EA029221B1

EA029221B1 - Импульсный модулятор рекуперативного типа

Info

Publication number: EA029221B1
Application number: EA201600135A
Authority: EA
Inventors: Сергей Иванович Коновалов; Юрий Анатольевич Полынкин; Геннадий Витальевич Кирячок; Олег Валерьевич Доницков; Константин Юрьевич Войтенко
Original assignee: Научно-Производственное Общество С Ограниченной Ответственностью "Окб Тсп"
Priority date: 2015-11-26
Filing date: 2015-11-26
Publication date: 2018-02-28
Also published as: EA201600135A1

Abstract

Изобретение относится к 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 в широком диапазоне изменения их длительности и частоты. Импульсный модулятор рекуперативного типа, содержащий N последовательно соединенных своими выходными выводами модулей, каждый из которых содержит источник постоянного напряжения, подключенный к последовательно соединенным первому и второму управляемым ключевым элементам, первый диод, подключенный параллельно первому управляемому ключевому элементу, катод первого диода соединен с положительным выводом источника постоянного напряжения, второй диод, подключенный параллельно второму управляемому ключевому элементу, анод второго диода соединен с отрицательным выводом источника постоянного напряжения, первый выходной вывод первого модуля подключен к первому выводу нагрузки устройства, второй выходной вывод первого модуля подключен к первому выходному выводу второго модуля, в каждом модуле отрицательный вывод источника постоянного напряжения соединен со вторым выходным выводом модуля, второй вывод нагрузки устройства подключен ко второму выходному выводу N-го модуля, устройство управления ключевыми элементами модулей, в каждый модуль дополнительно введены фиксирующий диод, катод которого подключен к положительному выводу источника постоянного напряжения, а анод соединен с первым выходным выводом модуля, гасящий резистор, подключенный первым своим выводом к катоду второго диода, индуктивность, подключенная между вторым выводом резистора и первым выходным выводом модуля, параллельно соединенные конденсатор, управляемый ключевой элемент и третий диод, подключенные к выходным выводам модуля, причем катод третьего диода соединен с первым выходным выводом модуля. В частном случае устройство может содержать один модуль. Импульсный модулятор рекуперативного типа дает возможность уменьшить потери энергии в устройстве при работе на емкостную нагрузку, ограничить скорость нарастания выходного тока при пробоях и коротких замыканиях в нагрузке, а также уменьшить пульсации выходного напряжения за счет дополнительной фильтрации, вызванной введением индуктивного и емкостного элементов с образованием LC-фильтра на выходе каждого модуля.

Description

Изобретение относится к 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 в широком диапазоне изменения их длительности и частоты. Импульсный модулятор рекуперативного типа, содержащий N последовательно соединенных своими выходными выводами модулей, каждый из которых содержит источник постоянного напряжения, подключенный к последовательно соединенным первому и второму управляемым ключевым элементам, первый диод, подключенный параллельно первому управляемому ключевому элементу, катод первого диода соединен с положительным выводом источника постоянного напряжения, второй диод, подключенный параллельно второму управляемому ключевому элементу, анод второго диода соединен с отрицательным выводом источника постоянного напряжения, первый выходной вывод первого модуля подключен к первому выводу нагрузки устройства, второй выходной вывод первого модуля подключен к первому выходному выводу второго модуля, в каждом модуле отрицательный вывод источника постоянного напряжения соединен со вторым выходным выводом модуля, второй вывод нагрузки устройства подключен ко второму выходному выводу Ν-го модуля, устройство управления ключевыми элементами модулей, в каждый модуль дополнительно введены фиксирующий диод, катод которого подключен к положительному выводу источника постоянного напряжения, а анод соединен с первым выходным выводом модуля, гасящий резистор, подключенный первым своим выводом к катоду второго диода, индуктивность, подключенная между вторым выводом резистора и первым выходным выводом модуля, параллельно соединенные конденсатор, управляемый ключевой элемент и третий диод, подключенные к выходным выводам модуля, причем катод третьего диода соединен с первым выходным выводом модуля. В частном случае устройство может содержать один модуль. Импульсный модулятор рекуперативного типа дает возможность уменьшить потери энергии в устройстве при работе на емкостную нагрузку, ограничить скорость нарастания выходного тока при пробоях и коротких замыканиях в нагрузке, а также уменьшить пульсации выходного напряжения за счет дополнительной фильтрации, вызванной введением индуктивного и емкостного элементов с образованием ЬС-фильтра на выходе каждого модуля.

