EA019111B1 - Импульсный модулятор с формирователем ступенчатого напряжения - Google Patents

Abstract

Изобретение относится к высоковольтным источникам питания и может быть использовано для получения на нагрузке стабилизированных по амплитуде импульсов напряжения прямоугольной или ступенчатой формы в широком диапазоне изменения длительности и частоты формируемых импульсов. Заявленный импульсный модулятор решает задачу повышения надежности устройства в процессе его работы за счет уменьшения вероятности отказов ключей и диодов из-за перенапряжений, а также за счет применения двух режимов стабилизации напряжения на нагрузке, реализации возможности получения на нагрузке ступенчатого напряжения с различной формой огибающей и уменьшения потерь при перезаряде емкости нагрузки. В импульсном модуляторе с формирователем ступенчатого напряжения, содержащем управляемый источник переменного напряжения, соединенный последовательно с трансформатором, имеющим N вторичных обмоток, каждая вторичная обмотка, соединенная с выпрямителем, образует N последовательно соединенных модулей, положительный вывод каждого выпрямителя подключен к последовательно соединенным первому управляемому ключу и диоду, который зашунтирован вторым управляемым ключом, анод диода соединен с отрицательным выводом выпрямителя, катод диода первого модуля соединен с анодом диода второго модуля, анод диода первого модуля соединен с первым выводом нагрузки, а катод диода последнего модуля соединен со вторым выводом нагрузки, каждый из N датчиков напряжения подключен первым своим выводом к положительному выводу выпрямителя, а выход датчиков напряжения с 1-го по (N-1) модулей соединен с первым входом суммирующего устройства через третий управляемый

Description

Изобретение относится к высоковольтным источникам питания и может быть использовано для получения на нагрузке стабилизированных по амплитуде импульсов напряжения прямоугольной или ступенчатой формы в широком диапазоне изменения длительности и частоты формируемых импульсов.

Известен импульсный модулятор (патент США № 5710520, кл. 330/10, МПК Н03Е 3/38, опубликован 20.01.98), содержащий источник переменного напряжения, соединенный с трансформатором, имеющим несколько вторичных обмоток, образующих несколько модулей, соединенных последовательно для получения выходного напряжения. Каждый модуль содержит выпрямитель, положительный вывод которого соединен с первым выводом ключа, а отрицательный - с анодом диода, катод которого соединен со вторым выводом ключа и с анодом диода следующего модуля. Анод диода первого модуля соединен с первым выводом нагрузки, а катод диода последнего модуля - со вторым выводом нагрузки.

Недостатком устройства является низкая надежность из-за возможных перенапряжений на диодах и ключах модулей, вызванных разбросом параметров этих элементов и разбросом временных задержек в цепях управления каждым ключом, а также недостаточная стабильность амплитуды формируемых импульсов при изменении входного напряжения и нагрузки.

Известен импульсный модулятор (патент ЕР 0557599, МПК Н03Е 3/20, опубликован 01.09.93), содержащий источник переменного напряжения, соединенный с трансформатором, имеющим N вторичных обмоток, образующих N модулей, соединенных последовательно для получения выходного напряжения. Каждый модуль содержит выпрямитель, положительный вывод которого соединен с первым выводом управляемого ключа, а отрицательный - с анодом диода, катод которого соединен со вторым выводом управляемого ключа и с анодом диода следующего модуля. Анод диода первого модуля соединен с первым выводом нагрузки, а катод диода последнего модуля - со вторым выводом нагрузки. Управляемые ключи управляются от генератора управляющих импульсов.

Недостатками устройства являются низкая надежность из-за возможных перенапряжений на диодах и ключах модулей, низкая стабильность амплитуды формируемых импульсов напряжения при изменении в широких пределах длительности импульсов и частоты следования, а также недостаточное быстродействие при отключении нагрузки.

