ТС, есть у меня друзья, работают тут получают много гиговатные импульсы, если интересно могу связать

Дык вроде все просто.
Энергия в дросселе 10 Дж, принимаем индукцию например - 0.2 Тл.
По формуле объемной энергии находим объем воздушного зазора - 628 см3.
Для вторички выходное напряжение 50 кВ, длительность импульса - 100нсек., откуда амплитуда тока 4кА.
Индуктивность вторички - 1.25 мкГн.
Из намагничивающей силы находим число витков на длину - 40 вит/m.
Далее принимаем сечение магнитопровода, например 20 см2.
Получаем длину магнитной линии 31.4 см. и число витков -13.
Базовая конструкция - торовый трансформатор с диаметром по средней линии 100мм и диаметром витков - 50 мм
А теперь добавляем распреденный ферритовый сердечник, так чтобы сохранить воздушный объем и обеспечить хорошую связь с первичкой.
Приличная вариационная задачка.

Сообщение отредактировал AleksNik - Jul 2 2012, 13:25

Привет всем!
Это мой первый пост на форуме: извиняйте, если пост не в ту тему забросит.

1)Как уже отмечалось выше, импульсная мощность (в нагрузке) не может быть больше коммутационной способности ключа: по примеру, предложенному ТС (в самом идеальном случае), ключ обрывает ток 144 ампер в обмотке с N витками при ограничении пика напряжения на ней 1000 вольт; на другой обмотке с 30*N витков (по желанию ТС) ЭДС составит 30 кВ, но пик тока всего лишь 144/30=4,8 А и пиковая мощность все те же 144 кВт ("вечный двигатель" не получается, увы); может быть этого факта будет уже достаточно, чтобы охладить желание ТС "копать" в этом направлении?

2)Задача получения импульсов мощностью десятки..сотни мегаватт в течение СОТНИ НАНОСЕКУНД-не тривиальна. Основные проблемы будут не в том, как накопить требуемую энергию, а как заметную ее часть извлечь и доставить на нагрузку с учетом ограниченного быстродействия ключа, паразитных параметров накопителя и монтажа. В этих условиях выдвигать на первый план дешивизну (среди критериев оптимальности проекта)-не серьезно. Являясь дилетантом в части генерации мощных импульсов субмикросекундного диапазона, отмечу только наиболее очевидные проблемы: а) скорость коммутации мощных кремниевых ключей широкого применения (ТС хочет, чтобы было не слишком дорого) не так уж велика; для корпуса вроде ТО247 надо очень постараться, чтобы получить 1 А/нс, следовательно, при 144 амперах на 100 нс придется только фронт (или импульс подразумевается не прямоугольный, а треугольный?); скорость нарастания напряжения также отнюдь не бесконечно велика; б) проблемы согласованной передачи мощности от нескольких сотен накопителей на общую нагрузку; даже оптимистические дилетантские оценки паразитных параметров монтажа повергают в уныние и заставляют проникнуться уважением к спецам, которые такие задачи успешно решают.
Вроде бы (по факту применения) наилучший комплекс свойств обеспечивают пленочные (полипропиленовая пленка или комбинированный диэлектрик) высоковольтные (единицы...десятки киловольт) конденсаторы.

3)Если ТС предложил к рассмотрению длительность импульса 100 нс просто для примера, а для него актуальны и длительности единицы... десятки микросекунд, можно еще пообсуждать, т.к. будет применим опыт по импульсным ИП. Если же интересует именно 100 нс, то только к "спецам" (и задвинуть дешивизну в конец списка критериев оптимизации проекта). По грубым оценкам стоимость полипропиленовых конденсаторов (в качестве накопителей) на порядок меньше стоимости ключей...
Все изложенное-"по-моему".

Всеьма хороший первый пост. Дай бог, не последний!
Я разделяю Ваше мнение, что тут не сам накопитель хлопоты доставит, а именно ключ и его крутизна фронтов.
Нужны очень узкие специалисты, имевшие дело с чем-то подобным.

