RU155551U1

RU155551U1 - PULSE GENERATOR

Info

Publication number: RU155551U1
Application number: RU2015103354/08U
Authority: RU
Inventors: Виктор Михайлович Опре; Юрий Иванович Блинов; Борис Яковлевич Качанов
Priority date: 2015-02-02
Filing date: 2015-02-02
Publication date: 2015-10-10

Abstract

Импульсный генератор, содержащий источник э.д.с., индуктивный накопитель, нагрузку, а также четыре управляемых ключа, отличающийся тем, что первый, второй, третий и четвертый управляемые ключи шунтированы обратными диодами и соединены в мостовую схему, к входной диагонали которой подключен источник э.д.с., а в выходную диагональ включена цепь нагрузки, состоящая из последовательно соединенных индуктивного накопителя и нагрузки, шунтированной дополнительно включенным полностью управляемым ключом.A pulse generator containing an emf source, an inductive storage, a load, as well as four controlled keys, characterized in that the first, second, third and fourth controlled keys are shunted by reverse diodes and connected to a bridge circuit, to the input diagonal of which is connected the emf source, and the load diagonal is included in the output diagonal, consisting of a series-connected inductive storage and a load shunted by an additionally included fully controllable key.

Description

Заявляемая полезная модель относится к электротехнике, в частности к силовой импульсной технике и может найти применение в импульсных системах питания таких нагрузок как лампы накачки твердотельных лазеров, лазерные диоды, магнетроны, высоковольтные испытательные стенды, а также в системах питания станков для электроэрозионной обработки, установок для аргонодуговой сварки и т.п.The inventive utility model relates to electrical engineering, in particular to pulsed power technology and can find application in pulsed power systems such loads as pump lamps of solid-state lasers, laser diodes, magnetrons, high-voltage test benches, as well as in power systems of machines for electrical discharge machining, installations for argon arc welding, etc.

Известны импульсные генераторы, работающие в режиме частичного разряда емкостного накопителя (А.Б. Иванов, Л.Н. Сосновкин. Импульсные передатчики СВЧ. М., «Сов. радио», 1956, с. 413). Такие генераторы позволяют получать импульсы прямоугольной формы регулируемой длительности с короткими фронтами и состоят из зарядного устройства, емкостного накопителя и полностью управляемого ключа. Такие генераторы имеют большие массогабаритные показатели накопителя, особенно при работе на низкоомную нагрузку, поскольку величина спада вершины импульсов определяется постоянной времени цепи разряда. Кроме этого недостатком таких генераторов является то, что энергия, запасаемая в накопителе, существенно превышает энергию, выделяемую в нагрузке за один импульс в частотном режиме. При отказе полностью управляемого ключа происходит полный разряд накопителя, что обычно приводит к разрушению нагрузки.Known pulse generators operating in the partial discharge mode of a capacitive storage (A.B. Ivanov, LN Sosnovkin. Microwave pulsed transmitters. M., "Sov. Radio", 1956, p. 413). Such generators allow you to receive rectangular pulses of adjustable duration with short fronts and consist of a charger, capacitive storage and a fully controllable key. Such generators have large mass and size characteristics of the drive, especially when working on a low-impedance load, since the magnitude of the drop in the peak of the pulses is determined by the time constant of the discharge circuit. In addition, the disadvantage of such generators is that the energy stored in the drive significantly exceeds the energy released in the load per pulse in the frequency mode. When a fully managed key fails, the drive is completely discharged, which usually leads to load failure.

В качестве накопителей и формирователей прямоугольных импульсов тока могут быть использованы формирующие двухполюсники в виде однородных искусственных линий (Евтянов С.И., Редькин Г.Е. Импульсные модуляторы с искусственной линией. - М., «Сов. радио», 1973, с. 6, рис. 1.1.), состоящие из зарядного устройства, формирующего двухполюсника и ключа. Недостатком таких генераторов являются существенные величины осцилляций на плоской части импульсов, большие относительные длительности фронтов импульсов, невозможность регулирования длительности импульсов и сохранения согласованного режима работы в случае нелинейных нагрузок при регулировании уровня зарядного напряжения линий.As storage devices and shapers of rectangular current pulses, forming two-poles in the form of homogeneous artificial lines can be used (Evtyanov S.I., Redkin G.E. Pulse modulators with an artificial line. - M., Sov. Radio, 1973, p. 6, Fig. 1.1.), Consisting of a charging device forming a two-terminal device and a key. The disadvantage of such generators is the significant oscillations on the flat part of the pulses, the large relative durations of the pulse fronts, the inability to control the pulse duration and maintain a consistent mode of operation in the case of nonlinear loads when regulating the level of charging voltage of the lines.