Наиболее близким техническим решением к заявляемому изобретению является импульсный модулятор (патент РФ 2366077, МПК Н03Е 3/217; Н03М 1/06; Н04В 14/02, опубликован 27.08.2009), содержащий управляемый источник переменного напряжения, соединенный последовательно с трансформатором, имеющим N вторичных обмоток. Каждая вторичная обмотка, соединенная с выпрямителем, образует N последовательно соединенных модулей. Положительный вывод выпрямителя соединен с первым выводом первого управляемого ключа, а отрицательный - с анодом диода, катод которого соединен со вторым выводом первого управляемого ключа и анодом диода следующего модуля. Анод диода первого модуля соединен с первым выводом нагрузки, а катод диода последнего модуля соединен со вторым выводом нагрузки. Каждый второй управляемый ключ включен параллельно диоду соответствующего модуля. Управляющие входы первых управляемых ключей соединены с прямым выходом генератора управляющих импульсов. Каждый из N датчиков напряжения включен между положительным выводом выпрямителя и первым выводом нагрузки, а выход датчиков напряжения с 1-го по (N-1) модулей соединен с первым входом суммирующего устройства через третий управляемый ключ. Выход датчика напряжения N<0 модуля соединен с первым входом суммирующего устройства напрямую. Второй вход суммирующего устройства соединен с выходом источника задающего напряжения, а выход - с управляющим входом источника переменного напряжения. Инверсный выход генератора управляющих импульсов соединен с управляющими входами вторых и третьего управляемых ключей.

Недостатками прототипа являются ухудшение показателей надежности из-за возможных перенапряжений на ключах и диодах модулей в процессе работы, а также сравнительно большие потери энергии при перезаряде емкости нагрузки.

Задача изобретения - повышение надежности устройства в процессе его работы за счет уменьшения вероятности отказов ключей и диодов из-за перенапряжений, а также за счет применения двух режимов стабилизации напряжения на нагрузке, реализация возможности получения на нагрузке ступенчатого напряжения с различной формой огибающей и уменьшение потерь при перезаряде емкости нагрузки.

Поставленная задача решается тем, что в импульсном модуляторе с формирователем ступенчатого напряжения, содержащем управляемый источник переменного напряжения, соединенный последовательно с трансформатором, имеющим N вторичных обмоток, каждая вторичная обмотка, соединенная с выпрямителем, образует N последовательно соединенных модулей, положительный вывод каждого выпрямителя подключен к последовательно соединенным первому управляемому ключу и диоду, который зашунтирован вторым управляемым ключом, анод диода соединен с отрицательным выводом выпрямителя, катод диода первого модуля соединен с анодом диода второго модуля, анод диода первого модуля соединен с первым выводом нагрузки, а катод диода последнего модуля соединен со вторым выводом нагрузки, каждый из N датчиков напряжения подключен первым своим выводом к положительному выводу выпрямителя, а выход датчиков напряжения с 1-го по (N-1) модулей соединен с первым входом суммирующего устройства через третий управляемый ключ, выход датчика напряжения №го модуля соединен с первым входом суммирующего устройства напрямую, второй вход суммирующего устройст

- 1 019111 ва соединен с выходом источника задающего напряжения, выход суммирующего устройства соединен с управляющим входом источника переменного напряжения, управление ключами модулей и третьим управляемым ключом производится от генератора управляющих импульсов. В каждом модуле введены ограничитель напряжения, включенный между положительным и отрицательным выводами выпрямителя, и защитный диод, подключенный параллельно первому управляемому ключу и соединенный своим катодом с положительным выводом выпрямителя, в каждом модуле второй входной вывод датчика напряжения соединен с отрицательным выводом выпрямителя, источник задающего напряжения выполнен с управляющим входом, генератор управляющих импульсов выполнен с (2Ы+1) выходными выводами, причем первые N выходных выводов генератора управляющих импульсов подключены к управляющим входам первых ключей согласно номерам модулей, вторые N выходных выводов генератора управляющих импульсов подключены к управляющим входам вторых ключей согласно номерам модулей, дополнительный выходной вывод генератора управляющих импульсов соединен с управляющим входом третьего ключа и с управляющим входом источника задающего напряжения.

В каждый модуль дополнительно может быть введен источник постоянного напряжения, включенный последовательно с параллельно соединенными диодом и вторым управляемым ключом, причем положительный вывод источника постоянного напряжения соединен с катодом диода, а отрицательный - с анодом защитного диода и анодом диода следующего модуля.

