RU2497274C1 - Shaper of energy pulses using metal oxide voltage-variable resistors - Google Patents
Shaper of energy pulses using metal oxide voltage-variable resistors Download PDFInfo
- Publication number
- RU2497274C1 RU2497274C1 RU2012107374/07A RU2012107374A RU2497274C1 RU 2497274 C1 RU2497274 C1 RU 2497274C1 RU 2012107374/07 A RU2012107374/07 A RU 2012107374/07A RU 2012107374 A RU2012107374 A RU 2012107374A RU 2497274 C1 RU2497274 C1 RU 2497274C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- current
- key
- energy
- mob
- load
- Prior art date
Links
Images
Classifications
-
- Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
- Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
- Y02B—CLIMATE CHANGE MITIGATION TECHNOLOGIES RELATED TO BUILDINGS, e.g. HOUSING, HOUSE APPLIANCES OR RELATED END-USER APPLICATIONS
- Y02B70/00—Technologies for an efficient end-user side electric power management and consumption
- Y02B70/10—Technologies improving the efficiency by using switched-mode power supplies [SMPS], i.e. efficient power electronics conversion e.g. power factor correction or reduction of losses in power supplies or efficient standby modes
Landscapes
- Keying Circuit Devices (AREA)
- Emergency Protection Circuit Devices (AREA)
- Electronic Switches (AREA)
Abstract
Description
Область техники, к которой относится изобретениеFIELD OF THE INVENTION
Изобретение касается формирования импульсов электрической энергии. Прежде всего, оно предназначается для использования в высоковольтных импульсных формирователях энергии внешних дефибрилляторов. Кроме того, оно может применяться в устройствах, которые используют включение, отключение или ограничение электрической энергии, например, в адаптируемых к текущему электрическому режиму цепях искусственной коммутации тока и высоковольтных модуляторах.The invention relates to the formation of pulses of electrical energy. First of all, it is intended for use in high-voltage pulse power conditioners of external defibrillators. In addition, it can be used in devices that use the inclusion, shutdown or limitation of electrical energy, for example, adaptable to the current electric mode artificial current switching circuits and high-voltage modulators.
Уровень техникиState of the art
Для защиты ключей от перегрузок используют защитные цепи, которые состоят из активных и/или реактивных элементов. Введение в цепь ключа постоянного активного сопротивления вызывает дополнительные потери энергии. Введение реактивных цепей защиты вызывает переходные перенапряжения, которые искажают параметры импульса энергии.To protect the keys from overload, protective circuits are used, which consist of active and / or reactive elements. The introduction of constant active resistance into the key circuit causes additional energy losses. The introduction of reactive protection circuits causes transient overvoltages that distort the parameters of the energy pulse.
Для снижения потерь переключения и повышения надежности высоковольтные ключи переключают с высокой скоростью, но быстрое переключение создает нежелательные электромагнитные излучения и вызывает проблемы электромагнитной совместимости аналоговых и цифровых устройств, которые окружают нас повсеместно.To reduce switching losses and increase reliability, high-voltage switches switch at high speed, but fast switching creates unwanted electromagnetic radiation and causes electromagnetic compatibility problems for analog and digital devices that surround us everywhere.
Желаемое решение для защиты ключей и импульсного формирования энергии в ходе коммутации - введение в цепь коммутации регулируемого активного сопротивления в момент отключения ключей. Так же предпочтительно обеспечить переключение ключей в отсутствие электрического тока или при его минимальном уровне.The desired solution for key protection and pulse energy generation during switching is the introduction of adjustable active resistance into the switching circuit when the keys are turned off. It is also preferable to provide switching keys in the absence of electric current or at its minimum level.
Известно устройство для ограничения импульса тока за счет введения в цепь сопротивления, состоящего из дискретных резисторов. Сопротивление ограничителя тока регулируется с помощью датчика тока путем управления транзисторными ключами, шунтирующими дискретные резисторы. Устройство уменьшает зависимость тока разряда от сопротивления нагрузки. Недостаток - увеличение числа дискретных резисторов с ключами и независимыми контурами управления индивидуального включения ключей при повышении точности задания тока, что увеличивает габариты и снижает надежность устройства.A device for limiting the current pulse by introducing into the circuit a resistance consisting of discrete resistors. The resistance of the current limiter is controlled by a current sensor by controlling transistor switches shunting discrete resistors. The device reduces the dependence of the discharge current on the load resistance. The disadvantage is an increase in the number of discrete resistors with keys and independent control loops for individual switching of keys, while increasing the accuracy of the current setting, which increases the dimensions and reduces the reliability of the device.