Для получения импульсов тока в нелинейных нагрузках можно использовать импульсные генераторы на основе индуктивных накопителей, работающих в режиме полного разряда (М.С. Нейман. Курс радиопередающих устройств. М., «Сов. радио», 1965, с. 406, рис. 4.25). Такие генераторы, состоящие из зарядного устройства, индуктивного накопителя и полностью управляемого ключа являются источниками тока, в силу чего изменение параметров нагрузки несущественно влияет на амплитуду импульсов. Недостатком этих генераторов является невозможность обеспечить регулирование длительности импульсов тока нагрузки, причем форма этих импульсов существенно отличается от прямоугольной формы, поскольку форма среза импульсов является отрезком экспоненты. При этом отмечается, что использование индуктивного накопителя в режиме частичного разряда недопустимо из энергетических соображений, т.к. хранение энергии в индуктивности, имеющей омическое сопротивление, связано с постоянным протеканием тока, что приводит к существенному снижению к.п.д., особенно при больших скважностях импульсов тока нагрузки.To obtain current pulses in nonlinear loads, you can use pulse generators based on inductive drives operating in the full discharge mode (MS Neumann. The course of radio transmitting devices. Moscow, Sov. Radio, 1965, p. 406, Fig. 4.25 ) Such generators, consisting of a charger, an inductive storage device and a fully controllable key, are current sources, as a result of which a change in the load parameters does not significantly affect the amplitude of the pulses. The disadvantage of these generators is the inability to control the duration of the load current pulses, and the shape of these pulses differs significantly from a rectangular shape, since the shape of the pulse cut is a segment of the exponent. It is noted that the use of an inductive storage in partial discharge mode is unacceptable for energy reasons, because energy storage in an inductance having ohmic resistance is associated with a constant flow of current, which leads to a significant decrease in efficiency, especially at large duty cycle of the load current pulses.

В качестве прототипа выбран импульсный генератор с индуктивным накопителем энергии и рекуперацией. (Патент на полезную модель №141250. Импульсный генератор. Опре В.М., Федоров А.В., Темников А.О., Гайосо Де Лос Сантос А.В. опубл. 31.01.2014).As a prototype, a pulsed generator with an inductive energy storage and recovery was selected. (Utility Model Patent No. 141250. Pulse Generator. Opre V.M., Fedorov A.V., Temnikov A.O., Gayoso De Los Santos A.V. publ. 31.01.2014).

Импульсный генератор содержит источник э.д.с. E, к положительному зажиму которого подключен первый зажим полностью управляемого ключа К1 цепи заряда и первый зажим ключа К2 цепи рекуперации, при этом вторые зажимы ключей соединены с входным зажимом индуктивного накопителя L и выходным зажимом индуктивного накопителя L соответственно, нагрузку R, подключенную одним выводом к общей шине, к которой подключен и минусовой зажим источника э.д.с. E, нулевой диод D, анод которого подключен к общей шине, а катод к входному зажиму индуктивного накопителя L, второй ключ К3 цепи заряда, один зажим которого подключен к общей шине, а второй зажим к выходному зажиму индуктивного накопителя L, к которому подключен первый зажим ключа К4 цепи разряда, второй зажим которого подключен к нагрузке R.The pulse generator contains an emf source E, to the positive terminal of which is connected the first terminal of the fully controlled key K1 of the charge circuit and the first terminal of the key K2 of the recovery circuit, while the second terminals of the keys are connected to the input terminal of the inductive storage device L and the output terminal of the inductive storage device L, respectively, the load R connected by one output to the common bus to which the negative terminal of the emf source is connected E, the zero diode D, the anode of which is connected to the common bus, and the cathode to the input terminal of the inductive storage device L, the second key of the charge circuit K3, one clip of which is connected to the common bus, and the second clip to the output terminal of the inductive storage device L, to which the first terminal clamp K4 of the discharge circuit, the second terminal of which is connected to the load R.

