RU2398347C1 - Shaper of energy pulses with controlled shape - Google Patents
Shaper of energy pulses with controlled shape Download PDFInfo
- Publication number
- RU2398347C1 RU2398347C1 RU2009130331/09A RU2009130331A RU2398347C1 RU 2398347 C1 RU2398347 C1 RU 2398347C1 RU 2009130331/09 A RU2009130331/09 A RU 2009130331/09A RU 2009130331 A RU2009130331 A RU 2009130331A RU 2398347 C1 RU2398347 C1 RU 2398347C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- pulse
- voltage
- frequency
- energy
- current
- Prior art date
Links
Images
Landscapes
- Inverter Devices (AREA)
Abstract
Description
Области техники, к которым относится изобретениеFIELD OF THE INVENTION
Может применяться в формирователях электрических импульсов для электротехнологий различного назначения, использующих разряд емкостного накопителя энергии. Например, в медицинских приборах, в импульсных генераторах для плазменных и электрохимических технологий, в электротехнических установках, в измерительном и испытательном оборудовании, в генераторах излучений, в электроприводе. Изобретение полезно при воздействии на технологические нагрузки с нелинейным эффектом, когда более желательно воздействие с оптимальным распределением энергии.It can be used in electric pulse shapers for electrical technologies for various purposes, using the discharge of a capacitive energy storage device. For example, in medical devices, in pulse generators for plasma and electrochemical technologies, in electrical installations, in measuring and testing equipment, in radiation generators, in an electric drive. The invention is useful when exposed to technological loads with a non-linear effect, when an exposure with an optimal energy distribution is more desirable.
Уровень техникиState of the art
Известен высоковольтный импульсный модулятор, формирующий разряд емкостного накопителя энергии на технологическую нагрузку (Патент РФ на полезную модель 69685 от 27.12.2007, ВЫСОКОВОЛЬТНЫЙ ИМПУЛЬСНЫЙ МОДУЛЯТОР). Высоковольтные транзисторы соединяют в высоковольтный столб и шунтируют импульсными диодными ограничителями напряжения. Высоковольтный столб из двенадцати ячеек (n=12) с транзисторами IRFPG50 проверялся на напряжении 9000 В. Недостатки импульсного модулятора: форма формируемого импульса полностью зависит от спада напряжения емкостного накопителя энергии и параметров нагрузки; импульсный модулятор не может работать при напряжении питания, превышающем напряжение пробоя импульсных диодных ограничителей.A high-voltage pulse modulator is known which forms a discharge of a capacitive energy storage device for a process load (RF Patent for utility model 69685 dated 12/27/2007, HIGH VOLTAGE PULSE MODULATOR). High-voltage transistors are connected to a high-voltage pole and shunt by pulse diode voltage limiters. A high-voltage pole of twelve cells (n = 12) with IRFPG50 transistors was tested at a voltage of 9000 V. Disadvantages of a pulse modulator: the shape of the generated pulse depends entirely on the voltage drop of the capacitive energy storage device and load parameters; a pulse modulator cannot operate at a supply voltage exceeding the breakdown voltage of pulse diode limiters.
Известен генератор АНР-3122, представляющий собой источник сигналов произвольной формы, задаваемых пользователем с помощью математических выражений, по шаблону либо графически. Максимальный размах выходного напряжения прибора не более ±10 В на нагрузке 50 Ом. Прибор зарегистрирован в Государственном реестре средств измерений № 27123-04. Недостаток прибора - отсутствие контроля над формируемым сигналом и низкая мощность источника сигнала произвольной формы.Known generator ANP-3122, which is a source of arbitrary waveforms, set by the user using mathematical expressions, by template or graphically. The maximum range of the output voltage of the device is not more than ± 10 V at a load of 50 ohms. The device is registered in the State register of measuring instruments No. 27123-04. The disadvantage of this device is the lack of control over the generated signal and the low power of the arbitrary signal source.
Известен формирователь биполярных импульсов, у которого два ключа в плечах моста работают на высокой частоте, а два ключа работают на низкой частоте (комбинированная схема моста). Известен формирователь импульсов, у которого вместо моста используют два емкостных накопителя энергии и два ключа. Известен формирователь импульсов с использованием ячеек с делителем напряжения на конденсаторах емкостного накопителя энергии.A known bipolar pulse shaper, in which two keys in the shoulders of the bridge work at a high frequency, and two keys work at a low frequency (combined bridge circuit). A pulse shaper is known in which instead of a bridge two capacitive energy storage devices and two keys are used. Known pulse shaper using cells with a voltage divider on the capacitors of a capacitive energy storage.
EP 0813892 A2, 29.12.1997, DEFIBRILLATOR WITH WAVEFORM SELECTION CIRCUITRY.EP 0813892 A2, 12.29.1997, DEFIBRILLATOR WITH WAVEFORM SELECTION CIRCUITRY.
US Patent № 6,493,580 B1, 10.12.2002, IMPULSES OR A SERIES OF IMPULSES FOR DEFIBRILLATION AND DEVICE TO GENERATE THEM.US Patent No. 6,493,580 B1, 12/10/2002, IMPULSES OR A SERIES OF IMPULSES FOR DEFIBRILLATION AND DEVICE TO GENERATE THEM.
PCT/EP2003/012857, 17.11.2003, DEFIBRILLATOR WITH IMPROVED OUTPUT STAGE.PCT / EP2003 / 012857, 11/17/2003, DEFIBRILLATOR WITH IMPROVED OUTPUT STAGE.