US Patent №6096063, 01.08.2000, ELECTROTHERAPY CIRCUIT HAVING CONTROLLED CURRENT DISCHARGE BASED ON PATIENT-DEPENDENT ELECTRICAL PARAMETER.US Patent No. 6096063, 08/01/2000, ELECTROTHERAPY CIRCUIT HAVING CONTROLLED CURRENT DISCHARGE BASED ON PATIENT-DEPENDENT ELECTRICAL PARAMETER.
Патент РФ 2421899, 09.03.2009 г., УСТРОЙСТВО ФОРМИРОВАНИЯ БИПОЛЯРНОГО СИГНАЛА.RF patent 2421899, March 9, 2009, DEVICE FOR FORMING A BIPOLAR SIGNAL.
Наиболее близким по технической сущности и достигаемому положительному эффекту и принятым за прототип является устройство, описанное в патенте РФ №2398347, 06.08.2009 г., ФОРМИРОВАТЕЛЬ ИМПУЛЬСОВ ЭНЕРГИИ С РЕГУЛИРУЕМОЙ ФОРМОЙ.The closest in technical essence and the achieved positive effect and adopted for the prototype is the device described in RF patent No. 2398347, 08/06/2009, ENERGY PULSE FORMER WITH REGULATED FORM.
Ключи, регулирующие импульсный ток, применяются совместно с защитными цепями на основе ограничителей напряжения. Защитная цепь используется в специальном режиме: как ограничитель напряжения регулирующих ключей и как цепь, ограничивающая ток нагрузки. Недостаток - ограниченные возможности использования защитной цепи.The switches regulating the pulse current are used in conjunction with protective circuits based on voltage limiters. The protective circuit is used in a special mode: as a voltage limiter for control switches and as a circuit limiting the load current. The disadvantage is the limited use of the protective circuit.
Известно, что в качестве защитных устройств широко применяют металлооксидные варисторы, известные под сокращенным названием MOB (MOV), которое будет использовано в последующем изложении. MOB на основе оксидов металлов (например, оксида цинка) обладают высокой скоростью срабатывания и возможностью поглощения огромной энергии. При всплеске напряжения выше уровня классификационного напряжения, пространство вокруг гранул оксида цинка становится электропроводным с нарастанием разрядного тока через MOB в течение наносекунд. В настоящее время выпускаются MOB с поглощаемой энергией более 100 МДж. Поглощение такой энергии становится возможным за счет эффективной автоэлектронной эмиссии электронов. При этом высокоэнергетические импульсы тепловой энергии рассеиваются во всем объеме MOB. MOB не может работать в режиме высокой проводимости длительное время, так как происходит его перегрев (Трегубов С.В., Пантелеев В.А., Фрезе О.Г. «Общие принципы выбора варисторов для защиты от импульсных напряжений», http://www.komi.com).It is known that metal oxide varistors, commonly known as MOB (MOV), which will be used in the following discussion, are widely used as protective devices. MOBs based on metal oxides (for example, zinc oxide) have a high response rate and the ability to absorb tremendous energy. When a surge occurs above the classification voltage, the space around the zinc oxide granules becomes electrically conductive with increasing discharge current through the MOB for nanoseconds. MOBs with an absorbed energy of more than 100 MJ are currently being produced. The absorption of such energy becomes possible due to the efficient field emission of electrons. In this case, high-energy pulses of thermal energy are scattered throughout the entire MOB. MOB cannot work in the high conductivity mode for a long time, since it overheats (Tregubov S.V., Panteleev V.A., Frese O.G. “General principles for choosing varistors for protection against impulse voltages”, http: // www.komi.com).
