EA019209B1 - Импульсный квазирезонансный модулятор - Google Patents

Abstract

Изобретение относится к импульсным высоковольтным источникам питания и может быть использовано для получения на нагрузке, например управляющем электроде клистрона, лампы бегущей волны, ускорителя частиц и подобных им устройств, импульсов напряжения прямоугольной или ступенчатой формы в широком диапазоне изменения длительности и частоты формируемых импульсов. 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 существенное уменьшение потерь энергии при перезаряде емкости нагрузки благодаря практически полной рекуперации энергии нагрузки во входной источник при использовании квазирезонансного метода перезаряда емкости нагрузки. В импульсном квазирезонансном модуляторе, 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 и т.д., анод диода первого модуля соединен с первым выводом нагрузки, а катод диода последнего модуля соединен со вторым выводом нагрузки,

Description

Изобретение относится к импульсным высоковольтным источникам питания и может быть использовано для получения на нагрузке, например управляющем электроде клистрона, лампы бегущей волны, ускорителя частиц и подобных им устройств, импульсов напряжения прямоугольной или ступенчатой формы в широком диапазоне изменения длительности и частоты формируемых импульсов. 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 существенное уменьшение потерь энергии при перезаряде емкости нагрузки благодаря практически полной рекуперации энергии нагрузки во входной источник при использовании квазирезонансного метода перезаряда емкости нагрузки. В импульсном квазирезонансном модуляторе, 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 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 Ι-γο по (Ν-1) модулей соединен с первым входом суммирующего устройства через третий управляемый ключ, выход датчика напряжения Ν-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, в каждом модуле введены ограничитель напряжения, подключенный к выходным выводам выпрямителя, 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 (2Ν+1) выходными выводами, причем первая группа из N выходных выводов генератора управляющих импульсов подключена к управляющим входам первых ключей согласно номерам модулей, а вторая группа из N выходных выводов генератора управляющих импульсов подключена к управляющим входам вторых ключей согласно номерам модулей, при этом Ν=Κ+Μ, и обе группы из N выходных выводов составлены из прямых и инверсных выходов так, что первая группа составлена из К прямых выводов и М инверсных выводов, а вторая - из М прямых выводов и К инверсных выводов, причем

019209 В1 переменные К и М во времени могут принимать значения от нуля до Ν, дополнительный выходной вывод генератора управляющих импульсов подключен к управляющему входу третьего ключа и к управляющему входу источника задающего напряжения, а введенный индуктивный элемент подключен между катодом диода последнего модуля и вторым выводом нагрузки. Импульсный квазирезонансный модулятор может дополнительно содержать резистор смещения и источник постоянного напряжения смещения, при этом анод диода первого модуля соединен с нагрузкой через источник постоянного напряжения смещения, подключенный к первому выводу нагрузки своим положительным выводом, и через резистор смещения, соединенный со вторым выводом нагрузки.

019209 Β1

019209 Β1

Изобретение относится к импульсным высоковольтным источникам питания и может быть использовано для получения на нагрузке, например, управляющем электроде клистрона, лампы бегущей волны, ускорителя частиц и подобных им устройств, 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, опубл. 20.01.1998), 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 ЕР0557599, МПК Н03Е 3/20, опубл. 01.09.1993.), 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, опубл. 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 №го 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 ключей и третьего управляемого ключа.

Недостатками прототипа являются ухудшение показателей надежности из-за возможных перенапряжений на ключах и диодах модулей в процессе работы, отсутствие возможности формирования ступенчатой формы напряжения на нагрузке, 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 существенное уменьшение потерь энергии при перезаряде емкости нагрузки благодаря практически полной рекуперации энергии нагрузки во входной источник при использовании квазирезонансного метода перезаряда емкости нагрузки.