029221 Β1

029221

Изобретение относится к 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 в широком диапазоне изменения их длительности и частоты.

Известен импульсный модулятор (патент США 5710520, кл. 330/10, МПК Н03Р 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.

Недостатками устройства являются большие потери энергии, а также недостаточное быстродействие при выключении ключевых элементов при работе на нагрузку, содержащую емкостную составляющую.

Известен импульсный модулятор (патент РФ 2366077, МПК Н03Р 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 К-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 управляемых ключа. Общий вывод источника задающего напряжения соединен с первым выводом нагрузки.

Недостатками устройства являются большие потери энергии при заряде и разряде емкостной нагрузки в интервалах формирования фронтов выходных импульсов, а также высокая скорость нарастания выходного тока при пробоях и коротких замыканиях в нагрузке, что предъявляет высокие требования к быстродействию устройства защиты по току и приводит к необходимости применения ключевых элементов с большим запасом по току.

Наиболее близким техническим решением к заявляемому изобретению является импульсный модулятор (Евразийский патент 019770, МПК Н02М 7/25, опубликован 30.06.2014), 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, в каждом модуле введен 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.

Недостатками устройства являются большие потери энергии в ключевых элементах модулей при работе на емкостную нагрузку, а также высокая скорость нарастания выходного тока при пробоях и коротких замыканиях в нагрузке.

Задача изобретения - уменьшение потерь энергии при работе на емкостную нагрузку, ограничение скорости нарастания выходного тока при пробоях и коротких замыканиях в нагрузке, а также формирование дополнительной фильтрации пульсаций выходного напряжения.

Поставленная задача решается тем, что в импульсном модуляторе рекуперативного типа, содержащем N последовательно соединенных своими выходными выводами модулей, каждый из которых содержит источник постоянного напряжения, подключенный к последовательно соединенным первому и второму управляемым ключевым элементам, первый диод, подключенный параллельно первому управляемому ключевому элементу, катод первого диода соединен с положительным выводом источника постоянного напряжения, второй диод, подключенный параллельно второму управляемому ключевому элементу, анод второго диода соединен с отрицательным выводом источника постоянного напряжения, первый выходной вывод первого модуля подключен к первому выводу нагрузки устройства, второй вы- 1 029221

ходной вывод первого модуля подключен к первому выходному выводу второго модуля и т.д., в каждом модуле отрицательный вывод источника постоянного напряжения соединен со вторым выходным выводом модуля, второй вывод нагрузки устройства подключен ко второму выходному выводу Ν-го модуля, устройство управления ключевыми элементами модулей, в каждый модуль дополнительно введены фиксирующий диод, катод которого подключен к положительному выводу источника постоянного напряжения, а анод соединен с первым выходным выводом модуля, гасящий резистор, подключенный первым своим выводом к катоду второго диода, индуктивность, подключенная между вторым выводом резистора и первым выходным выводом модуля, параллельно соединенные конденсатор, управляемый ключевой элемент и третий диод, подключенные к выходным выводам модуля, причем катод третьего диода соединен с первым выходным выводом модуля. В частном случае устройство может содержать один модуль.

Введение в каждом модуле фиксирующего диода, катод которого подключен к положительному выводу источника постоянного напряжения, а анод соединен с первым выходным выводом модуля, гасящего резистора, подключенного первым своим выводом к катоду второго диода, индуктивности, подключенной между вторым выводом резистора и первым выходным выводом модуля, параллельно соединенных конденсатора, управляемого ключевого элемента и третьего диода, подключенных к выходным выводам модуля, причем катод третьего диода соединен с первым выходным выводом модуля, обеспечивает уменьшение потерь энергии в устройстве при формировании фронтов импульсов на емкостной нагрузке за счет применения в каждом модуле резонансных методов перезаряда его эквивалентной выходной емкости с последующей рекуперацией энергии магнитного поля, накопленной в индуктивности, в источник постоянного напряжения. Кроме того, наличие индуктивности в каждом модуле ограничивает скорость нарастания выходного тока при пробоях и коротких замыканиях в нагрузке, а также совместно с емкостями модуля и нагрузки создает дополнительную фильтрацию пульсаций выходного напряжения. Ограничение скорости нарастания выходного тока снижает требования к быстродействию устройства защиты по току ключевых элементов и самой нагрузки и, тем самым, позволяет повысить ресурс работы нагрузки и использовать ключи с меньшим запасом по току. Применение таких ключей повышает быстродействие устройства при формировании фронтов выходных импульсов, уменьшает сквозные токи и динамические потери в ключах.