Известно применение варисторов для формирования напряжения сложной формы. (См. статью «Применение варисторов», журнал «Радио» №7, 1971 год). Приведены примеры использования варисторов для формирования сигналов в слаботочной телевизионной технике, в том числе и на высоких частотах. Недостаток - низкая эффективность предложенных решений в мощных импульсных схемах.It is known the use of varistors for the formation of voltage of complex shape. (See the article "The use of varistors", the journal "Radio" No. 7, 1971). Examples of using varistors for generating signals in low-voltage television technology, including at high frequencies, are given. The disadvantage is the low efficiency of the proposed solutions in powerful pulse circuits.
Раскрытие изобретенияDisclosure of invention
Изобретение направлено на разработку формирователя электрической энергии, который способен обеспечить высокую мощность импульса (высокое напряжение и/или ток), способного уменьшить коммутационные всплески напряжения и резонансные колебания в нагрузке, повысить надежность ключей и устройств, физически связанных с данным формирователем электрической энергии, и ограничить ток импульса в нагрузке.The invention is directed to the development of an electric energy generator that is capable of providing a high pulse power (high voltage and / or current) capable of reducing switching voltage spikes and resonant oscillations in a load, increasing the reliability of keys and devices physically connected to this electric energy generator, and limiting pulse current in the load.
Изобретение создано при разработке формирователя импульсов электрической энергии для дефибриллятора, формирующего на нагрузке биполярное напряжение амплитудой более 2000 В и токе до 100 А. При этом решалась задача повышения надежности всех силовых ключей формирователя импульсов при неблагоприятных электрических режимах.The invention was created during the development of an electric energy pulse shaper for a defibrillator that generates a bipolar voltage with a amplitude of more than 2000 V and a current of up to 100 A. At the same time, the task of increasing the reliability of all power switches of a pulse shaper under adverse electrical conditions was solved.
В соответствии с настоящим изобретением в цепи формирователя установлены импульсные накопители электрической энергии: индуктивность и/или заряженный конденсатор, а также одна или несколько нагрузок. По меньшей мере, к одному полностью управляемому быстродействующему ключу подключена параллельная защитная цепь, ограничивающая напряжение при выключении быстродействующего ключа. Последовательно с быстродействующим ключом (ключами) включен, по меньшей мере, один блокирующий ключ, который может блокировать или пропускать ток цепи. Блокирующие ключи могут быть полупроводниковыми и/или механическими. Формирователь содержит контроллер, подключенный к цепям управления ключей. Интервалы включения ключей синхронны или задаются индивидуально, как при допустимых состояниях нагрузки и источника электроэнергии, так и при отклонении от допустимых состояний, которые не зависят от формирователя.In accordance with the present invention, pulsed electric energy storage devices are installed in the driver circuit: inductance and / or charged capacitor, as well as one or more loads. At least one fully controllable high-speed key is connected to a parallel protective circuit that limits the voltage when the high-speed key is turned off. In series with the high-speed key (s), at least one blocking key is included, which can block or pass the circuit current. Locking keys may be semiconductor and / or mechanical. The driver includes a controller connected to the key control circuits. Key switch-on intervals are synchronous or are set individually, both under permissible load and power source states and when deviating from valid states that are independent of the driver.
Защитная цепь включает, по меньшей мере, металлооксидный варистор (MOB), подключенный с минимальной индуктивностью соединений к быстродействующему ключу. Упомянутые элементы образуют импульсный ограничитель тока. MOB задают определенные параметры, которые после скоростного отключения быстродействующего ключа, обеспечивают более длительное по сравнению со временем выключения быстродействующего ключа сохранение тока нагрузки. Одновременно, напряжение на MOB не должно превышать максимально допустимое напряжение быстродействующего ключа, в том числе и при максимально возможном токе нагрузки. Максимально допустимая поглощаемая энергия MOB или суммарная максимально допустимая поглощаемая энергия последовательно соединенных MOB, должна составлять, по меньшей мере, 10% от энергии импульсного накопителя энергии подключенного к формирователю. Формирователь регулирует ток нагрузки, используя активное сопротивление MOB в течение определенных контроллером интервалов времени, переключая ток между быстродействующим ключом и активным сопротивлением MOB на низкой или высокой частоте.The protective circuit includes at least a metal oxide varistor (MOB) connected with a minimum inductance of the connections to the high-speed switch. The mentioned elements form a pulse current limiter. MOBs define certain parameters that, after high-speed shutdown of a high-speed key, provide a longer conservation of the load current compared to the time of turning off a high-speed key. At the same time, the voltage on the MOB should not exceed the maximum allowable voltage of the high-speed key, including at the maximum possible load current. The maximum allowable absorbed energy MOB or the total maximum allowable absorbed energy of the series-connected MOBs should be at least 10% of the energy of the pulse energy storage connected to the shaper. The driver adjusts the load current using the MOB resistance for the time intervals defined by the controller, switching the current between the high-speed switch and the MOB resistance at low or high frequency.