Патент РФ 2345475 от 27.01.2009, УСТРОЙСТВО ФОРМИРОВАНИЯ БИПОЛЯРНОГО И МНОГОФАЗНОГО СИГНАЛОВ.RF patent 2345475 dated 01/27/2009, DEVICE FOR FORMING BIPOLAR AND MULTI-PHASE SIGNALS.
Применение двух или более изолированных преобразователей вызывает усложнение и удорожание формирователя импульсов.The use of two or more isolated converters causes the complication and cost of the pulse shaper.
Известно описание устройства, синтезирующего выходной сигнал малой длительности, который порождается рядом генераторов коротких импульсов. Формируемые импульсы настраиваются по амплитуде, длительности, ширине и полярности. US Patent 7,545,304 B1, 09.06.2009, DISTRIBUTED ARBITRARY WAVEFORM GENERATOR. Недостаток - требуется большое количество ключей с контурами управления.The description of a device synthesizing an output signal of short duration, which is generated by a number of short pulse generators, is known. The generated pulses are adjustable in amplitude, duration, width and polarity. US Patent 7,545,304 B1, 06/09/2009, DISTRIBUTED ARBITRARY WAVEFORM GENERATOR. The disadvantage is that a large number of keys with control loops are required.
Известно описание формирователя импульсов большой мощности с применением нескольких ячеек преобразователей понижающего типа, работающих в режиме импульсной модуляции с разделением напряжения на конденсаторной батарее емкостного накопителя энергии. Четыре ключа НЧ-коммутатора используются для переключения полярности импульсов и два ключа для разрыва высоковольтной цепи (См. фиг.2, US Patent № 6,546,287 B1, 08.04.2003, CONTROLLED-POWER DEFIBRILLATOR AND METHOD OF DEFIBRILLATION). Применение нескольких последовательных ячеек преобразователей обусловлено технологическими ограничениями, накладываемыми на максимально допустимое обратное напряжение транзисторов массовых серий выпуска, преимущественно до 1200 В. Недостатки - требуются дополнительные ключи с контурами управления и увеличенные габариты емкостных и индуктивных накопителей энергии.A description is known of a high-power pulse shaper using several cells of step-down converters operating in the pulsed modulation mode with voltage separation across the capacitor bank of a capacitive energy storage device. Four keys of the LF switch are used to switch the polarity of the pulses and two keys to break the high voltage circuit (See FIG. 2, US Patent No. 6,546,287 B1, 04/08/2003, CONTROLLED-POWER DEFIBRILLATOR AND METHOD OF DEFIBRILLATION). The use of several successive converter cells is due to technological limitations imposed on the maximum permissible reverse voltage of mass-produced transistors, mainly up to 1200 V. Disadvantages - additional keys with control loops and increased dimensions of capacitive and inductive energy storage devices are required.
Наиболее близким по технической сущности и достигаемому положительному эффекту и принятым за прототип является формирователь импульсов с управляемой энергией, содержащий преобразователь понижающего типа (См. фиг.7, US Patent № 7,200,434, 03.04.2007, CONTROL OF ARBITRARY WAVEFORMS FOR CONSTANT DELIVERED ENERGY). Используют высокоскоростную коммутацию (до 500 кГц) для формирования импульсов управляемой формы до 3 кВт и напряжения на нагрузке до 1000 В. Форма импульсов контролируется импульсным модулятором с контуром обратной связи по напряжению в нагрузке. Используют четыре полностью управляемых ключа в низкочастотном коммутаторе для переключения направления тока в технологической нагрузке. Недостаток - низкая энергия импульсов.The closest in technical essence and the achieved positive effect and adopted as a prototype is a controlled-energy pulse shaper containing a down-converter (See Fig. 7, US Patent No. 7,200,434, 04/03/2007, CONTROL OF ARBITRARY WAVEFORMS FOR CONSTANT DELIVERED ENERGY). High-speed switching (up to 500 kHz) is used to generate controlled-mode pulses of up to 3 kW and voltage at a load of up to 1000 V. The shape of the pulses is controlled by a pulse modulator with a feedback loop on the voltage in the load. Use four fully controllable keys in the low-frequency switch to switch the current direction in the process load. The disadvantage is the low energy of the pulses.
Использование разделения напряжения емкостного накопителя энергии, применение нескольких преобразователей в различных схемах их соединения не решают проблемы генерации импульсных тепловых потерь переключения в высокочастотных ключах и мощных перенапряжений на их выводах.The use of voltage separation of a capacitive energy storage device, the use of several converters in various schemes for their connection do not solve the problem of generating pulsed thermal switching losses in high-frequency switches and powerful overvoltages at their terminals.
Раскрытие изобретенияDisclosure of invention
Изобретение направлено на увеличение энергии формируемых импульсов, повышение точности и расширение диапазона регулирования их параметров, уменьшение габаритов, увеличение надежности формирователя.The invention is aimed at increasing the energy of the generated pulses, increasing accuracy and expanding the range of regulation of their parameters, reducing the size, increasing the reliability of the driver.
Технический результат достигают за счет того, что преобразователь формирователя импульсов содержит один или несколько последовательно соединенных ВЧ-ключей, образующих секции высокочастотного столба (ВЧ-столба) с постоянной обратной проводимостью.The technical result is achieved due to the fact that the converter of the pulse shaper contains one or more series-connected high-frequency keys, forming sections of a high-frequency column (high-frequency column) with constant reverse conductivity.