Здесь Вы не совсем правы.
У того-же Infineon-a есть достаточно дешевые транзисторы с фронтами в 5 нсек на токи десятки ампер, не говоря уже об IXYS-е.
У ТС проблемы не во фронтах, я тут лилеял коварные планы, что ТС пройдет по предложенному алгоритму и обнаружит, что выбора то у него и нет. И единственное решение для него - маломощный преобразователь заряжает емкость до 50кВ, которая резонансно разряжается на нагрузку через управляемый водородный тиратрон и токоограничивающий дросель. И все. Но ТС куда то пропал и это приходится писать мне.

Сообщение отредактировал AleksNik - Jul 6 2012, 15:59

я никуда не пропал, просто был в коммандировке

Система с кондером и тиратроном у меня есть, работает как часики. Но все вокруг меня просто достали, типа в индуктивности запасается больше энергии, надо ее использовать, кондеры и тиратроны - прошлый век. Вот и я начал тут филосовствовать. Если это филосовствование - от лукавого, классно, буду, по старинке делать так, как у меня уже годами все работало!

У вас гламурные коллеги?

По удельной плотности накапливаемой энергии, индуктивные накопители превосходят емкостные на 2 порядка. По удельной мощности импульса, ситуация обратная - емкостные накопители превосходят индуктивные, примерно на такую же величину.

Кроме того, у индуктивных накопителей (не сверхпроводящих) большие потери энергии. Для заряда, им необходимы источники, способные отдавать большой ток. Например, конденсаторы

Индуктивный накопитель (катушка) при разряде не может отдать ток больший, чем получен при заряде. Емкостной накопитель (одиночный) при разряде не может отдать напряжение, больше полученного при заряде.

Плотность энергии в емкостных накопителях ограничивается электрической прочностью диэлектрика и его диэлектрической проницаемостью. Плотность энергии в индуктивных накопителях ограничивается механической прочностью конструкции катушки.

Хотите узнать всю правду, читайте профильную литературу.
Может быть, откроете для себя много нового. Например, как получить импульсы с более крутыми фронтами, чем у используемого ключа. Или узнаете, что катушки с ферритами используются в качестве ключей, для генерирования мощных импульсов.

Привет!
Посмотрел даташиты на "CoolMOS"-ы у Infineon, IXYS, STM, Fairchild, а также статьи по испытаниям этих ключей (в корпусах то247 и им подобных). Там, где указаны наиболее "крутые" времена фронтов (10 нс при токе 44А)-полностью отсутствуют пояснения, к чему относятся эти цифири (это на IPW60R045CP и его полный аналог IXKH70N60C5-вероятно, iXYS покупает чипы у Infineon-а). Другие производители указывают значительно более скромные скорости переключения-1,6А/нс у STW88N65 и еще значительно меньше для FCH47N60 (правда там испытания на резистивную нагрузку и с довольно большим сопротивлением в затворе). Нашел обзор с испытаниями всех этих приборов в одинаковых условиях (на максимальную скорость/минимальные потери переключения), из которого видно, что а) поведение всех полевиков очень сходно между собой, б) переключения сопровождаются сильным звоном (амплитуда первого выброса примерно равна величине переключаемого тока, частота колебаний около 40 МГц и затухают не быстро-первая сотня наносекунд после коммутации "налита" звоном), в) проведение измерений-весьма трудная для экспериментатора задача-датчики напряжения и, особенно, тока вносят серьезные искажения, г) даже у того самого инфинеоновского полевика наблюдаемая скорость переключения 3А/нс при включении и 2А/нс при выключении тока.
Вышеизложенное относится к коммутации токов порядка 20 ампер при 400 вольтах. Если же загрузить приборы номинальными токами (47..84 ампера для рассматриваемых полевиков), а тем более максимально-допустимыми импульсными токами (ведь надо бороться за увеличение коммутируемой мощности; получается, что полевики-наиболее дорогая часть установки), то времена еще в разы вырастут, а что станет со звоном??
Раньше многие изготовители указывали величину собственной индуктивности истока (эмиттера) для корпуса ТО247-13нГ (сейчас почему-то стали избегать? неужели сумели побороть?-сильно сомневаюсь). Эта индуктивность создает неустранимую ООС по скорости изменения тока через прибор. Управляющие напряжения ограничены "прочностью" подзатворного диэлектрика (до +/-20 вольт). Так что в части увеличения скорости переключения тока руки у нас повязаны.
Ради интереса поглядел, что дает переход к корпусу D2PAK-все же индуктивность истока должна бы быть поменьше. У самого сильноточного инфинеоновского IPB50R140CP заявлено время 8нс при 14А (это, вроде, даже похуже, чем 10 нс при 44А?)
Небольшой поиск по тиратронам выводит на сайт http://www.pulsetech.ru/pss_description_rus.htm, дающий оценки современного состояния проблемы. Даже по их оценкам дорогой американский тиратрон имеет всего 20$/МВт, а самые выгодные полевики -в четыре раза дороже. Полипропиленовые конденсаторы-на порядок дешевле тиратрона. И тиратрон обеспечивает желаемое быстродействие, а полевики-не факт. Вопрос-за что боремся?

