Overview on new high voltage pulse modulators in the RF power systems

Over the last 50 years, the technology of high voltage pulse modulators has undergone remarkable improvements thanks to the use of new semiconductor devices, high integration control systems and the implementation of multicore pulse transformers designed by numerical methods (FEM computing, method of image charges, image current method). The main advantages of these technological innovations have resulted in: - Power systems with efficiencies of up to 99%; - Impulsive output responses with lower rise time and droop voltage; - Increasing output voltages to be able to power radiofrequency tube devices capable of delivering better performance in terms of frequency response, power and efficiency. These pulse modulators, once used in limited applications (radar systems, industrial radiofrequency systems), are today used in a wide variety of industrial, medical and research applications, particularly where reliability, stability and versatility are required, thanks to increased performance and to reduced manufacturing costs. This report will first describe the schemes that are mainly used in the implementation of new pulse modulators and then will be focused on high-voltage modulators based on a pulse transformer. Then, the general block diagram of the above mentioned modulator type will be illustrated and the peculiarities of each subsystem will be described indicating the technological solutions to be used to improve the performances.

Negli ultimi 50 anni, la tecnologia costruttiva dei modulatori impulsivi ad alta tensione ha subito notevoli migliorie grazie all’impiego di nuovi dispositivi a semiconduttore, sistemi di controllo ad alta integrazione ed alla realizzazione di trasformatori d’impulso multicore progettati mediante l’ausilio di metodi numerici (FEM computing, metodo delle cariche immagine, metodo delle correnti immagine). I principali vantaggi ottenuti da queste innovazioni tecnologiche hanno permesso di ottenere: - sistemi di potenza con efficienze prossime al 99%, - risposte impulsive in uscita con minori rise time e droop voltage, - tensioni d’uscita sempre più elevate per poter alimentare dispositivi a tubo per radiofrequenza capaci di fornire prestazioni migliori in termini di risposta in frequenza, potenza ed efficienza. Questi modulatori impulsivi, che un tempo trovavano impiego in limitate applicazioni (impianti radar, impianti a radio frequenza in campo industriale), oggi vengono impiegati grazie all’incremento delle loro prestazioni ed alla riduzione dei costi in svariate applicazioni industriali, medicali e di ricerca soprattutto laddove è richiesta affidabilità, stabilità e versatilità di funzionamento. Nel presente rapporto descriveremo preliminarmente quali sono gli schemi prevalentemente impiegati nella realizzazione dei nuovi modulatori impulsivi per concentrare l’attenzione sui modulatori ad alta tensione basati su un trasformatore d’impulso. Quindi verrà illustrato lo schema blocchi generale del suddetto tipo di modulatore descrivendone le peculiarità di ciascun sottosistema e indicando le soluzioni tecnologiche adottate per migliorarne le prestazioni.