Формирователь настроен таким образом, что обеспечивает включение быстродействующих и блокирующих ключей в отсутствие электрического тока или при его минимальном уровне, выключение блокирующих ключей в отсутствие электрического тока или при его минимальном уровне.The shaper is configured in such a way that it enables fast-acting and blocking keys to be switched on in the absence of electric current or at its minimum level, and blocking keys to be turned off in the absence of electric current or at its minimum level.
Последовательно с импульсным ограничителем тока введены блокирующие ключи, образующие схему для переключения полярности тока в нагрузке на полупроводниковых ключах или электромагнитных реле.In series with the pulse current limiter, blocking keys are introduced, forming a circuit for switching the polarity of the current in the load on semiconductor switches or electromagnetic relays.
При регулировании параметров импульса тока контроллер обеспечивает высокочастотное переключение тока в MOB, например, на частоте более 50 кГц с перераспределением импульсной энергии между MOB и нагрузкой на уровне более 10%.When adjusting the parameters of the current pulse, the controller provides high-frequency switching of the current in the MOB, for example, at a frequency of more than 50 kHz with a redistribution of pulsed energy between the MOB and the load at a level of more than 10%.
Формирователь настроен для работы с одним или несколькими источниками электрической энергии для одной или нескольких нагрузок.The shaper is configured to work with one or more sources of electrical energy for one or more loads.
Максимально допустимая поглощаемая энергия MOB выбрана с учетом параметров накопителей энергии и/или в формирователь введены устройства, ограничивающие поглощаемую энергию MOB на допустимом уровне.The maximum allowable absorbed energy MOB is selected taking into account the parameters of energy storage and / or devices are introduced into the shaper that limit the absorbed energy MOB to an acceptable level.
Описание чертежейDescription of drawings
На фигуре 1 изображена упрощенная схема построения формирователя импульсов энергии с использованием быстродействующего полностью управляемого ключа и MOB.The figure 1 shows a simplified diagram of the construction of a pulse shaper of energy using a high-speed fully managed key and MOB.
На фигуре 2 изображен график тока через быстродействующий ключ и через MOB в функции времени (а) и график тока через нагрузку в функции времени (б).Figure 2 shows a graph of the current through a quick-acting key and through MOB as a function of time (a) and a graph of current through a load as a function of time (b).
На фигуре 3 изображены графики тока через нагрузку в функции времени, показывающие процесс регулированияе параметров тока с помощью MOB.Figure 3 shows graphs of the current through the load as a function of time, showing the process of adjusting the current parameters using the MOB.
На фигуре 4 изображена схема для формирования биполярных электрических импульсов.The figure 4 shows a diagram for the formation of bipolar electrical pulses.
На фигуре 5 изображен график перехода тока нагрузки из положительной фазы в отрицательную фазу в функции времени.The figure 5 shows a graph of the transition of the load current from the positive phase to the negative phase as a function of time.
На фигуре 6 изображена «энергоэффективная» схема для формирования биполярных электрических импульсов.The figure 6 shows a "energy efficient" circuit for the formation of bipolar electrical pulses.
На фигуре 7 изображен график биполярного электрического импульса через нагрузку в функции времени. Осуществление изобретения7 is a graph of a bipolar electric pulse across a load as a function of time. The implementation of the invention
На фигуре 1 изображен формирователь импульсов энергии с использованием быстродействующего полностью управляемого ключа и MOB, а так же импульсного источника энергии - индуктивности.The figure 1 shows a pulse generator of energy using a high-speed fully controlled key and MOB, as well as a pulsed energy source - inductance.