На фигуре представлена принципиальная схема импульсного модулятора рекуперативного типа.

Импульсный модулятор рекуперативного типа (фигура) содержит N последовательно соединенных своими выходными выводами модулей, каждый из которых содержит источник постоянного напряжения 1, подключенный к последовательно соединенным первому 2 и второму 3 управляемым ключевым элементам, первый диод 4, подключенный параллельно первому управляемому ключевому элементу 2, катод первого диода 4 соединен с положительным выводом источника постоянного напряжения 1, второй диод 5, подключенный параллельно второму управляемому ключевому элементу 3, анод диода 5 соединен с отрицательным выводом источника постоянного напряжения 1 и вторым выходным выводом модуля, фиксирующий диод 8, катод которого подключен к положительному выводу источника постоянного напряжения 1, а анод соединен с первым выходным выводом модуля, гасящий резистор 9, подключенный первым своим выводом к катоду диода 5, индуктивность 10, подключенную между вторым выводом резистора 9 и первым выходным выводом модуля, параллельно соединенные конденсатор 11, управляемый ключевой элемент 12 и третий диод 13, подключенные к выходным выводами модуля, причем катод диода 13 соединен с первым выходным выводом модуля, первый вывод нагрузки 6 устройства соединен с первым выходным выводом первого модуля, второй выходной вывод первого модуля подключен к первому выходному выводу второго модуля и т.д., второй вывод нагрузки 6 подключен ко второму выходному выводу Ν-го модуля, устройство управления 7 ключевыми элементами модулей.

Импульсный модулятор рекуперативного типа работает следующим образом. В исходном состоянии управляемые ключи всех модулей разомкнуты. Напряжение на нагрузке 6 близко к нулю. Для исключения влияния токов утечки и создания фиксации нулевого уровня напряжения на нагрузке замыкаются ключи 3 и 12 всех модулей синхронно. Замыкание ключа 3 во всех модулях в этом случае вызвано необходимостью исключения появления тока в индуктивности 10 из-за протекания тока от источника постоянного напряжения 1 через диод 4 в течение его времени обратного восстановления. Такое состояние, обеспечивающее нулевые начальные условия по току в индуктивности 10 и по напряжению на конденсаторе 11, может длиться сколь угодно долго.

Все управляемые ключевые элементы всех N модулей имеют одностороннюю проводимость. Коммутация ключевых элементов одного номера для всех модулей может производиться синхронно или с установленной в устройстве управления 7 временной задержкой. Так как напряжение на нагрузке 6 в любой момент времени определяется суммой выходных напряжений модулей, в первом случае длительность фронтов импульсов на нагрузке будет равна длительности фронтов импульсов на выходе каждого модуля, а во втором случае длительность фронтов будет больше, они будут иметь ступенчатую форму с максимальным количеством ступеней, равном Ν. Эквивалентная выходная емкость модуля при подключенной емкости нагрузки будет равна сумме емкости конденсатора 11, подключенного к выходным выводам модуля, и приведенной емкости нагрузки, равной сумме эквивалентных емкостей нагрузки 6 и

- 2 029221

монтажа, умноженной на количество модулей при равенстве емкостей конденсаторов 11 всех N модулей. Установка конденсаторов 11 на выходе модулей обеспечивает работу устройства при отключенной нагрузке с некоторым уменьшением длительностей фронтов выходных импульсов модулей. Выбор параметров индуктивности и эквивалентной емкости модуля производится из условий формирования требуемых длительностей фронтов импульсов и допустимого рабочего тока через ключевые элементы при заданном максимальном напряжении на выходе модуля. В каждом модуле заряд эквивалентной выходной емкости может быть выполнен одним из трех возможных способов, а разряд - одним из двух.

В дальнейшем работа устройства будет рассматриваться на примере одного модуля. Для формирования импульсов на выходе модуля необходимо осуществить заряд эквивалентной выходной емкости модуля с последующим поддержанием (фиксацией) уровня напряжения заряда в течение длительности импульса, затем произвести разряд этой емкости с поддержанием (фиксацией) нулевого уровня в промежутке между импульсами.

