PL213859B1 - Sposób ksztaltowania impulsu wysokiego napiecia w module generatora i uklad generatora impulsów wysokiego napiecia - Google Patents

Description

Opis wynalazku

Przedmiotem wynalazku jest sposób kształtowania impulsu wysokiego napięcia w module generatora i układ generatora impulsów wysokiego napięcia służących między innymi do wzbudzania plazmy w reaktorach dużej mocy.

Budowa układów generacji impulsów wysokiego napięcia w istniejących generatorach impulsów opartych na topologii Marxa, według opisu patentowego DE 455 933, opiera się na fakcie szeregowego połączenia wstępnie naładowanych kondensatorów kluczem przełączającym, w konsekwencji wyjściowe napięcie generatora jest równe co najwyżej krotności użytych do budowy modułów, przy czym napięcie wyjściowe pojedynczego modułu jest ograniczone dopuszczalnym napięciem pracy klucza przełączającego. Topologia Fitcha, opisana w amerykańskich opisach patentowych nr 3366799, nr 3746881 oraz nr 7209373 w połączeniu z topologią Marxa pozwala na dwukrotne podniesienie wartości napięcia wyjściowego przy tej samej liczbie zastosowanych modułów. Obecnie modyfikacje powyższych rozwiązań polegają na wykorzystaniu różnych topologii wykorzystujących kondensatory, dławiki oraz klucze przełączające lecz wykorzystujących mechanizm przełożenia transformatora do generacji impulsów wysokiego napięcia jak przykładowo w FR 2495853, w tym przypadku wykorzystano transformatory o nawinięciu bifilarnym i połączonych szeregowo uzwojeniach, oraz znane zjawisko rezonansu szeregowego elektrycznego obwodu o krótkim czasie trwania co wynika z faktu bardzo wysokiego współczynnika sprzężenia magnetycznego uzwajania typu bifilarnego. Inny trend to wykorzystanie elementów magnetycznych nasycających się jako elementów przełączających (kluczy) jak przykładowo w US 5105097, który jest połączeniem hybrydowym transformatora i klasycznej topologii Fitcha po jego stronie wysokiego napięcia, lub na prostym zastąpieniu kluczy przełączających np. iskrowników, tyratronów półprzewodnikowymi elementami mocy jak np. „Solid-State Marx Bank Modulator For The Next Linear Collider” Proceeding of EPAC 2004 Lucerne Switzerland.

Dotychczasowe sposoby generacji impulsu wysokiego napięcia na wyjściu obejmują szeregowe połączenie, poprzez klucz przełączający, wstępnie naładowanych kondensatorów (DE 455 933), połączenie szeregowe modułów dwukondensatorowych, gdzie jeden z kondensatorów zmienia polaryzację napięcia po załączeniu klucza przełączającego (patenty nr US 33366799, nr US3746881 oraz nr US7209373). Dodatkową możliwością jest sposób związany z sumowaniem napięć wtórnych stron transformatorów wysokonapięciowych, jak ma to miejsce przykładowo w FR 2495853.

Sposób kształtowania impulsu wysokiego napięcia w module generatora według wynalazku, polegający na sumowaniu napięć połączonych szeregowo kondensatorów przeładowanych przez klucz przełączający oraz dławiki, charakteryzuje się tym, że łączy się trzy wstępnie naładowane kondensatory, przy czym w dwóch, połączonych poprzez załączony klucz równolegle, zmienia się polaryzację w procesie rezonansowego przeładowania wstępnie naładowanego kondensatora ze znajdującym się w stanie bezprądowym dławikiem, poprzez załączenie klucza dwukierunkowego, który przyłącza do każdego z tych dwóch kondensatorów dławiki łącząc jednocześnie wszystkie trzy kondensatory szeregowo. Jako klucz dwukierunkowy stosuje się tranzystor lub inny element przełączający, odpowiadający przyjętym założeniom.