Импульсный источник электрической энергии 1 (например, заряженный конденсатор) подключен через индуктивность цепи 2, быстродействующий ключ 3, MOB 4, а так же блокирующий ключ 5 к нагрузке 6. MOB 4 подключен к выводам ключа 3. Контроллер 7 подключен к цепям управления ключей 3 и 5. К схеме подключен датчик электрического режима 8, который связан с контроллером 7. В цепи нагрузки 6, индуктивности цепи 2 и блокирующего ключа 5 протекает ток i0.A pulsed source of electrical energy 1 (for example, a charged capacitor) is connected through the inductance of
Индуктивность 2 специально вводится в состав цепи или она может быть образована индуктивностью нагрузки. Индуктивность проводников в цепи действия тока i0 рассматривается как индуктивность нагрузки.
В качестве ключа 3 возможно использовать полупроводниковые приборы, например биполярные транзисторы с изолированным затвором, известные под названием БТИЗ (IGBT). В качестве блокирующего ключа 5 возможно использование любых известных полупроводниковых ключей или механических ключей.As a
MOB 4 имеет свойства мгновенно поглощать электрическую энергию и рассеивать тепловую энергию. Уровень поглощаемой энергии ограничен максимально допустимой поглощаемой энергией.
Соединения между ключом 3 и MOB 4 должны иметь минимальную индуктивность, что обеспечивает включение тока через MOB 4 в ответ на снижение тока через ключ 3 в течение наносекундных интервалов времени.The connections between the key 3 and
Остающееся напряжение на MOB 3, например, при использовании БТИЗ, не должно превышать максимально допустимого напряжения БТИЗ и его обратного диода, при любом возможном токе через БТИЗ. Например, если максимальный ток через БТИЗ может подниматься до 200 А, а максимальное напряжение прикладываемое к БТИЗ не должно превышать 1200 В, то MOB должен обеспечить при токе 200 А остаточное напряжение до 1200 В.The remaining voltage on the
Обратим внимание на процессы, происходящие в схеме, показанной на фигуре 1. В начальный момент времени включения ключей 3 и 5, ток в цепи отсутствует и далее формируется ток i0 равный току i01 через ключи 3 и 5, нарастающий с определенной скоростью. Скорость нарастания тока (di0/dt) ограничена индуктивностью 2, которая накапливает энергию. При достижении тока i0 заданного уровня и/или по истечении определенного времени, контроллер 7 выключает ключ 3. Ток ключа 3 прерывается, а ток i02 через MOB 4 достигает своего максимального значения за счет того, что индуктивность 2 отдает накопленную энергию в цепь. При этом формируется такое напряжение на MOB 4, при котором i01=i02. (такой процесс возможен при быстром спаде тока через ключ 3). Далее, ток цепи i0 монотонно затухает до нуля или до уровня статического тока через MOB 4. С помощью переключений ключа 3, возможно регулировать ток цепи i0 в течение времени, которое ограничено максимально допустимой поглощаемой энергией MOB 4.Let us pay attention to the processes occurring in the circuit shown in figure 1. At the initial moment of switching on the
Соотношение накопленной энергии в индуктивности 2, времени выключения ключа 3 и нагрузки 6 должно быть таким, что бы этой энергии хватило, что бы сформировать импульс тока через MOB 4 и нагрузку 6. Например, со скоростью спада тока, более чем в 5 раз превышающей скорость спада тока через ключ 3.The ratio of the accumulated energy in the
На фигуре 2 показаны график тока через быстродействующий ключ и через MOB в функции времени (а) и график тока через нагрузку в функции времени (б). Из графиков следует, что после момента выключения ключа 3, разрядный ток i02 начинает монотонно затухать со скоростью спада тока, превышающей скорость спада тока через ключ 3. Выбрав моменты коммутации ключа 5, можно обеспечить его выключение при минимальном токе или в отсутствие тока.The figure 2 shows a graph of the current through a high-speed key and through MOB as a function of time (a) and a graph of the current through the load as a function of time (b). From the graphs it follows that after the