Анод диода первого модуля может быть соединен с первым выводом нагрузки через дополнительно введенный источник постоянного напряжения смещения, подключенный своим положительным выводом к первому выводу нагрузки, а между анодом диода первого модуля и вторым выводом нагрузки дополнительно включен введенный резистор смещения.

Введение в каждом модуле ограничителя напряжения, включенного между положительным и отрицательным выводами выпрямителя, и защитного диода, подключенного параллельно первому управляемому ключу и соединенного своим катодом с положительным выводом выпрямителя, соединение в каждом модуле второго входного вывода датчика напряжения с отрицательным выводом выпрямителя, введение управляющего входа в источнике задающего напряжения, выполнение генератора управляющих импульсов с ^N+1) выходными выводами, подключение первых N выходных выводов генератора управляющих импульсов к управляющим входам первых ключей согласно номерам модулей, подключение вторых N выходных выводов генератора управляющих импульсов к управляющим входам вторых ключей согласно номерам модулей, подключение дополнительного выходного вывода генератора управляющих импульсов к управляющему входу третьего ключа и к управляющему входу источника задающего напряжения обеспечивает формирование на нагрузке ступенчатого напряжения с формой огибающей, определяемой законом управления, задаваемым генератором управляющих импульсов, при устранении перенапряжений на ключах и диодах модулей, а также уменьшение потерь энергии в устройстве за счет применения ступенчатого заряда емкости нагрузки и за счет рекуперации части энергии, накопленной в емкости нагрузки, при ступенчатом ее разряде во входной источник. Перенапряжения на ключах и диодах модулей возникают из-за разброса параметров ключей, разброса временных задержек в цепях управления ключами, при возможных пробоях в нагрузке или при возможных неисправностях цепей управления. В частном случае, при задержке включения второго ключа только в одном ί-ом модуле все высокое напряжение заряженной емкости нагрузки, равное сумме напряжений всех N выпрямителей, прикладывается ко второму ключу ί-το модуля, если до этого были одновременно открыты первые ключи всех N модулей. Однако при этом открывается защитный диод ί-го модуля и тем самым ограничивает напряжение на обоих ключах и диоде модуля. На первом ключе напряжение ограничивается по уровню напряжения на открытом защитном диоде, а на втором ключе и диоде - по уровню суммарного напряжения ограничителя напряжения и открытого защитного диода. В качестве ограничителей напряжения могут использоваться заряженные от выпрямителей конденсаторы требуемой емкости или параллельно соединенные конденсаторы и устройства защиты с нелинейной вольтамперной характеристикой, в качестве которых могут быть использованы воздушные или газонаполненные разрядники, варисторы, ограничительные диоды типа ТК.АЫ81Ь и т.д., стабилитроны или их комбинации. Пороговый уровень напряжения срабатывания (ограничения) устройств защиты выбирается несколько больше максимального напряжения заряженного конденсатора на выходе выпрямителя.

Работа импульсного модулятора с формирователем ступенчатого напряжения иллюстрируется чертежами.

На фиг. 1 представлена принципиальная схема импульсного модулятора с формирователем ступенчатого напряжения.

На фиг. 2 представлена принципиальная схема импульсного модулятора с формирователем ступенчатого напряжения, обеспечивающая получение на нагрузке разнополярного напряжения при сохранении защиты от перенапряжений на ключах и диодах модулей.

На фиг. 3 представлена принципиальная схема импульсного модулятора с формирователем ступенчатого напряжения, обеспечивающая получение на нагрузке разнополярного напряжения при сохранении защиты от перенапряжений на ключах и диодах модулей.