Любопытно, а можно уточнить цифры. Я тоже так думал, не особо вникая в детали. Но когда прикидываешь удельную энергию магнитного поля BH/2, то понятно, что накопить что-то сопоставимое с емкостными накопителями наверно можно только на сверхпроводниках.
Еще интересно, как оценивают плотность энергии, в Дж/м3 или в Дж/кг. И что включают в объем/массу для индуктивных накопителей.

Да, в [1, с.16] это подтверждается. “Плотность энергии магнитного поля, запасаемой в индуктивных накопителях на 2 порядка выше, чем плотность энергии электрического поля, запасаемая в конденсаторах или длинных линиях ”. Там же есть цифры и прикидочные расчеты. Если надо, скину [1] в *.pdf.

1. Пичугина М.Т. Мощная импульсная энергетика. – Томск: Изд-во ТПУ, 2005.

дополнение для AleksNik

Обсуждение в другой теме форума заставило заглянуть в ТУ на инфинеоновский приборчик IPD65R250C6 и там поясняется, что они (а значит и IXYS) понимают под "временами переключения" CoolMOS-ов. Оказывается времена относятся к скорости изменения НАПРЯЖЕНИЯ сток-исток, а не ТОКА стока! Соответственно, получаем величины 27..30 В/нс-вполне достижимые значения, согласующиеся с другими источниками информации.

Давайте подробнее обсудим накопление энергии (в электрическом и магнитном полях).
Мне представляется, что расхождение в оценках их сравнительной эффективности вызвано качественным различием поведения конденсатора и катушки индуктивности. Из-за этого результаты их сравнения как накопителей энергии сильно зависят от дополнительных условий (скважности работы накопителя: два или сто миллионов-большая разница; характерного времени разряда на нагрузку; величины запасаемой энергии; мощности источника "накачки").

Конденсаторы (электрические накопители): удельная энергия ограничена допустимой напряженностью электрического поля (не зависит от скважности работы!), время саморазряда велико-от сотен до сотен тысяч секунд (достижимо очень большое отношение мощностей разряда и заряда); имеется ряд взаимодополняющих электронакопителей (пленочные и др. импульсные конденсаторы, алюминиевые/танталовые электролитические конденсаторы, конденсаторы "с двойным слоем" с водным и неводным электролитами, различные электрохимические аккумуляторы), позволяющий перекрыть широченный диапазон по времени разряда с поддержанием приемлемых характеристик (удельные энергия, мощность и стоимость); масштабный эффект отсутствует или слегка отрицательный.