При первом способе заряда сначала размыкается ключ 3 и через небольшую паузу замыкается ключ 2. Происходит нарастание тока в индуктивности по экспоненциальному закону. Ток протекает от источника 1 через замкнутый ключ 2, резистор 9, индуктивность 10 и замкнутый ключ 12. Длительность интервала нарастания тока выбирается из условия накопления энергии магнитного поля, достаточной для ее последующего преобразования в энергию электрического поля эквивалентной выходной емкости модуля при ее заряде до напряжения, равного напряжению источника 1. Затем размыкается ключ 2. При этом ток цепи замыкается через диод 5 на сравнительно короткое время, после чего размыкается ключ 12 и происходит резонансный заряд эквивалентной выходной емкости модуля до напряжения, равного напряжению источника 1. При наличии избытка накопленной в индуктивности 10 энергии открывается диод 8 и фиксирует это напряжение на выходе модуля. При этом избыток энергии индуктивности возвращается в источник 1 через диоды 8, 5 и резистор 9 (первый режим рекуперации). Далее, после спада тока до уровня, близкого к нулю, включается ключ 2 для поддержания на выходе напряжения, примерно равного напряжению источника 1, обеспечивая формирование вершины импульса. Резистор 9 по окончании заряда выполняет функцию преобразования (гашения) относительно небольшого остатка энергии, накопленной в индуктивности, в тепловую энергию после замыкания ключа 2 для поддержания напряжения на выходе модуля после окончания процесса заряда. При этом ток индуктивности замыкается по контуру через диод 8, ключ 2 и резистор 9. Сопротивление резистора 9 выбирается исходя из двух противоречивых требований. С одной стороны его следует уменьшать для снижения потерь в устройстве на интервалах заряда и разряда выходной емкости, а с другой - увеличивать для уменьшения постоянной времени для обеспечения спада тока индуктивности до значения, близкого к нулю, за время длительности импульса и паузы между импульсами. Это позволяет при неизменных длительностях интервалов накопления энергии обеспечить нулевые начальные условия по току к началу следующего цикла заряда или разряда. По окончании переходного процесса по току через индуктивность 10 протекает относительно небольшой ток нагрузки. Такое состояние может длиться сколь угодно долго.

При втором способе заряда сначала размыкаются ключи 3 и 12 и через небольшую паузу замыкается ключ 2. Начинается резонансный процесс заряда выходной емкости модуля с одновременным накоплением энергии магнитного поля в индуктивности. Длительность этого интервала выбирается исходя из обеспечения к концу интервала энергии в индуктивности, достаточной для последующего дозаряда выходной емкости до уровня напряжения источника 1. В конце интервала размыкается ключ 2, ток индуктивности при этом замыкается через диод 5 и происходит резонансный дозаряд выходной емкости до уровня напряжения источника 1. В этом случае размыкание ключа 2 будет происходить при меньшем значении тока, чем при первом способе заряда. При наличии избытка накопленной в индуктивности 10 энергии открывается диод 8 и фиксирует это напряжение на выходе модуля. При этом избыток энергии индуктивности возвращается в источник 1 через диоды 8, 5 и резистор 9. Далее, после спада тока индуктивности до уровня, близкого к нулю, включается ключ 2 для поддержания на выходе напряжения, примерно равного напряжению источника 1.

Третий способ заряда отличается от второго длительностью интервала накопления энергии в индуктивности 10, который заканчивается полным зарядом выходной емкости до напряжения, равного напряжению источника 1, с последующей фиксацией его диодом 8, размыканием ключа 2 и рекуперацией энергии индуктивности в источник 1 через диоды 8, 5 и резистор 9.

При первом способе разряда выходной емкости модуля сначала размыкается ключ 2 и далее, через небольшую паузу, замыкается ключ 3. Происходит резонансный разряд выходной емкости через индуктивность 10, резистор 9 и ключ 3 до нуля. При этом ток достигает максимального значения, примерно равного отношению напряжения источника 1 к волновому сопротивлению ЬС-контура. Далее ключ 3 размыкается и энергия магнитного поля возвращается в источник 1 через резистор 9 и диоды 4 и 13 (второй режим рекуперации). Благодаря открытому диоду 13 обеспечивается фиксация на выходе напряжения, близкого к нулю. После спада тока до нуля открывается ключ 12 для поддержания нулевого уровня напряжения и затем включается ключ 3 для запирания диода 4 и, тем самым, отключения источника 1 от индуктивности 10. Резистор 9 по окончании разряда преобразовывает относительно небольшой остаток энергии, накопленной в индуктивности, в тепловую энергию при протекании небольшого тока в контуре

- 3 029221

через замкнутые ключи 3, 12 и диоды 5, 13. Такое состояние, сохраняющее нулевые начальные условия по току в индуктивности 10 и по напряжению на конденсаторе 11, может длиться сколь угодно долго, обеспечивая формирование паузы между импульсами.