Импульсный модулятор с формирователем ступенчатого напряжения (фиг. 1) содержит управляе

- 2 019111 мый источник переменного напряжения 1, соединенный последовательно с трансформатором 2, имеющим N вторичных обмоток. Каждая вторичная обмотка, соединенная с выпрямителем 3, образует N последовательно соединенных модулей. Положительный вывод каждого выпрямителя 3 подключен к последовательно соединенным первому управляемому ключу 4 и диоду 5, который зашунтирован вторым управляемым ключом 7. Анод диода 5 соединен с отрицательным выводом выпрямителя 3. Катод диода 5 первого модуля соединен с анодом диода 5 второго модуля и т.д. Анод диода 5 первого модуля соединен с первым выводом нагрузки 6, а катод диода 5 последнего модуля соединен со вторым выводом нагрузки. Каждый из N датчиков напряжения 9 подключен первым входным выводом к положительному выводу выпрямителя 3, а выход датчиков напряжения 9 с 1-го по (N-1) модулей соединен с первым входом суммирующего устройства 10 через третий управляемый ключ 11. Выход датчика напряжения 9 N го модуля соединен с первым входом суммирующего устройства 10 напрямую. Второй вход суммирующего устройства 10 соединен с выходом источника задающего напряжения 12. Выход суммирующего устройства 10 соединен с управляющим входом источника переменного напряжения 1. Управление ключами 4 и 7 модулей и ключом 11 производится от генератора управляющих импульсов 8.

На фиг. 2 представлена принципиальная схема импульсного модулятора с формирователем ступенчатого напряжения, обеспечивающая получение на нагрузке разнополярного напряжения при сохранении защиты от перенапряжений на ключах и диодах модулей. На данной схеме в каждый модуль введен источник постоянного напряжения 15, соединенный последовательно с параллельно соединенными диодом 5 и вторым ключом 7, причем положительный вывод источника 15 соединен с катодом диода 5, а отрицательный вывод - с анодом защитного диода 14, соединенного с анодом диода 5 следующего модуля. В качестве источников постоянного напряжения 15 могут выступать неуправляемые и управляемые источники вторичного электропитания с постоянным выходным напряжением.

На фиг. 3 представлена принципиальная схема импульсного модулятора с формирователем ступенчатого напряжения, обеспечивающая получение на нагрузке разнополярного напряжения при сохранении защиты от перенапряжений на ключах и диодах модулей. На данной схеме анод диода 5 первого модуля соединен с первым выводом нагрузки 6 через введенный источник постоянного напряжения смещения 15, подключенный своим положительным выводом к первому выводу нагрузки, а между анодом диода 5 первого модуля и вторым выводом нагрузки 6 включен введенный резистор смещения 16. В качестве источников постоянного напряжения 15 могут выступать неуправляемые и управляемые источники вторичного электропитания с постоянным выходным напряжением или разного рода накопители энергии электрического поля.

Импульсный модулятор с формирователем ступенчатого напряжения (фиг. 1) работает следующим образом.

В исходном состоянии управляемые ключи 4 разомкнуты, а управляемые ключи 7 замкнуты, так как с первых N выходов генератора 8 управляющих импульсов сигналы управления размыкают ключи 4, а со вторых N выходов генератора 8 сигналы управления замыкают ключи 7. При этом напряжение на нагрузке близко к нулю. Датчики напряжения 9 измеряют напряжение на выходе каждого из соответствующих выпрямителей 3. Сигнал с выхода датчика 9 напряжения №го модуля постоянно поступает на первый вход суммирующего устройства 10. Возможны два режима стабилизации выходного напряжения: режим стабилизации по суммарному напряжению модулей и режим стабилизации по напряжению №го модуля. Если с дополнительного выходного вывода генератора 8 поступает сигнал на управляющий вход ключа 11 на его замыкание, сигналы с выходов всех (N-1) датчиков 9 напряжения поступают через ключ 11 на первый вход суммирующего устройства 10. При этом на второй вход суммирующего устройства 10 подается с выхода источника 12 напряжение, соответствующее режиму стабилизации по суммарному напряжению модулей, так как в этом случае на управляющий вход источника 12 поступает соответствующий сигнал с дополнительного выходного вывода генератора 8. В режиме стабилизации по напряжению №го модуля управляемый ключ 11 разомкнут, на первый вход суммирующего устройства 10 поступает напряжение с датчика 9 только №го модуля. При этом на второй вход суммирующего устройства 10 подается с выхода источника 12 напряжение, соответствующее режиму стабилизации по напряжению N го модуля. При этом стабилизация в соседних модулях производится опосредованно, так как все они получают питание от одного общего управляемого источника переменного напряжения 1. Данный режим стабилизации может быть использован для повышения надежности устройства в случае отказа одного или нескольких датчиков 9 модулей с 1-го по (№1)-ый или пропадания их сигналов. Сигнал ошибки, вырабатываемый суммирующим устройством 10, поступает на вход регулируемого источника 1 переменного напряжения и воздействует на него так, чтобы обеспечить постоянство напряжений на выходе выпрямителей 3 при воздействии разного рода дестабилизирующих факторов. При подаче со вторых N выходов генератора 8 управляющих импульсов на размыкание, управляемые ключи 7 одновременно размыкаются. Далее при подаче управляющих импульсов с той или иной временной задержкой между ними с первых N выходов генератора 8 на замыкание управляемых ключей 4 происходит поочередное подключение последовательно соединенных выпрямителей 3 к нагрузке тех модулей, в которых оказывается замкнут ключ 4. В других модулях ток нагрузки замыкается через диоды 5. В результате на нагрузке формируется напряжение ступенчатой формы. После включения всех ключей 4 выпрямители всех моду