Поставленная задача по варианту 1 решается тем, что в импульсном квазирезонансном модуляторе, 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 следующего модуля, анод диода первого модуля соединен с первым выводом нагрузки, каждый из N датчиков напряжения подключен первым входным выводом к

- 1 019209 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 Хго 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, в каждом модуле введены ограничитель напряжения, подключенный к выходным выводам выпрямителя, 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, в источнике задающего напряжения введен управляющий вход, генератор управляющих импульсов выполнен с @N+1) выходными выводами, первая группа из N выходных выводов генератора управляющих импульсов, где Ν=Κ+Μ, подключена к управляющим входам первых ключей согласно номерам модулей, причем Κ выводов являются прямыми, а М выводов - инверсными, вторая группа из N выходных выводов генератора управляющих импульсов, где Ν=Μ+Κ, подключена к управляющим входам вторых ключей согласно номерам модулей, причем М выводов являются прямыми, а Κ выводов - инверсными, переменные Κ и М во времени могут принимать значения от нуля до N дополнительный выходной вывод генератора управляющих импульсов подключен к управляющему входу третьего управляемого ключа и к управляющему входу источника задающего напряжения, и индуктивный элемент, подключенный между катодом диода последнего модуля и вторым выводом нагрузки.

Задача также по варианту 2 решается тем, что в импульсном квазирезонансном модуляторе, 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 следующего модуля, 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 Хго 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, в каждом модуле введены ограничитель напряжения, подключенный к выходным выводам выпрямителя, 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, в источнике задающего напряжения введен управляющий вход, генератор управляющих импульсов выполнен с @N+1) выходными выводами, первая группа из N выходных выводов генератора управляющих импульсов, где N=Κ+Μ, подключена к управляющим входам первых ключей согласно номерам модулей, причем Κ выводов являются прямыми, а М выводов - инверсными, вторая группа из N выходных выводов генератора управляющих импульсов, где ^Μ+Κ, подключена к управляющим входам вторых ключей согласно номерам модулей, причем Μ выводов являются прямыми, а Κ выводов - инверсными, переменные Κ и Μ во времени могут принимать значения от нуля до N дополнительный выходной вывод генератора управляющих импульсов подключен к управляющему входу третьего управляемого ключа и к управляющему входу источника задающего напряжения, индуктивный элемент, подключенный между катодом диода последнего модуля и вторым выводом нагрузки, источник постоянного напряжения смещения, включенный между анодом диода первого модуля и первым выводом нагрузки, причем положительный вывод источника постоянного напряжения смещения соединен с первым выводом нагрузки, и резистор смещения, включенный между анодом диода первого модуля и вторым выводом нагрузки.

Введение в каждом модуле ограничителя напряжения, подключенного к выходным выводам выпрямителя, 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 где ^Κ+Μ, выходных выводов генератора управляющих импульсов к управляющим входам первых ключей согласно номерам модулей, причем Κ выводов являются прямыми, а Μ выводов - инверсными, подключение вторых N где ΧΜ+Κ. выходных выводов генератора управляющих импульсов к управляющим входам вторых ключей согласно номерам модулей, причем Μ выводов являются прямыми, а Κ выводов - инверсными, переменные Κ и Μ во времени могут принимать значения от нуля до N подключение дополнительного выходного вывода генератора управляющих импульсов к управляющему входу третьего управляемого ключа и к управляющему входу источника задающего напряжения, подключение введенного индуктивного элемента между катодом диода послед

- 2 019209 него модуля и вторым выводом нагрузки обеспечивает формирование на нагрузке прямоугольного или ступенчатого напряжения с формой огибающей, определяемой законом управления, задаваемым генератором управляющих импульсов, снижает перенапряжения на ключах и диодах модулей, приводит к существенному уменьшению потерь в устройстве за счет применения квазирезонансного метода заряда емкости нагрузки и за счет рекуперации практически всей энергии, накопленной в емкости нагрузки, при ее квазирезонансном однократном или ступенчатом разряде во входной источник, улучшает надежность работы за счет применения двух режимов стабилизации выходного напряжения.