Управление ВЧ-ключом (секциями ВЧ-столба) обеспечивают от гальванически изолированного импульсного модулятора через изоляторы логических сигналов посредством высокочастотных драйверов. Импульсный модулятор регулирует переключения ВЧ-ключа (секций ВЧ-столба) на высокой частоте и содержит, по меньшей мере, контур обратной связи по току в цепи технологической нагрузки с возможностью продолжения работы преобразователя в режиме короткого замыкания в цепи технологической нагрузки.Management of the RF key (sections of the RF column) is provided from a galvanically isolated pulse modulator through isolators of logical signals through high-frequency drivers. The pulse modulator controls the switching of the RF key (sections of the RF column) at a high frequency and contains at least a current feedback loop in the process load circuit with the possibility of continuing the operation of the converter in a short circuit mode in the process load circuit.
Параллельно ВЧ-ключу или каждой секции ВЧ-столба установлена защитная цепь со свойствами ограничителя напряжения таким образом, что обеспечивается ограничение напряжения на ВЧ-ключе (секциях ВЧ-столба) на уровне, который не превышает максимального напряжения, при котором ВЧ-ключ или секции ВЧ-столба сохраняют блокирующую способность.A protective circuit with the properties of a voltage limiter is installed in parallel with the HF key or each section of the HF column so that the voltage on the HF key (sections of the HF column) is limited to a level that does not exceed the maximum voltage at which the HF key or sections The HF pillar retains its blocking ability.
В цепи формируемого импульса тока установлен, как минимум, один низкочастотный ключ (НЧ-ключ) с контуром управления. НЧ-ключ сохраняет блокирующие свойства при напряжении, превышающем максимально допустимое напряжение заряда емкостного накопителя энергии.At least one low-frequency switch (low-frequency switch) with a control circuit is installed in the circuit of the generated current pulse. The low-frequency key retains blocking properties at a voltage exceeding the maximum allowable charge voltage of a capacitive energy storage device.
НЧ-ключ включают только на время фазы формирования тока и одновременно начинают высокочастотное переключение ВЧ-ключа (ВЧ-столба). При включении ВЧ-ключа (ВЧ-столба) ограничивают ток его включения посредством индуктивного накопителя энергии. При его выключении по мере спада тока разряда и роста напряжения на ВЧ-ключе (секциях ВЧ-столба) обеспечивают режим автоматического перехода выключаемого тока в защитную цепь. Отключают НЧ-ключ и прерывают действие нерегулируемого тока защитной цепи в технологической нагрузке после стационарного выключения ВЧ-ключа (ВЧ-столба) и завершения фазы формирования импульса.The low-frequency key is turned on only for the duration of the current generation phase and at the same time the high-frequency switching of the high-frequency key (high-frequency column) begins. When you turn on the RF key (RF column), the current of its inclusion is limited by means of an inductive energy storage device. When it is turned off, as the discharge current decreases and the voltage on the HF key (sections of the HF column) increases, the mode of automatic switching of the switched-off current into the protective circuit is provided. The LF key is turned off and the uncontrolled current of the protective circuit is interrupted in the process load after the HF key (HF column) is stationary turned off and the pulse formation phase is completed.
Формирование тока обеспечивают через мостовой переключатель полярности (мост) с четырьмя НЧ-ключами, образующими плечи моста. Между плечами моста установлена технологическая нагрузка.The current is generated through a bridge polarity switch (bridge) with four low-frequency switches forming the shoulders of the bridge. A technological load is installed between the shoulders of the bridge.
Мост выполнен на основе однооперационных триодных тиристоров (ОТТ). В цепи действия формируемого тока устанавливают дополнительный НЧ-ключ. Нерегулируемый ток отключают или резко уменьшают дополнительным НЧ-ключом.The bridge is based on single-operation triode thyristors (OTTs). An additional low-frequency switch is installed in the action circuit of the generated current. Unregulated current is disconnected or sharply reduced by an additional low-frequency switch.
Импульсный модулятор гальванически изолирован, кроме участка подключения его измерительных цепей к датчику тока.The pulse modulator is galvanically isolated, except for the connection area of its measuring circuits to the current sensor.
Для формирования импульсов используют: два или более преобразователей с НЧ-ключами; комбинированную мостовую схему, содержащую, как минимум, один преобразователь и НЧ-ключи; преобразователи с НЧ-ключами при разряде раздельных и/или общих емкостных накопителей энергии, одновременно или в разных фазах.To generate pulses using: two or more converters with low-frequency keys; a combined bridge circuit containing at least one converter and low-frequency keys; converters with low-frequency switches when discharging separate and / or common capacitive energy storage devices, simultaneously or in different phases.
Описание чертежейDescription of drawings
На фиг.1 изображена схема формирователя импульсов энергии.Figure 1 shows a diagram of a pulse shaper of energy.
На фиг.2 изображена схема трехфазного двухсекционного столба.Figure 2 shows a diagram of a three-phase two-section column.
На фиг.3 изображены импульсы тока разряда и тока обратного диода.Figure 3 shows the pulses of the discharge current and the current of the reverse diode.
На фиг.4 изображена схема формирователя импульсов энергии с мостом.Figure 4 shows a diagram of an energy pulse shaper with a bridge.