- 3 019111 лей оказываются включенными последовательно, и на нагрузку поступает максимальное напряжение, равное сумме напряжений всех N выпрямителей. При снятии сигналов включения с первых N выходов генератора 8 управляющих импульсов управляемые ключи 4 одновременно размыкаются, а ключи 7 замыкаются по заданному закону, обеспечивая ступенчатый разряд паразитной емкости нагрузки с рекуперацией энергии через защитные диоды 14 в накопители 13 тех модулей, в которых ключ 7 не включен. Далее снова возможен цикл замыкания ключей 4 в тех модулях, где разомкнуты ключи 7. Таким образом возможно формирование ступенчатых напряжений с различной формой огибающей. В случае возникновения перенапряжений на ключе 7 ί-го модуля во время форсированного разряда емкости нагрузки открывается защитный диод 14 ί-го модуля и, тем самым, ограничивает напряжение на обоих ключах и диоде 5 модуля. На первом ключе 4 напряжение ограничивается по уровню напряжения на открытом защитном диоде 14, а на втором ключе 7 и диоде 5 - по уровню суммарного напряжения ограничителя напряжения 13 и открытого защитного диода 14. В качестве ограничителей напряжения 13 могут использоваться заряженные от выпрямителей 3 конденсаторы требуемой емкости или параллельное соединение конденсаторов и устройств защиты с нелинейной вольтамперной характеристикой. Пороговый уровень напряжения срабатывания (ограничения) устройств защиты выбирается несколько больше максимального напряжения заряженного конденсатора на выходе выпрямителя. Проведенные расчеты потерь энергии, а также экспериментальные данные для частного случая, когда напряжения на выходе выпрямителей всех идентичных модулей одинаковы, показали, что в предлагаемом устройстве при ступенчатом перезаряде емкости нагрузки мощность потерь снижается пропорционально количеству N модулей по сравнению с прототипом.

Импульсный модулятор с формирователем ступенчатого напряжения (фиг. 2) работает аналогично, с той лишь разницей, что величина и полярность напряжения на нагрузке будет в общем случае определяться разностью суммарного напряжения на выходе выпрямителей 3 тех модулей, в которых включены ключи 4, и суммарного напряжения источников напряжения 15 тех модулей, в которых включены ключи 7. Однако следует учесть, что величина обратного напряжения на диодах 14 и 5 и, соответственно, на ключах 4 и 7 при их разомкнутом состоянии увеличится до значения, равного сумме выходного напряжения выпрямителя 3 и напряжения источника 15 данного модуля, так как эти источники для ключей модуля включены последовательно с одинаковой полярностью. Это суммарное напряжение с учетом падения напряжения на открытом ключе или диоде для каждого модуля и будет определять его порог защиты от разного рода перенапряжений.