Układ generatora impulsów według wynalazku zbudowany co najmniej z jednego modułu, zawierającego kondensatory, dławiki oraz klucz przełączający, charakteryzuje się tym , że moduł zawiera trzy kondensatory. Pierwsze wejście modułu połączone jest z pierwszym końcem pierwszego kondensatora natomiast drugie wejście modułu połączone jest z anodą pierwszej diody, której katoda połączona jest z drugim końcem pierwszego kondensatora oraz pierwszym końcem drugiego kondensatora i pierwszym końcem drugiego dławika. Drugie wyjście modułu stanowi drugi koniec drugiego dławika przyłączony do pierwszego końca klucza dwukierunkowego i jednocześnie katody trzeciej diody oraz pierwszego końca trzeciego kondensatora. Drugi koniec trzeciego kondensatora połączony jest jednocześnie z pierwszym końcem trzeciego dławika i anodą drugiej diody i stanowi on pierwsze wyjście modułu. Drugi koniec trzeciego dławika połączony jest z anodą trzeciej diody oraz z drugim końcem klucza dwukierunkowego i z drugim końcem drugiego kondensatora. Katoda drugiej diody połączona jest z pierwszym końcem pierwszego dławika, natomiast drugi koniec pierwszego dławika podłączony jest do pierwszego końca pierwszego kondensatora. Pomiędzy pierwsze i drugie wejście modułu przyłączona jest strona wtórna transformatora, którego strona pierwotna podłączona jest do obwodu kształtowania impulsów. Pierwsze wyjście modułu jest połączone z pierwszym końcem nieliniowego dławika, którego drugi koniec przyłączony jest do pierwszego końca odbiornika. Drugi koniec odbiornika przyłączony jest do punktu uziemienia, do którego przyłączony jest jeden z końców strony

PL 213 859 B1 wtórnej transformatora i drugi koniec pierwszego dławika. Jako klucz dwukierunkowy w układzie można zastosować każdy element przełączający korzystnie tranzystor z dodatkową diodą, przyłączoną odwrotnie równolegle do kierunku przewodzenia tranzystora. Korzystnie drugi i trzeci dławik są sprzężone magnetycznie. W układzie według wynalazku drugi i trzeci kondensator są połączone równolegle, a ich biegunowość jest przeciwna do biegunowości pierwszego kondensatora. W chwili załączenia klucza dwukierunkowego uruchamiane są dwa procesy. Jeden to proces rezonansowego przeładowania drugiego i trzeciego kondensatora przez drugi i trzeci dławik, korzystnie sprzężone magnetycznie gdyż wówczas dynamika zmian napięć na kondensatorze drugim i trzecim jest jednakowa. Drugi proces to stan sumowania napięć wszystkich trzech kondensatorów modułu. Efekt sumowania napięć kondensatorów modułu w chwili załączenia tranzystora daje początkowe napięcie ujemne o wartości początkowej równej napięciu pojedynczego kondensatora. Maksimum napięcie wyjściowe modułu osiąga w chwili pełnego przeładowania kondensatorów drugiego i trzeciego to jest po okresie zadrgania półfalowego i osiąga ono wartość równą potrójnej wartości napięcia początkowego pojedynczego kondensatora modułu.

Korzystnie układ zbudowany jest z wielu modułów połączonych ze sobą szeregowo tak, że pierwsze wyjście modułu poprzedniego połączone jest z pierwszym wejściem modułu kolejnego, a drugie wyjście poprzedniego modułu połączone jest z drugim wejściem kolejnego modułu. Pozwala to na otrzymanie wielokrotności, równej ilości modułów, wartości napięcia uzyskiwanego w pojedynczym module.

Trzykrotne powielenie napięcia w pojedynczym module pozwala osiągnąć wyższe napięcie sumaryczne od stosowanych obecnie rozwiązań, co umożliwia w praktyce zmniejszenie liczby modułów. Początkowa wartość ujemna impulsu dla generowanego kształtu w sposób znaczący zmniejsza całkę z przebiegu za okres zadrgania półfalowego, pozwala to na istotne zredukowanie wolumenu magnetowodu wyjściowego dławika nieliniowego dającego kompresję magnetyczną impulsu.

Sposób i układ według wynalazku przedstawione są w przykładach wykonania i na rysunku, na którym fig. 1 przedstawia graficzny przebieg generowanego impulsu modułu od chwili załączenia klucza dwukierunkowego do chwili uzyskania maksymalnej wartości napięcia wyjściowego modułu, fig. 2 schemat ideowy pojedynczego modułu, fig. 3 - schemat układu zbudowany z trzech modułów.