На фиг.5 изображена схема с двумя формирователями импульсов энергии.Figure 5 shows a diagram with two shapers of energy pulses.
На фиг.6 изображена схема с мостом на ОТТ и дополнительным НЧ-ключом.Figure 6 shows a diagram with a bridge on the OTT and an additional low-frequency key.
На фиг.7 изображен сформированный импульс с мощностью 40 кВт.Figure 7 shows the generated pulse with a power of 40 kW.
На фиг.8 приведены примеры распределения энергии.Fig. 8 shows examples of energy distribution.
Осуществление изобретенияThe implementation of the invention
Пример 1. В схеме фиг.1 формирователь импульсов энергии регулируемой формы содержит источник высокого напряжения 1 с максимальным напряжением Uc_макс, параллельно которому подключен емкостной накопитель энергии 2 с емкостью Сн. Преобразователь 3 (реализован по схеме понижающего импульсного преобразователя) содержит два последовательно включенных ВЧ-ключа 4 с постоянной обратной проводимостью. Положительный потенциал источника высокого напряжения 1 (точка A) подключен к положительному выводу первого ВЧ-ключа 4. К выводам каждого ВЧ-ключа 4 подключена защитная цепь со свойствами ограничителя напряжения 5. Отрицательный вывод второго ВЧ-ключа 4 подключен к точке соединения катода обратного диода 6 и первого вывода индуктивного накопителя энергии 7 (точка B) с индуктивностью Lн. Анод обратного диода 6 подключен к точке отрицательного потенциала источника высокого напряжения 1 (точка G). Между вторым выводом индуктивного накопителя энергии 7 (точка C) и верхним выводом внешней технологической нагрузки 9 (точка D) установлен низкочастотный ключ 8 (НЧ-ключ). Нижний вывод технологической нагрузки 9 (точка Е) подключен через датчик тока 10 к точке отрицательного потенциала источника высокого напряжения 1 (точка G). К управляющим входам ВЧ-ключей 4 подключены ВЧ-драйверы 11, работающие под управлением логических сигналов импульсного модулятора 12 (драйверы формируют траектории переключения ВЧ-ключей). Изоляторы сигналов управления 13 изолируют потенциалы ВЧ-драйверов 11 и импульсного модулятора 12, обеспечивая прохождение логических сигналов с минимальной задержкой.Example 1. In the circuit of FIG. 1, an adjustable-form energy pulse generator comprises a
К импульсному модулятору 12 подключен формирователь опорного сигнала 14, который содержит задатчик формы опорного сигнала и задатчик масштаба опорного сигнала (на фиг.1 не показаны). Импульсный модулятор 12 содержит формирователь сигнала рассогласования, формирователь частоты и длительности импульсов управления ВЧ-ключами 4 (на фиг.1 не показаны). Импульсный модулятор 12 обеспечивает режим управления методами широтно-импульсной модуляции или частотно-импульсной модуляции. При формировании импульсов управления импульсным модулятором 12 возможен учет и иных параметров технологического процесса. Дополнительные контуры обратной связи и цепи контроллера для упрощения схемы на фиг.1 не показаны. Емкостной накопитель энергии 2 реализован в виде конденсаторной батареи. Индуктивный накопитель энергии 7 реализован в виде линейного дросселя. Линейный дроссель 7 сглаживает пульсации тока за счет накопления энергии, поддерживает ток в периоды его прерывания и является одновременно элементом низкочастотного RL-фильтра с индуктивностью, например, от 1 до 10 мГн и активным сопротивлением линейного дросселя до 5 Ом.The
НЧ-ключ 8 обеспечивает прекращение действия тока в технологической нагрузке 9 и реализуется на приборах, способных коммутировать максимальное напряжение заряда Uc_макс, причем Uблок_нч>Uc_макс, где Uблок_нч - напряжение, при котором НЧ-ключ 8 сохраняет блокирующую способность.The low-
Обратный диод 6 должен иметь малое время обратного восстановления, а его блокирующая способность должна сохраняться при напряжении, превышающем Uc_макс.
Для увеличения предельной частоты переключения в преобразователе 3 (см. фиг.1) ВЧ-ключи 4 допускают реализацию в параллельном включении. На фиг.2 показан пример соединения ВЧ-ключей 4 в трехфазный высокочастотный столб, содержащий две секции. Последовательно включенные ВЧ-ключи 4 переключаются синхронно. Параллельно включенные ВЧ-ключи 4 переключаются в разных фазах.To increase the limit switching frequency in the converter 3 (see Fig. 1), the RF switches 4 can be implemented in parallel. Figure 2 shows an example of the connection of the
В качестве ВЧ-ключей 4 используют биполярные транзисторы с изолированным затвором (БТИЗ), мощные полевые транзисторы или другие полностью управляемые полупроводниковые ключи. Блокирующая способность ВЧ-ключей 4 определяется максимально допустимым напряжением Uблок_вч.As the
При работе ВЧ-ключей 4 на высокой частоте формируются мощные выбросы перенапряжения с крутыми фронтами, ограничивающие использование ВЧ-ключей на высоком напряжении. При возникновении импульса перенапряжения защитная цепь 5 резко уменьшает свое динамическое сопротивление Rd=f(Uогр) и шунтирует ВЧ-ключ 4, рассеивая поглощенную энергию в виде тепла, ограничивая напряжение на уровнеWhen the
Uогр≤Uблок_вч,Uogr≤Uvch_vch block,
где Uогр - напряжение ограничения при токе разряда Iразр_огр через защитную цепь.where Uogr is the limiting voltage at the discharge current Irazr_ogr through the protective circuit.