Система коммутации ключей формирователя импульсов, согласно фигуре 1, под управлением контроллера 7, должна обеспечить включение ключей 3 и 5 в отсутствие электрического тока или при его минимальном уровне, а так же выключение блокирующего ключа 5 в отсутствие электрического тока или при его минимальном уровне. Под минимальным током следует понимать ток, по меньшей мере, в 20 раз меньший максимального тока.The switching system of the keys of the pulse shaper, according to figure 1, under the control of the
Если, не дожидаясь затухания тока i02, включить ключ 3, то ток i01 начнет нарастать от текущего уровня тока i02, до некоторого заданного значения, когда снова можно выключить ключ 3. На фигуре 3 изображены диаграммы (а и б) тока нагрузки при импульсной модуляции ключа 3 с различным коэффициентом заполнения импульсов. Очевидно, что при закрытом ключе 3, минимальный уровень тока i0 будет определяться разрядным током i02, который соответствует входному напряжению и вольтамперной характеристики MOB 4. Максимальный уровень перенапряжения при коммутации не превысит остающееся напряжение на MOB 4. Энергия, высвобождаемая при коммутации, поглощается MOB 4. Использование высокой частоты модуляции ключа 3 (например, при использовании БТИЗ, частота может превышать 50 кГц), позволяет снизить индуктивность цепи 2 и повысить разрешающую способность регулирования амплитуды тока нагрузки в течение времени, ограниченного возможностью поглощать энергию MOB 4.If, without waiting for the current i 02 to decay, turn on
На основе схемы фигуры 1 возможно построение стабилизатора амплитуды импульсов или формирователя импульсов регулируемой формы. Управление ключом 3 может выполняться с широтно-импульсной модуляцией (ШИМ), частотно-импульсной модуляцией (ЧИМ) или релейным управлением.Based on the scheme of figure 1, it is possible to build a pulse amplitude stabilizer or an adjustable pulse shaper.
В схеме фигуры 1 возможно ограничить поглощаемую энергию MOB 4 за счет создания разгрузочного пути тока i02 с помощью ключа 3 или ограничения запасаемой энергии в импульсных накопителях энергии цепи, шунтирования индуктивности 2 дополнительной цепью.In the circuit of FIG. 1, it is possible to limit the absorbed energy of
Максимально допустимая поглощаемая энергия MOB 4 (суммарная поглощаемая энергия последовательно соединенных MOB) должна составлять, по меньшей мере, 10% от энергии импульсного накопителя подключенного к формирователю.The maximum allowable absorbed energy MOB 4 (the total absorbed energy of the series-connected MOBs) must be at least 10% of the energy of the pulse storage connected to the shaper.
В случае если входное напряжение источника 1 может подниматься выше классификационного напряжения MOB 4, то оно должно прикладываться к MOB 4 строго ограниченное время, что можно контролировать с помощью блокирующего ключа 5. Контроль режима MOB 4 можно создать с помощью датчика тока или с помощью контроля температуры. Возможно объединение нескольких методов контроля для ограничения поглощаемой энергии MOB 4.If the input voltage of
Рассмотрим пример реализации изобретения в конкретном высоковольтном формирователе биполярных импульсов электрической энергии, который изображен на фигуре 4. Такое устройство может исползоваться для формирования дефибриллятором лечебных импульсов электрической энергии.Consider an example implementation of the invention in a specific high-voltage shaper of bipolar pulses of electrical energy, which is shown in figure 4. Such a device can be used to form a defibrillator of therapeutic pulses of electrical energy.