P r z y k ł a d 1

Układ składa się z jednego modułu (1), który ma trzy kondensatory. Pierwsze wejście modułu (1) połączone jest z pierwszym końcem pierwszego kondensatora (C11) natomiast drugie wejście modułu (1) połączone jest z anodą pierwszej diody (D11), której katoda połączona jest z drugim końcem pierwszego kondensatora (C11) oraz pierwszym końcem drugiego kondensatora (C21) i pierwszym końcem drugiego dławika (L21). Drugi koniec drugiego dławika (L21) przyłączony jest do kolektora tranzystora IGBT (T11) z dodatkową diodą (DT1) przyłączoną w sposób odwrotnie równoległy do kierunku przewodzenia tranzystora (T11). Jednocześnie przyłączony on jest do katody trzeciej diody (DT1), oraz pierwszego końca trzeciego kondensatora (C31). W taki sposób utworzone jest drugie wyjście modułu (1). Drugi koniec trzeciego kondensatora (C31) połączony jest jednocześnie z pierwszym końcem trzeciego dławika (L31) i anody drugiej diody (D21) stanowiąc pierwsze wyjście modułu (1). Drugi koniec trzeciego dławika (L31) połączony jest z anodą trzeciej diody (DT1) i z emiterem tranzystora IGBT (T11) i z drugim końcem drugiego kondensatora (C21), a katoda drugiej diody (D21) połączona jest z pierwszym końcem pierwszego dławika (L11), natomiast drugi koniec pierwszego dławika (L11) podłączony jest do pierwszego końca pierwszego kondensatora (C11). Pomiędzy pierwsze i drugie wejście modułu (1) przyłączona jest strona wtórna transformatora (Tr2) którego strona pierwotna (Tr1) podłączona jest do obwodu kształtowania impulsów (UKI). Układ (UKI) jest układem w którym jest kształtowany impuls zasilania modułu (1), poprzez zasilanie strony pierwotnej transformatora (Tr1). Pierwsze wyjście modułu (1) jest połączone z pierwszym końcem nieliniowego dławika (Lk), którego drugi koniec przyłączony jest do pierwszego końca odbiornika (R). Drugi koniec odbiornika (R) przyłączony jest do punktu uziemienia, do którego przyłączony jest jeden z końców strony wtórnej transformatora (Tr2) i drugi koniec dławika (L11).

Załączenie tranzystora (T11) poprzez sprzężone magnetycznie dławiki (L21 i L31) do równolegle połączonych kondensatorów (C21 i C31) uruchamia proces rezonansowego przeładowania co powoduje zmianę polaryzacji tych kondensatorów i jednocześnie łączy wszystkie trzy kondensatory (C11, C21, C31) w sposób szeregowy. W chwili załączenia tranzystora (T11) napięcie wyjściowe modułu (1) uzyskuje polaryzację przeciwną do pożądanej równą co do wartości napięciu pojedynczego kondensatora, natomiast po czasie przeładowania rezonansowego osiąga potrójną wartość.

PL 213 859 B1

P r z y k ł a d 2

Układ jak w przykładzie 1, z tym że składa się z trzech modułów. Pierwsze wyjście pierwszego modułu (1) połączone jest z pierwszym wejściem drugiego modułu (1), a drugie wyjście pierwszego modułu (1) połączone jest z drugim wejściem drugiego modułu (1). Pierwsze wyjście drugiego modułu (1) połączone jest z pierwszym wejściem trzeciego modułu (1), a drugie wyjście drugiego modułu (1) połączone jest z drugim wejściem trzeciego modułu (1). Pierwsze wyjście trzeciego modułu (1) jest połączone z pierwszym końcem nieliniowego dławika (Lk), którego drugi koniec przyłączony jest do pierwszego końca odbiornika (R). Drugi koniec odbiornika (R) przyłączony jest do punktu uziemienia, do którego przyłączony jest jeden z końców strony wtórnej transformatora (Tr2) i drugi koniec dławika (L11) pierwszego modułu (1).·

W chwili załączenia klucza dwukierunkowego (T11) napięcie wyjściowe modułu (1) uzyskuje polaryzację przeciwną do pożądanej równą co do wartości napięciu pojedynczego kondensatora (C11), natomiast po czasie przeładowania rezonansowego osiąga potrójną wartość. W stanach pomiędzy kolejnymi załączeniami klucza dwukierunkowego (T11) ładowane są wszystkie trzy kondensatory (C11, C21, C31) modułu (1) w taki sposób, że sumaryczne napięcie na wyjściu modułu (1) jest równe zero. Jest to możliwe gdyż w tym stanie pracy układu kondensatorów drugi (C21) i trzeci (C31) stanowią równoległe połączenie, a ich biegunowość jest przeciwka do biegunowości kondensatora pierwszego (C11). W chwili załączenia klucza dwukierunkowego (T11) uruchamiane są dwa procesy. Jeden to proces rezonansowego przeładowania wstępnie naładowanych kondensatorów drugiego (C21) i trzeciego (C31) przez wolne od prądu dławiki drugi (L21) i trzeci (L31), korzystnie sprzężone magnetyczne, gdyż wówczas dynamika zmian napięć na kondensatorze drugim (C21) i trzecim (C31) jest jednakowa. Drugi proces to stan sumowania napięć wszystkich trzech kondensatorów (C11, C21, C31) modułu (1). Efekt sumowania napięć kondensatorów (C11, C21, C31) modułu (1) w chwili załączenia tranzystora (T11) daje początkowe napięcie ujemne o wartości początkowej równej napięciu pojedynczego kondensatora (C11). Maksimum napięcie wyjściowe modułu (1) osiąga w chwili pełnego przeładowania kondensatorów drugiego (C21) i trzeciego (C31), to jest po okresie zadrgania półfalowego i osiąga ono wartość równą potrójnej wartości napięcia początkowego pojedynczego kondensatora (C11 lub C21 lub C31) modułu (1).