Катушка (магнитные накопители): без ферромагнитного сердечника достижима весьма высокая удельная энергия, косвенно ограничиваемая механической прочностью катушки и приемлемостью ее температуры (т.е. ощутимо зависит от скважности работы накопителя-примерно пропорционально; если для продолжительного режима работы дросселя допустимы линейные нагрузки 3..10 А/мм, то при скважности, например, несколько миллионов сколько будет допустимо-несколько килоампер на миллиметр? соответственно, достигается индукция несколько (единиц) тесла и плотность энергии десятки Дж/куб.см-без использования сверхпроводимости!) это как раз на два порядка большая плотность энергии, чем у "хороших" конденсаторов. Если (из-за небольшой скважности работы) нельзя получить линейную нагрузку катушки от 1кА/мм, выгоднее использовать дроссели с соответствующим ферромагнитным сердечником и зазором в зависимости от располагаемой МДС. Тогда энергоемкость дросселя пропорциональна индукции насыщения материала сердечника (в первой степени!), пропорциональна допустимой линейной нагрузке обмотки и "рабочему" объему сердечника (не входит длина сердечника, не занятая обмоткой). Располагаем большим разнообразием материалов для сердечника, позволяющим подстроиться под самые разные требования к накопителю... Но если скважность не велика и, соответственно, линейная нагрузка катушки жестко ограничена по тепловым соображениям, характеристики дросселей оказываются хуже (и значительно хуже), чем у конденсаторов (например,при индукции в сердечнике 1Т, линейной нагрузке 5А/мм запасаем всего 2,5мДж/куб.см-отнесено к объему сердечника, "одетого" обмоткой, а к полному размеру дросселя будет еще вполовину хуже.) Это на порядки хуже, чем у конденсаторов. Грубо говоря: если катушку ПРИХОДИТСЯ выполнять с сердечником, то она уступает по плотности энергии "хорошим" конденсаторам. У дросселей сильный "саморазряд": постоянная времени хранения энергии от десятков микросекунд (маленькие катушки без сердечника) до десятков миллисекунд; следовательно, дроссель надо "заряжать" непосредственно перед использованием и мощность зарядника сравнительно велика. Масштабный эффект положительный, умеренно-выраженный.

Если вернуться к задаче ТС, то требовался накопитель на несколько десятков джоулей с разрядом за 100 нс при скважности порядка миллиона. Вроде как подходит "воздушная" катушка. Пусть даже не стремимся к рекордам и ограничиваемся плотностью несколько Дж/куб.см, объёмом катушки десяток кубиков и характерными размерами 4..5 см. Но 10 Дж/100 нс=100 МВт, а это что-то вроде 25 кВ*4 кА. И как будем обеспечивать электрическую прочность??? Так что проблема явно не в плотности хранения энергии!

Это все рассуждения дилетанта, сильно не бейте.

Сообщение отредактировал A.W.P. - Jul 10 2012, 09:00

Я тоже так думаю. Магнитный компрессор делают как элемент волноводной конструкции. Чтобы получить наносекундные импульсы индуктивность цепи разряда, вроде-как, в диапазоне наноГенри (?) должна быть. Мне кажется, именно здесь основные проблемы сосредоточены. Впрчем, я не знаю задачи iiv, может ему в габарит или вес "вписаться" надо?



Хотим, хотим! Дайте, наводку, только кроме Месяца и Белкина-Стрелкина. Думаю, их здесь многие знают.

Филосовствовать на эту тему я начал именно из-за этого.

Возьмем конкретику, нужен пульс в 50нс, на 20Дж (70кВ, 8кА в пике), с началом фронта пульса с точностью 2-3нс.

Схема на тиратроне и конденсаторе:

конденсатор: литр, 2кг, 20Дж, плюс обвес для защиты от пробоя,
тиратрон: пол кило сам плюс 10кг всякого обвеса для старта, подогрева, предионизации,
плюс под десяток кг система генерации ВВ питания всего этого, если хочется иметь 10 пульсов в секунду.