Введение источника постоянного напряжения смещения, включенного между анодом диода первого модуля и первым выводом нагрузки и соединенного своим положительным выводом с первым выводом нагрузки, и резистора смещения, включенного между анодом диода первого модуля и вторым выводом нагрузки, обеспечивает получение на нагрузке разнополярного напряжения при сохранении защиты от перенапряжений на ключах и диодах модулей.

Перенапряжения на ключах и диодах модулей возникают из-за разброса параметров ключей, разброса временных задержек в цепях управления ключами, при возможных высоковольтных пробоях в потребителях электроэнергии, связанных с нагрузкой модулятора, или при возможных неисправностях цепей управления. В частном случае при задержке включения второго ключа только в одном ί-м модуле высокое напряжение заряженной емкости нагрузки прикладывается ко второму ключу ί-го модуля. 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 ΤΚΑΝ8ΙΕ 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 квазирезонансного модулятора иллюстрируется чертежами.

На фиг. 1 представлена принципиальная схема импульсного квазирезонансного модулятора по варианту 1.

На фиг. 2 представлена принципиальная схема импульсного квазирезонансного модулятора по варианту 2, обеспечивающего получение на нагрузке разнополярного напряжения при сохранении защиты от перенапряжений на ключах и диодах модулей.

Импульсный квазирезонансный модулятор по варианту 1 (фиг. 1) содержит управляемый источник переменного напряжения 1, соединенный последовательно с трансформатором 2, имеющим Ν 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. Между положительным и отрицательным выводами каждого выпрямителя 3 включен ограничитель напряжения 13. Параллельно первому управляемому ключу 4 подключен защитный диод 14, соединенный своим катодом с положительным выводом выпрямителя 3. Каждый из N датчиков напряжения 9 подключен своими входными выводами к выходу выпрямителя 3, а выходы датчиков напряжения 9 с 1-го по (Ν-1) модуль соединены с первым входом суммирующего устройства 10 через третий управляемый ключ 11. Выход датчика напряжения 9 Ν-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, ключом 11, а также источником задающего напряжения 12 производится от генератора управляющих импульсов 8, который выполнен с (2Ν+1) выходными выводами. Первая группа из N выходных выводов генератора управляющих импульсов 8 , где Ν=Κ+Μ, подключена к управляющим входам первых ключей 4 согласно номерам модулей, причем Κ выводов являются прямыми, а М выводов - инверсными. Вторая группа из Ν выходных выводов генератора управляющих импульсов 8, где Ν=Μ+Κ, подключена к управляющим входам вторых ключей 7 согласно номерам модулей, причем М выводов являются прямыми, а Κ выводов - инверсными. Переменные Κ и Μ во времени могут принимать значения от нуля до Ν. Дополнительный выходной вывод генератора управляющих импульсов 8 подключен к управляющему входу ключа 11 и к управляющему входу источника задающего напряжения 12. Между катодом диода 5 последнего модуля и вторым выводом нагрузки 6 подключен индуктивный элемент 15.

Импульсный квазирезонансный модулятор по варианту 2 (фиг. 2) содержит управляемый источник переменного напряжения 1, соединенный последовательно с трансформатором 2, имеющим Ν вторичных обмоток. Каждая вторичная обмотка, соединенная с выпрямителем 3, образует Ν последовательно со

