 = 1.6 kOhm, recorded by a 100:1 high-voltage probe, 4 – high-voltage pulse on the collector of T3 (IXBH12N300), the VIP supplies EMF E3 = 6.3 kV to the load resistor R3 = 1.6 kOhm, recorded by a 100:1 high-voltage probe, high-voltage probe (1000:1). On the insert: R1 = R2 = R3 = 200 Ohm. Horizontal sweep speed 200 ns/div, vertical scale 1 kV/div.

Download (576KB)
Indexing metadata
8. Fig. 7. The current-voltage characteristic of vacuum emission of ions from liquid metal under different excitation conditions. Graphs 1 and 2 – emission under conditions of regulated Uc applied to the system with ballast resistance Rb = 1 GΩ. Graph 3 corresponds to emission under conditions of Uc + Uimp at Uc = 1 kV (Rb = 100 MOhm) and with increasing amplitude of Uimp. In the inset: graphs 1 and 2 are shown on an enlarged scale along the voltage axis.

Download (237KB)
Indexing metadata

Copyright (c) 2024 Russian Academy of Sciences