Второй способ разряда выходной емкости модуля отличается от первого длительностью интервала накопления энергии магнитного поля. При этом емкость разряжается не полностью, а до значения, при котором энергия, накопленная в индуктивности, будет достаточной для последующего полного резонансного разряда емкости с рекуперацией энергии в источник 1 (третий режим рекуперации). В этом случае размыкание ключа 3 будет происходить при меньшем значении токе, чем в первом способе разряда. Ключ 3 размыкается и энергия магнитного поля индуктивности и электрического поля выходной емкости возвращаются в источник 1 через резистор 9 и диод 4. При достижении напряжения на конденсаторе 11, близкого к нулю, открывается диод 13 и фиксирует это напряжение.

Регулировка амплитуды импульса на нагрузке 6, равной сумме амплитуд импульсов всех модулей, может производиться дискретно и плавно. Дискретная регулировка может производиться путем выключения напряжений отдельных модулей при размыкании их ключей 2 и замыкании ключей 3 и 12. Амплитуда выходного импульса модуля может изменяться плавно путем регулировки напряжения источника 1 модуля. Стабилизация амплитуды выходного импульса модуля может производиться путем стабилизации напряжения источника 1 по сигналу, пропорциональному напряжению на выводах источника 1, или по сигналу, пропорциональному амплитуде выходного импульса модуля.

В случае пробоев или коротких замыканий в нагрузке 6 во время поддержания открытыми ключами 2 выходных напряжений модулей, равных напряжениям источников 1, скорость нарастания тока нагрузки будет обратно пропорциональна величине индуктивности 10 модулей. Также при отсутствии пробоев в этом режиме благодаря образованию ЬС-фильтра в каждом модуле при разомкнутых ключах 3 и 12 будет происходить сглаживание пульсаций выходных напряжений модулей и суммарного выходного напряжения устройства.

Таким образом, заявленный импульсный модулятор благодаря применению в каждом модуле резонансных методов перезаряда его эквивалентной выходной емкости и наличию режимов рекуперации дает возможность уменьшить потери энергии в устройстве при работе на емкостную нагрузку, ограничить скорость нарастания выходного тока при пробоях и коротких замыканиях в нагрузке, а также уменьшить пульсации выходного напряжения за счет дополнительной фильтрации, вызванной введением индуктивного и емкостного элементов с образованием ЬС-фильтра на выходе каждого модуля.

Claims

ФОРМУЛА ИЗОБРЕТЕНИЯ

Импульсный модулятор рекуперативного типа, содержащий N последовательно соединенных своими выходными выводами модулей, каждый из которых содержит источник постоянного напряжения, подключенный к последовательно соединенным первому и второму управляемым ключевым элементам, первый диод, подключенный параллельно первому управляемому ключевому элементу, катод первого диода соединен с положительным выводом источника постоянного напряжения, второй диод, подключенный параллельно второму управляемому ключевому элементу, анод второго диода соединен с отрицательным выводом источника постоянного напряжения, первый выходной вывод первого модуля подключен к первому выводу нагрузки устройства, второй выходной вывод первого модуля подключен к первому выходному выводу второго модуля, в каждом модуле отрицательный вывод источника постоянного напряжения соединен со вторым выходным выводом модуля, второй вывод нагрузки устройства подключен ко второму выходному выводу Ν-го модуля, устройство управления ключевыми элементами модулей, отличающийся тем, что каждый модуль содержит фиксирующий диод, катод которого подключен к положительному выводу источника постоянного напряжения, а анод соединен с первым выходным выводом модуля, гасящий резистор, подключенный первым своим выводом к катоду второго диода, индуктивность, подключенную между вторым выводом резистора и первым выходным выводом модуля, параллельно соединенные конденсатор, управляемый ключевой элемент и третий диод, подключенные к выходным выводам модуля, причем катод третьего диода соединен с первым выходным выводом модуля.

- 4 029221