- 3 019209 единенных 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 через источник постоянного напряжения смещения 16, подключенный своим положительным выводом к первому выводу нагрузки. Между анодом диода 5 первого модуля и вторым выводом нагрузки 6 включен введенный резистор смещения 17. В качестве источника постоянного напряжения 16 могут выступать неуправляемые и управляемые источники вторичного электропитания с постоянным выходным напряжением или разного рода накопители энергии электрического поля. Между положительным и отрицательным выводами каждого выпрямителя 3 включен ограничитель напряжения 13. Параллельно первому управляемому ключу 4 подключен защитный диод 14, соединенный своим катодом с положительным выводом выпрямителя 3. Каждый из N датчиков напряжения 9 подключен своими входными выводами к выходу выпрямителя 3, а выходы датчиков напряжения 9 с 1-го по (N-1) модуль соединены с первым входом суммирующего устройства 10 через третий управляемый ключ 11. Выход датчика напряжения 9 №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, ключом 11, а также источником задающего напряжения 12 производится от генератора управляющих импульсов 8, который выполнен с ^N+1) выходными выводами. Первая группа из N выходных выводов генератора управляющих импульсов 8, где Ν=Κ+Μ, подключена к управляющим входам первых ключей 4 согласно номерам модулей, причем Κ выводов являются прямыми, а Μ выводов - инверсными. Вторая группа из N выходных выводов генератора управляющих импульсов 8, где ^Μ+Κ, подключена к управляющим входам вторых ключей 7 согласно номерам модулей, причем Μ выводов являются прямыми, а Κ выводов - инверсными. Переменные Κ и Μ во времени могут принимать значения от нуля до N. Дополнительный выходной вывод генератора управляющих импульсов 8 подключен к управляющему входу ключа 11 и к управляющему входу источника задающего напряжения 12. Между катодом диода 5 последнего модуля и вторым выводом нагрузки 6 подключен индуктивный элемент 15.

Импульсный квазирезонансный модулятор по варианту 1 работает следующим образом. В исходном состоянии N сигналов управления первой группы выходных выводов генератора 8 управляющих импульсов размыкают ключи 4 всех модулей, а N сигналов управления второй группы выходных выводов генератора 8 сигналы управления замыкают ключи 7 всех модулей. 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 N<0 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 N<0 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 требуемый сигнал с дополнительного выходного вывода генератора 8. В режиме стабилизации по напряжению N<0 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 №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 Щ-1)-й или цепей связи датчиков со входом суммирующего устройства 10. 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 с N выходов второй группы генератора 8 управляющих импульсов на размыкание управляемые ключи 7 всех модулей одновременно размыкаются. Далее, через небольшую паузу, при подаче с N выходов первой группы генератора 8 управляющих импульсов на замыкание ключей 4 в заданных Κ модулях и управляющих импульсов на размыкание ключей 4 в остальных М=Щ-1<) модулях и при подаче с N выходов второй группы управляющих импульсов на размыкание ключей 7 в заданных Κ модулях и на замыкание ключей 7 в остальных М=(№Ю) модулях, происходит резонансный заряд емкости нагрузки до напряжения, равного почти удвоенному значению суммарного выходного напряжения выпрямителей Κ модулей. Длительность зарядного импульса устанавливается равной четверти периода свободных колебаний ЬС-контура, где Ь - индуктивность элемента 15, С - эквивалентная приведенная

- 4 019209 емкость нагрузки. Источником заряда является эквивалентный источник напряжения из К последовательно включенных с одинаковой полярностью выходов выпрямителей 3. Заряд емкости нагрузки происходит через индуктивный элемент 15, замкнутые ключи 4 в К модулях и замкнутые ключи 7, зашунтированные диодами 5, в М модулях. Затем происходит размыкание ключей 7 и, через небольшую паузу, замыкание ключей 4 в М модулях. Так как суммарное выходное напряжение выпрямителей 3 этих М модулей выбирается равным разности напряжения нагрузки в конце резонансного заряда и суммарного напряжения К модулей, происходит фиксация на нагрузке напряжения конца заряда, равного суммарному выходному напряжению выпрямителей всех N модулей. Такое состояние может сохраняться сколь угодно долго. Затем размыкаются ключи 4 всех модулей и через небольшую паузу замыкаются ключи 4 тех же К модулей и ключи 7 тех же М модулей. Происходит резонансный разряд емкости нагрузки во входные источники в течение четверти периода свободных колебаний ЬС-контура до напряжения, близкого к нулю. Длительность разрядного импульса также устанавливается равной четверти периода свободных колебаний ЬС-контура. Далее в К модулях ключи 4 размыкаются, а ключи 7 замыкаются, фиксируя разряженное состояние емкости нагрузки. Схема возвращается в исходное состояние, которое может сохраняться сколь угодно долго. Устройства, в которых полезно используется только часть периода свободных колебаний резонансных контуров, принято называть квазирезонансными. В данном случае используется четвертая часть периода свободных колебаний при заряде и разряде емкости нагрузки. Так как при разряде практически вся энергия, накопленная в емкости нагрузки, рекуперируется во входной источник, существенно снижаются потери в ключах и диодах модулей в сравнении с прототипом.