Импульсный ограничитель, выполненый в соответствии с пунктом 1 формулы изобретения, образуют три последовательно включенных ключа 3 на основе БТИЗ, которые зашунтированы MOB 4. Цепи управления ключами 3 подключены к контроллеру 7 через устройства управления 10, которые формируют траекторию переключения ключей 3.The pulse limiter, made in accordance with
Для переключения полярности тока в нагрузке 6 используется мостовая электрическая схема Н-образной формы 9, известная в технике под названием Н-мост, на основе блокирующих ключей 5, которые могут быть выполнены, например, на тиристорах. Как уже было отмечено, в качестве блокирующих ключей 5 возможно применение механических переключателей выполненных по любой из множества известных релейных схем переключения полярности, например, на обычных или перекидных электромагнитных реле. В любом случае, включение и отключение ключей 5 обеспечивается при малом или нулевом токе. Основное требование к ключам 5 - в состоянии низкой проводимости они должны блокировать ток при любом возможном напряжении источника энергии 1 и/или от напряжения, поступающего со стороны нагрузки.To switch the polarity of the current in the
В плечах Н-моста 9 установлена нагрузка 6, в которой формируется импульс тока прямой или обратной полярности. Верхние выводы Н-моста 9, через импульсный ограничитель тока и индуктивность 2 подключены к положительному выводу источника 1. Нижние выводы Н-моста 9 подключены к отрицательному выводу источника 1. К контроллеру 7 подключены цепи управления Н-мостом 9 и выход датчика 8.A
Возможны различные варианты режимов работы схемы изображенной на фигуре 4. Ключи 3 и MOB 4, а так же Н-мост 9 позволяют обеспечить формирование биполярных импульсов разряда на нагрузке 6 в резонансном режиме (см. фигуру 2) и/или регулируемом режиме (см. фигуру 3). Переключение ключей 3 может выполняться контроллером 7 синхронно или индивидуально. Очевидно, что возможность индивидуального (несинхронного) переключения последовательно соединенных ключей 3 обеспечивает MOB 4, даже при превышении напряжения источника 1 суммарного напряжения ключей 3, оставшихся в состоянии низкой проводимости. Снижение скорости изменения тока в нагрузке 6 при выключении ключей 3 как в регулируемом, так и в резонансном режиме, повышает надежность работы формирователя, снижает требования к устойчивости изолирующих схем управления ключами 3 и ключами 5.Various options are possible for the operating modes of the circuit shown in figure 4. The
На фигуре 5 изображен график перехода тока из положительной фазы в отрицательную фазу, сформированную с помощью MOB 4. При снижении энергии заряженного конденсатора источника 1 или энергии индуктивности цепи 2 до критического уровня, при котором напряжение, прикладываемое к MOB 4, снижается ниже уровня классификационного напряжения, ток цепи меняет направление. Остаточная энергия индуктивности 2 формирует короткий импульс отрицательного тока (i03).Figure 5 shows a graph of the transition of current from the positive phase to the negative phase generated using
Другими словами, в результате ограниченного MOB 4 переходного процесса малой длительности формируется межфазная пауза (см. фигуру 5). При выключении ключа 3 в течении 1 мкс, ток в нагрузке 6 спадает за интервал времени (t2-t1), значительно превышающий время выключения ключа 3. Таким образом, MOB 4 обеспечивает возможность быстродействующего выключения ключей 3 в любой момент времени с малыми коммутационными перегрузками и последующее выключение ключей 5 в отсутствие тока цепи, как при резонансном разряде, так и при управляемом разряде энергии импульсных накопителей энергии. Используя скоростное отключение ключей 3 возможно защитить формирователь импульсов от повышенных токов в нагрузке (см. фигуру 2). В качестве порогового датчика тока перегрузки можно использовать калиброванные параметры одного из БТИЗ ключей 3.In other words, as a result of a
Изобретение допускает введение дополнительных цепей для поглощения энергии индуктивности 2 и/или использование нескольких индуктивностей. Возможно использование формирователя по схеме понижающего импульсного преобразователя с высокой энергоэффективностью (см. патент РФ №2398347) при сохранении принципов настоящего изобретения. При этом часть энергии индуктивности, при выключении ключей рассеивается в MOB, а оставшаяся часть замыкается через диоды в нагрузку.The invention allows the introduction of additional circuits to absorb the energy of the
На фигуре 6 показана энергоэффективная схема для формирования биполярных электрических импульсов. Часть энергии индуктивности замыкается через нагрузку 6 с помощью обратных диодов 11, которые обеспечивают цепь тока между верхним выводом индуктивности 2 и нижним выводом моста 9.Figure 6 shows an energy efficient circuit for generating bipolar electrical pulses. Part of the inductance energy is closed through the
На фигуре 7 показан пример сформированного биполярного импульса управляемого разряда на нагрузке 6 с использованием MOB 4.Figure 7 shows an example of a generated bipolar pulse of a controlled discharge at