В качестве ограничителя напряжения для защитной цепи 5 используют диодные ограничители напряжения, варисторы или комбинацию цепей, работающих на различных физических эффектах. Комбинация защитных цепей обеспечивает заданное напряжение ограничения, максимальный ток ограничения, максимальную энергию, время срабатывания, проходную емкость. Известные технические решения позволяют обеспечить защиту ВЧ-ключей 4 в схеме фиг.1, но с недостаточным использованием ВЧ-ключей по напряжению. Ограничители напряжения с резким переходом от состояния блокирования тока к состоянию низкого динамического сопротивления Rd=f(Uогр) пока не созданы, а и их применение в схеме фиг.1 не решило бы проблемы выделения огромной активной пиковой мощности при высокочастотных переключениях ВЧ-ключа на предельных напряжениях. Особенность применения защитной цепи 5 в схеме фиг.1 заключается в том, что она срабатывает на участках низкого динамического сопротивления при приложении к ВЧ-ключам 4 относительно низкого напряжения. Между максимальным напряжением Uc_макс, напряжением Uблок_вч_i секции ВЧ-столба, напряжением ограничения Uогр_i секции защитной цепи 5 выполняют соотношения:As a voltage limiter for the
иand
где n - число секций ВЧ-столба.where n is the number of sections of the HF column.
Значение коэффициента kзап может составлять от 1 до 1,2. Допускают напряжение заряда емкостного накопителя, превышающего максимально допустимое напряжение ВЧ-ключа (ВЧ-столба), то есть при kзап<1, но при условии, что защитная цепь 5 строго обеспечивает для каждой секции ВЧ-столба соотношение Uогр≤Uблок_вч.The value of the coefficient kzap can be from 1 to 1.2. The charge voltage of the capacitive storage device is allowed to exceed the maximum permissible voltage of the RF key (RF column), i.e., when kap <1, but provided that the
При замыкании точек C и F (фиг.1) ток Iразр_огр протекает через защитную цепь 5 при заряде емкостного накопителя энергии 2 и выделении нежелательной тепловой энергии в защитной цепи 5, способной ее повредить. Чтобы избежать нежелательного тока разряда, предусматривается, что НЧ-ключ 8 включается только в фазе формирования регулируемого импульса тока.When the points C and F are closed (Fig. 1), the current Irazr_gr flows through the
С началом разряда энергии при высоком напряжении заряда емкостного накопителя энергии 2 обеспечивают режим пассивного высокочастотного переключения ВЧ-ключей 4. Рост их тока включения ограничен последовательно включенным линейным дросселем 7. При их выключении защитная цепь 5 принимает часть прерываемого тока разряда Iразр_вч. Другими словами, режим пассивного переключения ВЧ-ключей 4 обеспечивает снижение доли изменения энергии в коммутируемом контуре при фазах включения и выключения ВЧ-ключей. Потери переключения в ВЧ-ключах 4 уменьшаются при их включении или выключении при действии тока защитной цепи 5. Например, в ситуации, когда защитная цепь 5 обеспечивает протекание непрерывного тока разряда, по меньшей мере, при низком сопротивлении технологической нагрузки и максимальном напряжении заряда Uc_макс емкостного накопителя энергии 2. На фиг.3 приведены импульсы тока Iразр_вч через ВЧ-ключ 4 и Iразр_огр через защитную цепь 5 и импульсы тока Iобр через обратный диод 6 (при Uc=2200 В и коротком замыкании между точками D и E). При увеличении напряжения Uc растет ток Iразр_огр через защитную цепь 5 и существенно уменьшается число переключений ВЧ-ключа 4 с генерацией тепловой энергии в защитной цепи 5. Защитная цепь 5 выполняет динамическое симметрирование напряжения на ВЧ-ключах 4 при несинхронном переключении последовательно включенных ВЧ-ключей 4. Максимальная мощность защитной цепи 5 не должна превышаться при коротком замыкании между точками D и E.With the beginning of the discharge of energy at a high charge voltage of the capacitive
Использование обратной связи по току способно обеспечить безопасную работу ВЧ-ключа 4 и НЧ-ключа 8 при коротком замыкании в цепи формируемого тока и уменьшить число переключений ВЧ-ключа 4 при действии тока защитной цепи 5. Для этого время задержки выключения tзад ВЧ-ключа 4 при превышении задаваемого импульсным модулятором желаемого значения тока устанавливают:The use of current feedback is able to ensure the safe operation of the
где Rx=Uc_макс/Iразр_макс - характеристическое сопротивление;where Rx = Uc_max / Irazr_max - characteristic resistance;
Iразр_макс - максимально допустимый ток разряда.Irazr_max - maximum permissible discharge current.
При этом избыточная энергия накопителя энергии преобразуется в тепловую энергию, которую генерирует и рассеивает защитная цепь.In this case, the excess energy of the energy storage is converted into thermal energy, which is generated and dissipated by the protective circuit.