Итого, 30кг, гемор с маслом, плохо доставаемые в мирных задачах тиратрон и конденсатор.

Если думать о катушке, то ее питание может быть низковольтным (300В или 600В или 900В у меня есть всегда), дальше сама катушка, которая будет одновременно повышателем напряжения, и неуправляемый разрядник на конце в сотни граммов. Почти везде можно организовать изоляцию без масла.

Мне вот одно не понятно.

Пусть во время накачивания энергии в катушку мощность определяется сопротивлением ключа (а реактивное сопротивление катушки много меньше). Когда мы ключ выключили, будет ли мощность выходного импульса определяться только реактивным сопротивлением катушки?

Если да, то можно накачивать, как я говорил в начале медленнно и печально дохлым мосфетом в моем приведенном примере за 10-50мкс, а после его выключения, получать весь пульс сразу за короткое время в 50нс.

У Вас какое-то "затмение". С числами, по Вашему примеру, покажу, что получается (реально так нельзя делать-просто, чтобы Вам стало понятно).
Итак, нужен импульс 70кВ, ток спадает с 8кА к нулю за 50нс (полный разряд накопителя). Энергия, выделяющаяся в нагрузке, 14Дж (здесь и далее потери не учитываем, т.к. рассматриваем только сам принцип). Пусть хотим использовать полевики 1000в*144А (пиковых), как в Вашем первом посте. Используем накопитель с двумя обмотками: накачки и повышающей; пусть между обмотками связь близка к идеальной, т.е. без рассеивания магнитного потока. Пусть можно пренебречь емкостями!
Положим на интервале вывода энергии из накопителя напряжение на обмотке накачки 800В (небольшой запасец относительно предельно-допустимых 1000В и на напряжение накачки, см. далее).
Тогда потоксцепления "накачивающей" обмотки при полностью заряженном накопителе 800В*50нс=40мкВб, а ток в пике 700кА (да, почти мегаампер, можете убедиться, что запасено именно 14Дж=40мкВб*700кА/2). В накопителе придется поставить параллельно 700кА/144А=почти 5000 полевиков. Суммарное сопротивление ключа в открытом состоянии (250..500мОм)/5000шт=50..100мкОм. Индуктивность накачивающей обмотки 40мкВб/700кА=57пГ (значение абсолютно не реализуемое, разве что при параллельном включении тысяч отдельных "дроссельков", но оно нужно для оценки сопротивления обмотки дросселя); если дроссель без ферромагнитного сердечника, оценка сопротивления обмотки накачки 57пГ/(70..150мкс)=0,5мкОм, т.е. на два порядка меньше, чем у ключа. Время накопления энергии в дросселе д.б. менее, чем 57пГ/100мкОм=600нс, а напряжение накачки более, чем 100мкОм*700кА=70В. Пусть напряжение источника накачки будет 110В (установившийся ток 110В/100мкОм=1100кА); за 600нс как раз накачаем 0,63*1100кА=700кА (отношение времен заряда и разряда=12, пиковая мощность зарядки 110в*700кА=77МВт!)
Переходим к повышающей обмотке. У нее в 70кВ/800В=87,5 раз большее число витков. Пиковый ток 700кА/87,5=8кА. Напряжение при разряде 70кВ, а при "зарядке" дросселя-минус (40..110вольт)*87,5=минус(3,5..9,5кВ). Индуктивность повышающей обмотки 70кВ*50нс/8кА=436нГ (=57пГ*87,5*87,5). Сопротивление этой обмотки где-то 436нГ/100мкс=4мОм. И те же самые 14Дж.
Вроде понятно все расписал?


Насколько я понял из "интернета", основная "претензия" к тиратронам, равно как и к другим ламповым коммутаторам, небольшой и явно ограниченный ресурс их работы. Если надо улучшать эту характеристику установки, наверное, можно осторожно смотреть в сторону полевиков, но стоить будет на порядок...два дороже, чем с тиратроном и окупаемость будет очень не скоро.