Недостатком данного устройства является невозможность генерирования как биполярных, так и униполярных импульсов различной полярности, сложность алгоритма управления ключами, а также повышенные массогабаритные показатели индуктивного накопителя (дросселя), работающего на частной кривой намагничивания магнитопровода.The disadvantage of this device is the impossibility of generating both bipolar and unipolar pulses of different polarity, the complexity of the key management algorithm, as well as the increased mass and size characteristics of the inductive storage (inductor) operating on a private magnetization curve of the magnetic circuit.

Технический результат, на получение которого направлена заявляемая полезная модель, заключается в существенном расширении технологических возможностей генератора путем обеспечения различных режимов импульсного питания нагрузки от индуктивного накопителя за счет регулирования полярности, длительности, амплитуды и частоты следования импульсов тока нагрузки при сохранении высокого значения к.п.д., не зависящего от скважности импульсного процесса, а также в снижении массогабаритных показателей индуктивного накопителя.The technical result, which is claimed by the claimed utility model, is to significantly expand the technological capabilities of the generator by providing various modes of pulsed power supply to the load from the inductive storage unit by adjusting the polarity, duration, amplitude and repetition rate of the load current pulses while maintaining a high c.p. d., independent of the duty cycle of the pulse process, as well as in reducing the overall dimensions of the inductive storage.

Указанный технический результат обеспечивается за счет того, что в импульсном генераторе, содержащем источник э.д.с, индуктивный накопитель, нагрузку, а также четыре полностью управляемых ключа, первый, второй, третий и четвертый управляемые ключи шунтированы обратными диодами и соединены в мостовую схему, к входной диагонали которой подключен источник э.д.с, а в выходную диагональ включена цепь нагрузки, состоящая из последовательно соединенных индуктивного накопителя и нагрузки, шунтированной дополнительно включенным полностью управляемым ключом с двухсторонней проводимостью.The specified technical result is ensured due to the fact that in the pulse generator containing the emf source, inductive storage, load, as well as four fully controllable keys, the first, second, third and fourth controllable keys are shunted by reverse diodes and connected to a bridge circuit , to the input diagonal of which the emf source is connected, and the output diagonal includes a load circuit consisting of a series-connected inductive storage and a load shunted by an additional fully switched two-way conductive key.

Сущность технического решения поясняется фиг. 1, на которой представлена схема заявляемого импульсного генератора, фиг. 2, на которой приведены диаграммы, поясняющие порядок работы ключей, и фиг. 3, на которой приведены временные зависимости токов импульсного генератора в режиме генерирования биполярных импульсов.The essence of the technical solution is illustrated in FIG. 1, which shows a diagram of the inventive pulse generator, FIG. 2, which shows diagrams explaining the operation of keys, and FIG. 3, which shows the time dependences of the currents of a pulse generator in the bipolar pulse generation mode.

Импульсный генератор (фиг. 1) содержит источник э.д.с. E, включенный во входную диагональ дополнительно введенного мостового преобразователя, содержащего четыре полностью управляемых ключа заряда индуктивного накопителя K1, К2, К3, К4, шунтированных обратными диодами VD1, VD2, VD3, VD4, катоды двух из которых соединены с положительным зажимом источника э.д.с. Е, а аноды двух других обратных диодов соединены с минусовым зажимом источника э.д.с. Е, причем цепь нагрузки, содержащая индуктивный накопитель L, последовательно соединенный с нагрузкой R, шунтированной полностью управляемым ключом с двухсторонней проводимостью К5, включена в выходную диагональ моста.The pulse generator (Fig. 1) contains an emf source E, included in the input diagonal of an additionally introduced bridge converter containing four fully controllable charge keys of the inductive storage K1, K2, K3, K4, shunted by reverse diodes VD1, VD2, VD3, VD4, the cathodes of two of which are connected to the positive terminal of the source .from. E, and the anodes of two other reverse diodes are connected to the negative terminal of the emf source E, and the load circuit containing the inductive storage L, connected in series with the load R, shunted by a fully controllable key with two-sided conductivity K5, is included in the output diagonal of the bridge.

Устройство работает следующим образом.The device operates as follows.