Импульсный модулятор 12 гальванически изолируют от цепей формирователя, кроме участка подключения к датчику тока, что позволяет не применять оптоэлектронные изоляторы аналоговых сигналов и уменьшить время задержки tзад управления ВЧ-ключом.The
Формируемое распределение энергии в импульсе может быть как предопределенным, так и адаптируемым к технологической нагрузке. Для формирования импульса в технологической нагрузке 9 предварительно заряжают от источника высокого напряжения 1 емкостной накопитель 2 до напряжения Uc. Заниженное напряжение на емкостном накопителе энергии 2 не позволяет получить требуемое распределение энергии в формируемом импульсе. В этой ситуации импульсный модулятор 12 управляет ВЧ-ключом 4 с минимальной скважностью импульсов управления. Перед формированием импульса желательно измерить сопротивление технологической нагрузки 9 для определения оптимального напряжения заряда емкостного накопителя энергии 2. Включают импульсный модулятор 12 и НЧ-ключ 8. Формируют опорный сигнал в формирователе 14 аналоговым и/или цифровым способом. При этом начинают отсчет длительности формируемого импульса, а импульсный модулятор 12 обеспечивает регулирование времени открытого и/или закрытого состояния ВЧ-ключа 4 в контуре обратной связи по току. После завершения отсчета длительности отключают импульсный модулятор 12. Переключения ВЧ-ключа 4 прерывают. НЧ-ключом 8 разрывают цепь нерегулируемого тока. НЧ-ключ 8 устанавливают в стационарно закрытое состояние.The generated energy distribution in the pulse can be either predetermined or adaptable to the technological load. To form a pulse in the
Пример 2. На фиг.4 приведен пример функциональной схемы формирователя биполярных импульсов с регулируемой формой. Между точками C и F установлены верхний (Z) и нижний (S) выводы моста 15. Четыре НЧ-ключа 8 образуют плечи моста 15. Между плечами моста 15 (точки X и Y) установлена технологическая нагрузка 9. При переключении НЧ-ключей 8 обеспечивают: изменение направление тока формируемого импульса; разрыв цепи тока; шунтирование технологической нагрузки 9 плечами моста 15. Параллельно технологической нагрузке 9 в точках X и Y установлен конденсатор 16 НЧ-фильтра.Example 2. Figure 4 shows an example of a functional diagram of a bipolar pulse shaper with an adjustable shape. Between points C and F, the upper (Z) and lower (S) terminals of the
Пример 3. Возможно воплощение изобретения в схемах, содержащих несколько формирователей импульсов. В схеме фиг.5 используют раздельные формирователи положительной и отрицательной полярности с работой в разных фазах, что дает возможность формирования биполярного регулируемого импульса. Смену направления тока на технологической нагрузке 9 обеспечивают при соответствующем переключении с одного преобразователя 3 и НЧ-ключа 8 на другой преобразователь 3 и НЧ-ключ 8.Example 3. Perhaps the embodiment of the invention in circuits containing several pulse shapers. In the circuit of Fig. 5, separate shapers of positive and negative polarity are used with operation in different phases, which makes it possible to form a bipolar controlled pulse. A change in the direction of the current at the
Пример 4. На фиг.6 приведен пример схемы формирователя биполярных импульсов регулируемой формы с мостом 15, содержащим НЧ-ключи 8 на основе ОТТ, и дополнительным низкочастотным ключом 17 с постоянной обратной проводимостью. НЧ-ключ 17 установлен между линейным дросселем 7 (в точке С) и верхней точкой тиристорного моста 15 (в точке Z). ВЧ-ключи 4 включают при предварительном включении НЧ-ключа 17. Отключают НЧ-ключ 17 после выключения ВЧ-ключей 4. Параллельно НЧ-ключу 17 установлена защитная цепь 5. Между точками F и G установлен датчик тока 10. Между точками F и Z установлен датчик напряжения 18.Example 4. Figure 6 shows an example of a controlled-shape bipolar pulse shaper circuit with a
В устройство управления 19 поступает информация о напряжении заряда емкостного накопителя 2 с датчика тока 10 и с датчика напряжения 18. Устройство управления 19 обеспечивает регулировку заряда емкостного накопителя энергии 2 и управляет работой ВЧ-ключей 4, НЧ-ключом 17, НЧ-ключами 8. На фиг.7 изображен импульс разряда емкостного накопителя энергии 2 с импульсной мощностью 40 кВт.The
Для формирования импульса энергии регулируемой формы, например положительной полярности, включают НЧ-ключ 17, далее включают ВЧ-ключи 4 и НЧ-ключи 8 (ОТТ VS1 и VS4). Для завершения формирования импульса переводят ВЧ-ключи 4 в стационарно закрытое состояние и закрывают НЧ-ключ 17. При этом цепь тока разряда Iразр обрывается. Энергия, накопленная в линейном дросселе 7, вызывает протекание тока отрицательного направления через диоды ВЧ-ключей 4, емкостной накопитель энергии 2 и запираемые ОТТ VS1 и VS4, замыкая цепь через диод НЧ-ключа 17.To generate a pulse of energy of an adjustable shape, for example, positive polarity, turn on the low-
Пример 5. При расчете основных элементов преобразователя 3 (схемы фиг.1, фиг.4, фиг.5, фиг.6 или другие воплощения изобретения) учитывают формы желаемого распределения энергии.Example 5. When calculating the basic elements of the transducer 3 (circuit of FIG. 1, FIG. 4, FIG. 5, FIG. 6 or other embodiments of the invention), the forms of the desired energy distribution are taken into account.
На фиг.8 приведены примеры распределения энергии в импульсах регулируемой формы, которые возможно реализовать с помощью изобретения.On Fig shows examples of the distribution of energy in pulses of an adjustable shape, which can be implemented using the invention.