При изменении алгоритма управления ключами и выборе требуемых количеств модулей и напряжения модулей возможны ступенчатые квазирезонансные заряды и разряды емкости нагрузки с фиксацией промежуточных уровней напряжения ступеней как при заряде, так и при разряде. Таким образом, возможно формирование ступенчатых напряжений различной формы при устранении перенапряжений на ключах и диодах модулей.

В случае возникновения перенапряжений на ключе 7 ί-го модуля открывается защитный диод 14 1го 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 параллельно соединенные конденсаторы и разного рода устройства защиты с нелинейной вольтамперной характеристикой.

Импульсный квазирезонансный модулятор по варианту 2 работает аналогично устройству по варианту 1 с той лишь разницей, что в исходном состоянии обеспечивается разомкнутое состояние ключей 4 и 7 всех модулей в течение заданного времени. При этом происходит сравнительно медленный заряд емкости нагрузки до величины напряжения смещения через высокоомный резистор 17. Напряжение смещения источника 16 имеет противоположную полярность по сравнению с выходными напряжениями выпрямителей 3. При возникновении длительных пауз в процессе работы источник напряжения смещения 16 совместно с резистором 17 обеспечивает фиксацию требуемого уровня напряжения на нагрузке при размыкании ключей 4 и 7 всех модулей. Это позволяет получить на нагрузке разнополярное напряжение при сохранении защиты от перенапряжений на ключах и диодах модулей.

Таким образом, заявленный импульсный квазирезонансный модулятор обеспечивает формирование на нагрузке прямоугольного или ступенчатого напряжения с формой огибающей, определяемой законом управления, задаваемым генератором управляющих импульсов, снижает перенапряжения на ключах и диодах модулей, позволяет уменьшить потери энергии в устройстве за счет применения квазирезонансного метода заряда емкости нагрузки и за счет рекуперации практически всей энергии, накопленной в емкости нагрузки, при ее квазирезонансном однократном или ступенчатом разряде во входной источник, улучшает надежность работы за счет применения двух режимов стабилизации выходного напряжения.

Claims (2)

1. ФОРМУЛА ИЗОБРЕТЕНИЯ

   1. Импульсный квазирезонансный модулятор, 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 Жго 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 дополнительно содержит ограничитель напряжения, подключенный к выходным выводам выпрямителя, 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 первая группа из N выходных выводов генератора управляющих импульсов подключена к управляющим входам первых ключей согласно номерам модулей, а вторая группа из N выходных выводов генератора управляющих импульсов подключена к управляющим входам вторых ключей согласно номерам модулей, при этом N=Κ+Μ, и обе группы из N выходных выводов составлены из прямых и инверсных выходов так, что первая группа составлена из К прямых выводов и М инверсных выводов, а вторая - из М прямых выводов и К инверсных выводов, причем переменные К и М во времени могут принимать значения от нуля до N дополнительный выходной вывод генератора управляющих импульсов подключен к управляющему входу третьего ключа и к управляющему входу источника задающего напряжения, а индуктивный элемент подключен между катодом диода последнего модуля и вторым выводом нагрузки.
2. 2. Импульсный квазирезонансный модулятор по п.1, отличающийся тем, что он дополнительно содержит резистор смещения и источник постоянного напряжения смещения, при этом анод диода первого модуля соединен с нагрузкой через источник постоянного напряжения смещения, подключенный к первому выводу нагрузки своим положительным выводом, и через резистор смещения, соединенный со вторым выводом нагрузки.