На каждом цикле заряд - рекуперация величина тока заряда индуктивного накопителя L определяется величиной напряжения источника э.д.с. E, величиной индуктивности накопителя L и временем t1 включенного состояния ключей К1 и К2, временем включенного состояния ключей К3 и К4 t3-t2 и равна I=Et/L. Ha фиг.2 приведены диаграммы, поясняющие порядок работы ключей. В нулевой момент времени включаются ключи К1, К3, К5 и происходит заряд накопителя L, причем ток накопителя возрастает по линейному закону. В момент времени t1 ключи К1 и К3 отключаются на время t2-t1 и ток рекуперации индуктивного накопителя L начинает протекать по цепи VD3, VD4 в источник э.д.с. В момент времени t≤t1 ключ К5 закрывается на время τ1 и в нагрузке формируется импульс тока положительной полярности длительностью τ1, и после открытия ключа К5 процесс рекуперации продолжается по цепи VD3, VD4. В момент времени t2 включаются ключи К3, К4, ключ К5 открыт и процесс повторяется, причем ключи К3, К4 выключаются в момент времени t3 и когда выключается ключ К5 на время τ2 в нагрузке формируется импульс тока отрицательной полярности длительностью τ2, в общем случае не равной τ1, а процесс рекуперации продолжается по цепи VD1, VD2. Период частоты следования биполярных импульсов T=t3-t1. В общем случае отключение ключа К5 может происходить как на участке нарастания тока заряда накопителя, так и на участке рекуперации, причем вершина импульсов при этом может быть как нарастающей, так и спадающей. Для генерирования униполярных импульсов тока нагрузки система управления обеспечивает отключение ключа К5 только на участках однонаправленного протекания тока заряда.On each cycle, the charge - recovery, the magnitude of the charge current of the inductive storage L is determined by the magnitude of the voltage of the emf source E, the value of the inductance of the drive L and the time t1 of the on state of the keys K1 and K2, the time of the on state of the keys K3 and K4 t3-t2 and equal to I = Et / L. Ha figure 2 shows diagrams explaining the operation of the keys. At the zero point in time, the keys K1, K3, K5 are turned on and the drive L is charging, and the drive current increases linearly. At time t1, the keys K1 and K3 are turned off for a time t2-t1 and the recovery current of the inductive storage L starts flowing through the circuit VD3, VD4 to the emf source At time t≤t1, key K5 closes for time τ1 and a positive current pulse of duration τ1 is formed in the load, and after opening key K5, the recovery process continues along circuit VD3, VD4. At time t2, the keys K3, K4 are turned on, the key K5 is open and the process is repeated, and the keys K3, K4 are turned off at time t3 and when the key K5 is turned off for a time τ2, a negative current pulse of duration τ2 is formed in the load, generally not equal to τ1, and the recovery process continues along the chain VD1, VD2. The period of the repetition rate of bipolar pulses T = t3-t1. In the general case, the K5 key can be turned off both in the section of increase in the charge current of the drive and in the recovery section, and the peak of pulses can be either rising or falling. To generate unipolar pulses of the load current, the control system ensures that the K5 switch is turned off only in areas of unidirectional flow of the charge current.

На фиг. 3 приведены временные зависимости токов импульсного генератора в установившемся режиме. В этом примере напряжение заряда E=500 В, индуктивность накопителя L=10 мгн, время заряда 5 мсек. Амплитуда импульса тока I=240 А. Из рисунка видно, что суммарная длительность процесса заряда, генерирования импульса и рекуперации не превышает 10 мсек и минимально возможный период частоты следования импульсов Т=10 мсек. Уменьшение частоты следования импульсов, т.е. увеличение скважности, не приводит к снижению к.п.д., поскольку в паузах ток в индуктивном накопителе отсутствует.In FIG. Figure 3 shows the time dependences of the currents of a pulsed generator in steady state. In this example, the charge voltage is E = 500 V, the drive inductance is L = 10 mgn, and the charge time is 5 ms. The amplitude of the current pulse is I = 240 A. It can be seen from the figure that the total duration of the charge process, pulse generation, and recovery does not exceed 10 ms and the minimum possible pulse repetition rate is T = 10 ms. The decrease in the pulse repetition rate, i.e. an increase in duty cycle does not lead to a decrease in efficiency, since there is no current in pauses in the inductive storage.

Claims

A pulse generator containing an emf source, an inductive storage, a load, as well as four controlled keys, characterized in that the first, second, third and fourth controlled keys are shunted by reverse diodes and connected to a bridge circuit, to the input diagonal of which is connected the emf source, and the load diagonal is included in the output diagonal, consisting of a series-connected inductive storage and a load shunted by an additionally included fully controllable key.