Фигура 20 - нарастание энергии с некоторого начального уровня с участками нулевой энергии.Figure 20 - increase in energy from a certain initial level with areas of zero energy.
Фигура 21 - равномерное распределение энергии.Figure 21 - uniform distribution of energy.
Фигура 22 - распределение энергии с заданной скоростью нарастания.Figure 22 - energy distribution with a given slew rate.
Фигура 23 - последовательность импульсов нарастающей амплитуды синусоидальной формы.Figure 23 is a sequence of pulses of increasing amplitude of a sinusoidal shape.
Фигура 24 - нарастание энергии до заданного уровня, ее стабилизация на этом уровне в течение заданного времени и переход на другой уровень стабилизации.Figure 24 - the growth of energy to a given level, its stabilization at this level for a given time and the transition to another level of stabilization.
Авторами изготовлены рабочие макеты формирователей импульсов дефибриллятора по схеме фиг.6. Получены следующие результаты:The authors made the working models of the pulse shapers of the defibrillator according to the scheme of Fig.6. The following results were obtained:
- формирование импульсов по форме опорного сигнала с плавным нарастанием тока до уровня 20 А на нагрузке 100 Ом (см. фиг.7);- the formation of pulses in the form of a reference signal with a smooth increase in current to a level of 20 A at a load of 100 Ohms (see Fig.7);
- проверена возможность реализации повторяющихся режимов короткого замыкания при максимальном напряжении 2400 В;- tested the possibility of implementing repetitive short circuit modes with a maximum voltage of 2400 V;
- достигнута стабилизация формируемого тока в диапазоне от 0,5 А до 30 А;- achieved stabilization of the generated current in the range from 0.5 A to 30 A;
- время установления стабилизации тока после скачкообразного уменьшения сопротивления нагрузки от 100 до 50 Ом составило не более 20 мкс;- the time to establish current stabilization after an abrupt decrease in load resistance from 100 to 50 Ohms was not more than 20 μs;
- максимальная погрешность задания энергии 260 Дж в технологической нагрузке при формировании биполярных импульсов на нагрузке 50 Ом при напряжении на емкостном накопителе энергии 2000 - 2400 В составила не более ±4% при проведении более 10000 разрядов.- the maximum error of setting the energy of 260 J in the technological load when bipolar pulses are generated at a load of 50 Ohms at a voltage on a capacitive energy storage device of 2000 - 2400 V was not more than ± 4% when carrying out more than 10,000 discharges.
Технический результат достигают за счет того, что обеспечивают возможность разряда энергии при высоких допустимых напряжениях высокочастотного ключа или высоковольтного столба на его основе. Такую возможность обеспечивают установкой защитной цепи со свойствами ограничителя напряжения в специальном режиме применения, введением низкочастотного ключа и быстродействующим режимом стабилизации тока формирователя импульсов. С ростом максимально допустимого напряжения заряда емкостного накопителя энергии появляется возможность увеличить энергию регулируемых импульсов, диапазон регулирования параметров импульса и/или снизить габариты емкостного накопителя энергии. Возможность увеличения рабочей частоты ВЧ-ключа при высоких напряжениях способствует точности задания формы регулируемого импульса. Излишне высокое напряжение заряда накопителя энергии приводит к быстрому преобразованию избыточной энергии в тепловую энергию, выделяемую в защитной цепи. При этом снижаются динамические потери при каждом переключении ВЧ-ключа и частота его переключений на критическом участке разряда. Энергия импульса может нарастать, спадать в один или несколько этапов, изменять направление, колебаться относительно заданных уровней не зависимо от изменения сопротивления нагрузки. Формируемое распределение энергии в импульсе может быть предопределенным или адаптируемым к технологической нагрузке.The technical result is achieved due to the fact that they provide the ability to discharge energy at high permissible voltages of the high-frequency switch or high-voltage column based on it. This opportunity is provided by installing a protective circuit with the properties of a voltage limiter in a special application mode, the introduction of a low-frequency switch and a high-speed mode of stabilization of the current of the pulse shaper. With an increase in the maximum allowable charge voltage of the capacitive energy storage device, it becomes possible to increase the energy of the regulated pulses, the range of regulation of the pulse parameters and / or reduce the dimensions of the capacitive energy storage. The ability to increase the working frequency of the RF key at high voltages contributes to the accuracy of setting the shape of the adjustable pulse. An excessively high charge voltage of the energy storage device leads to the rapid conversion of excess energy into thermal energy released in the protective circuit. At the same time, dynamic losses are reduced at each switching of the RF key and the frequency of its switching at the critical section of the discharge. The pulse energy can increase, decrease in one or several stages, change direction, fluctuate relative to predetermined levels regardless of changes in load resistance. The generated energy distribution in the pulse can be predetermined or adaptable to the technological load.
Таким образом, цель - увеличение энергии импульсов, повышение точности и расширение диапазона регулирования параметров, уменьшение габаритов, а также увеличение надежности - достигнута.Thus, the goal - increasing the energy of pulses, increasing accuracy and expanding the range of regulation of parameters, reducing dimensions, as well as increasing reliability - has been achieved.