Импульсный модулятор с формирователем ступенчатого напряжения (фиг. 3) работает аналогично, с той лишь разницей, что в исходном состоянии обеспечивается разомкнутое состояние ключей 4 и 7 всех модулей в течение заданного времени. При этом происходит предварительный сравнительно медленный заряд емкости нагрузки до величины напряжения смещения через высокоомный резистор 16. Напряжение смещения источника 15 имеет противоположную полярность по сравнению с выходными напряжениями выпрямителей 3. При возникновении длительных пауз в процессе работы источник напряжения смещения 15 совместно с резистором 16 обеспечивает фиксацию требуемого уровня напряжения на нагрузке при размыкании ключей 4 и 7 всех модулей.

Claims (5)

1. ФОРМУЛА ИЗОБРЕТЕНИЯ

   1. Импульсный модулятор с формирователем ступенчатого напряжения, содержащий управляемый источник переменного напряжения, соединенный последовательно с трансформатором, имеющим N вторичных обмоток, каждая вторичная обмотка, соединенная с выпрямителем, образует N последовательно соединенных модулей, положительный вывод каждого выпрямителя подключен к последовательно соединенным первому управляемому ключу и диоду, который зашунтирован вторым управляемым ключом, анод диода соединен с отрицательным выводом выпрямителя, катод диода первого модуля соединен с анодом диода второго модуля и т.д., анод диода первого модуля соединен с первым выводом нагрузки, а катод диода последнего модуля соединен со вторым выводом нагрузки, каждый из N датчиков напряжения подключен первым входным выводом к положительному выводу выпрямителя, а выход датчиков напряжения с 1-го по (N-1) модулей соединен с первым входом суммирующего устройства через третий управляемый ключ, выход датчика напряжения №го модуля соединен с первым входом суммирующего устройства напрямую, второй вход суммирующего устройства соединен с выходом источника задающего напряжения, выход суммирующего устройства соединен с управляющим входом источника переменного напряжения, управление ключами модулей и третьим ключом производится от генератора управляющих импульсов, отличающийся тем, что каждый модуль содержит ограничитель напряжения, включенный между положительным и отрицательным выводами выпрямителя, и защитный диод, подключенный параллельно первому управляемому ключу и соединенный своим катодом с положительным выводом выпрямителя, в каждом модуле второй входной вывод датчика напряжения соединен с отрицательным выводом выпрямителя, источник задающего напряжения выполнен с управляющим входом, генератор управляющих импульсов выполнен с ^N+1) выходными выводами, причем первые N выходных выводов генератора управляющих импульсов подключены к управляющим входам первых ключей согласно но

   - 4 019111 мерам модулей, вторые N выходных выводов генератора управляющих импульсов подключены к управляющим входам вторых ключей согласно номерам модулей, дополнительный выходной вывод генератора управляющих импульсов соединен с управляющим входом третьего ключа и с управляющим входом источника задающего напряжения.
2. 2. Импульсный модулятор с формирователем ступенчатого напряжения по п.1, отличающийся тем, что каждый модуль содержит источник постоянного напряжения, включенный последовательно с параллельно соединенными диодом и вторым управляемым ключом, причем положительный вывод источника постоянного напряжения соединен с катодом диода, а отрицательный - с анодом защитного диода и анодом диода следующего модуля.
3. 3. Импульсный модулятор с формирователем ступенчатого напряжения по п.1, отличающийся тем, что дополнительно содержит источник постоянного напряжения смещения и резистор смещения, при этом анод диода первого модуля соединен с первым выводом нагрузки через источник постоянного напряжения смещения, подключенный своим положительным выводом к первому выводу нагрузки, а между анодом диода первого модуля и вторым выводом нагрузки включен резистор смещения.
4. 4. Импульсный модулятор с формирователем ступенчатого напряжения по п.1, отличающийся тем, что в качестве ограничителя использован конденсатор.
5. 5. Импульсный модулятор с формирователем ступенчатого напряжения по п.1, отличающийся тем, что в качестве ограничителя использованы параллельно соединенные конденсатор и устройство защиты с нелинейной вольтамперной характеристикой.