Claims (7)

1. Sposób kształtowania impulsu wysokiego napięcia w module generatora, polegający na sumowaniu napięć połączonych szeregowo kondensatorów przeładowanych przez klucz przełączający oraz dławiki, znamienny tym, że łączy się trzy wstępnie naładowane kondensatory, przy czym w dwóch, połączonych poprzez załączony klucz równolegle, zmienia się polaryzację w procesie rezonansowego przeładowania wstępnie naładowanego kondensatora ze znajdującym się w stanie bezprądowym dławikiem, poprzez załączenie klucza dwukierunkowego, który przyłącza do każdego z tych dwóch kondensatorów dławiki łącząc jednocześnie wszystkie trzy kondensatory szeregowo.

2. Sposób według zastrz. 1, znamienny tym, że jako klucz dwukierunkowy stosuje się tranzystor lub inny element przełączający.

3. Sposób według zastrz. 1, znamienny tym, że stosuje się dławiki sprzężone magnetycznie.

4. Układ generatora impulsów wysokiego napięcia zbudowany co najmniej z jednego modułu, zawierającego kondensatory, dławiki oraz klucz przełączający, znamienny tym, że moduł zawiera trzy kondensatory, przy czym pierwsze wejście modułu (1) połączone jest z pierwszym końcem pierwszego kondensatora (C11) natomiast drugie wejście modułu (1) połączone jest z anodą pierwszej diody (D11), której katoda połączona jest z drugim końcem pierwszego kondensatora (C11) oraz pierwszym końcem drugiego kondensatora (C21) i pierwszym końcem drugiego dławika (L21), przy czy drugi koniec drugiego dławika (L21) przyłączony jest do pierwszego końca klucza dwukierunkowego (T11) i jednocześnie katody trzeciej diody (DT1), oraz pierwszego końca trzeciego kondensatora (C31) stanowiąc jednocześnie drugie wyjście modułu (1), zaś drugi koniec trzeciego kondensatora (C31) połączony jest jednocześnie z pierwszym końcem trzeciego dławika (L31) i anody drugiej diody (D21) stanowiąc pierwsze wyjście modułu (1), a drugi koniec trzeciego dławika (L31) połączony jest z anodą trzeciej diody (DT1) i z drugim końcem klucza dwukierunkowego (T11) i z drugim końcem drugiego kondensatora (C21), a katoda drugiej diody (D21) połączona jest z pierwszym końcem pierwszego dławika (L11), natomiast drugi koniec pierwszego dławika (L11) podłączony jest do pierwszego końca

PL 213 859 B1 pierwszego kondensatora (C11), przy czym pomiędzy pierwsze i drugie wejście modułu (1) przyłączona jest strona wtórna transformatora (Tr2) którego strona pierwotna (Tr1) podłączona jest do obwodu kształtowania impulsów (UKI), przy czym pierwsze wyjście modułu (1) jest połączone z pierwszym końcem nieliniowego dławika (Lk), którego drugi koniec przyłączony jest do pierwszego końca odbiornika (R), którego drugi koniec przyłączony jest do punktu uziemienia, do którego przyłączony jest jeden z końców strony wtórnej transformatora (Tr2) i drugi koniec dławika (L11).

5. Układ według zastrz. 4, znamienny tym, że klucz dwukierunkowy stanowi tranzystor z dodatkową diodą, przyłączoną odwrotnie równolegle do kierunku przewodzenia tranzystora.

6. Układ według zastrz. 4, znamienny tym, że dławiki (L21, L31) są sprzężone magnetycznie.

7. Układ według zastrz. 4, znamienny tym, że pierwsze wyjście modułu poprzedniego połączone jest z pierwszym wejściem modułu kolejnego, a drugie wyjście poprzedniego modułu połączone jest z drugim wejściem kolejnego modułu.