Claims (6)
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU2009130331/09A RU2398347C1 (en) | 2009-08-06 | 2009-08-06 | Shaper of energy pulses with controlled shape |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU2009130331/09A RU2398347C1 (en) | 2009-08-06 | 2009-08-06 | Shaper of energy pulses with controlled shape |
Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
RU2398347C1 true RU2398347C1 (en) | 2010-08-27 |
Family
ID=42798909
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
RU2009130331/09A RU2398347C1 (en) | 2009-08-06 | 2009-08-06 | Shaper of energy pulses with controlled shape |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
RU (1) | RU2398347C1 (en) |
Cited By (5)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
RU2494527C2 (en) * | 2011-11-15 | 2013-09-27 | Федеральное государственное военное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Военный авиационный инженерный университет" (г. Воронеж) Министерства обороны Российской Федерации | Method to generate high-frequency signals and device for its realisation |
RU2497274C1 (en) * | 2012-02-28 | 2013-10-27 | Евгений Эдуардович Горохов-Мирошников | Shaper of energy pulses using metal oxide voltage-variable resistors |
RU2510774C1 (en) * | 2012-10-04 | 2014-04-10 | Евгений Эдуардович Горохов-Мирошников | High-voltage switch with dynamic limitation of energy |
RU2595614C1 (en) * | 2015-07-23 | 2016-08-27 | Федеральное государственное бюджетное научное учреждение "Всероссийский научно-исследовательский институт гидротехники и мелиорации имени А.Н. Костякова" (ФГБНУ "ВНИИГиМ им. А.Н. Костякова") | Variable amplitude pulse generator |
RU2647700C1 (en) * | 2017-03-09 | 2018-03-16 | Акционерное общество "Московский ордена Трудового Красного Знамени научно-исследовательский радиотехнический институт" (АО "МНИРТИ") | Variable amplitude pulse generator |
-
2009
- 2009-08-06 RU RU2009130331/09A patent/RU2398347C1/en not_active IP Right Cessation
Cited By (5)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
RU2494527C2 (en) * | 2011-11-15 | 2013-09-27 | Федеральное государственное военное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Военный авиационный инженерный университет" (г. Воронеж) Министерства обороны Российской Федерации | Method to generate high-frequency signals and device for its realisation |
RU2497274C1 (en) * | 2012-02-28 | 2013-10-27 | Евгений Эдуардович Горохов-Мирошников | Shaper of energy pulses using metal oxide voltage-variable resistors |
RU2510774C1 (en) * | 2012-10-04 | 2014-04-10 | Евгений Эдуардович Горохов-Мирошников | High-voltage switch with dynamic limitation of energy |
RU2595614C1 (en) * | 2015-07-23 | 2016-08-27 | Федеральное государственное бюджетное научное учреждение "Всероссийский научно-исследовательский институт гидротехники и мелиорации имени А.Н. Костякова" (ФГБНУ "ВНИИГиМ им. А.Н. Костякова") | Variable amplitude pulse generator |
RU2647700C1 (en) * | 2017-03-09 | 2018-03-16 | Акционерное общество "Московский ордена Трудового Красного Знамени научно-исследовательский радиотехнический институт" (АО "МНИРТИ") | Variable amplitude pulse generator |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
US10224920B2 (en) | Soft shutdown modular circuitry for power semiconductor switches | |
US20200043702A1 (en) | High voltage resistive output stage circuit | |
US9774246B2 (en) | Three-phase current source rectifier for power supplies | |
RU2398347C1 (en) | Shaper of energy pulses with controlled shape | |
US9479079B2 (en) | Control method for inverter device, and inverter device | |
Rezanejad et al. | Modular switched capacitor voltage multiplier topology for pulsed power supply | |
CN103105554A (en) | Test circuit and method of two-electrical-level converter switching performance based on double pulses | |
CN112640280B (en) | Multiphase multistage converter with control device and passive frequency filter and method for controlling multiphase multistage device converter | |
CN113396540B (en) | Switching device for switching off a current path | |
Lee et al. | Voltage balancing control with active gate driver for series connected SiC MOSFETs | |
US11437927B2 (en) | Voltage source converter generating a pulse train using two voltage levels | |
Voss et al. | Control techniques of the auxiliary-resonant commutated pole in the dual-active bridge | |
US20180367134A1 (en) | Voltage balancing of voltage source converters | |
US9503082B2 (en) | Current switching device with IGCT | |
Yu et al. | A novel boost Marx pulse generator based on single-driver series-connected SiC MOSFETs | |
Sack et al. | Design of a semiconductor-based bipolar Marx generator | |
US20140111284A1 (en) | Compensation schemes for the voltage droop of solid-state marx modulators | |
Yue et al. | A Review of Voltage Sharing Control Methods for Series-connected IGBTs for Applications in Pulsed Power Generation | |
Li et al. | Optimal algorithm design based on a digitalized active voltage gate driver for IGBT turn-on transition | |
Baek et al. | High voltage pulse generator using boost converter array | |
Huisman et al. | Optimal trajectory control of a CLCC resonant power converter | |
US6359420B1 (en) | Circuit for coupling energy to a pulse forming network or capacitor | |
Ding et al. | Magnetic-Coupled and Low-Cost Gate Driver for Series-Connected SiC MOSFETs | |
CN108429547A (en) | A kind of device generating negative high voltage pulse | |
Zajc et al. | Expanding the power pulse duration range for electroporation |
Legal Events
Date | Code | Title | Description |
---|---|---|---|
MM4A | The patent is invalid due to non-payment of fees |
Effective date: 20180807 |