Применение изобретения возможно в системах искусственной коммутации электрической энергии. Использование формирователя для искусственной коммутации позволяет обеспечить переключения ключа основной цепи при нуле тока. При этом формирователь обеспечивает быстродействующую адаптацию цепи искусственной коммутации к текущему электрическому режиму нагрузки. Например, при включении и выключении силового однооперационного тиристора или механических ключей в цепях постоянного и переменного тока. При этом запас энергии импульсного накопителя мог бы достигать 100 МДж, а перенапряжения такой системы были бы минимальны за счет регулирования активной составляющей тока цепи искусственной коммутации на высокой частоте с помощью MOB. Возможно переключение нагрузки от одного источника энергии к другому источнику энергии без изменения тока нагрузки. При этом на время коммутации источников, ток нагрузки может формироваться упомянутой цепью искуственной коммутации, включающей предлагаемый формирователь импульсов.The application of the invention is possible in artificial switching systems of electrical energy. The use of a shaper for artificial switching makes it possible to switch the key of the main circuit at zero current. At the same time, the shaper provides quick adaptation of the artificial switching circuit to the current electrical load mode. For example, when turning on and off a single-operation power thyristor or mechanical keys in DC and AC circuits. In this case, the energy storage of a pulsed storage device could reach 100 MJ, and the overvoltage of such a system would be minimal due to the regulation of the active component of the current of the artificial switching circuit at high frequency using MOB. It is possible to switch the load from one energy source to another energy source without changing the load current. Moreover, at the time of switching the sources, the load current can be formed by the mentioned circuit of artificial switching, including the proposed pulse shaper.
Предоставляется возможность последовательного соединения большого числа быстродействующих ключей на высоком напряжении, которое может превышать суммарное максимально допустимое напряжение быстродействующих ключей при их синхронном или несинхронном включении.It is possible to series-connect a large number of high-speed keys at high voltage, which can exceed the total maximum allowable voltage of high-speed keys when they are switched on synchronously or asynchronously.
Технический результат достигают за счет того, что быстродействующие ключи зашунтированы MOB с параметрами, которые в сочетании со скоростным выключением быстродействующего ключа и энергией в импульсном накопителе, обеспечивают длительное, по сравнению со временем выключения быстродействующего ключа сохранение тока нагрузки. Формирователь обеспечивает быстрое включение, отключение или ограничение электрической энергии в нагрузке и защиту ключей формирователя и других устройств, которые физически связанны с формирователем. С помощью MOB обеспечивается возможность регулировать ток нагрузки в течение ограниченных интервалов времени, переключая ток цепи между быстродействующим ключом и активным сопротивлением MOB на низкой или высокой частоте. Формирователь настраивается таким образом, что обеспечивает включение быстродействующих и блокирующих ключей в отсутствие электрического тока, высокоскоростное отключение быстродействующего ключа с переходом тока в MOB и выключение блокирующего ключа в отсутствие электрического тока.The technical result is achieved due to the fact that high-speed keys are shunted by MOB with parameters that, in combination with high-speed shutdown of high-speed key and energy in a pulse drive, provide a long-term load current conservation compared to the time of switching off a high-speed key. The shaper provides quick inclusion, shutdown, or limitation of electrical energy in the load and protects the keys of the shaper and other devices that are physically connected to the shaper. With MOB, it is possible to adjust the load current for limited time intervals by switching the circuit current between the high-speed switch and the MOB resistance at low or high frequency. The shaper is configured in such a way that it enables fast-acting and blocking keys to be switched on in the absence of an electric current, a high-speed shutdown of a high-speed key with current transfer to the MOB, and a blocking key is turned off in the absence of electric current.
Изобретение снимает ограничения по количеству срабатываний MOB из-за потери автоэлектронной эмиссии. Исключены ненормированные энергетические воздействия, характерные для применения MOB в качестве ограничителей внешних перенапряжений. Использование блокирующего ключа исключает длительное воздействие напряжения на MOB, что так же существенно увеличивает надежность изоляции MOB при выполнении коммутационных операций.The invention removes the restrictions on the number of MOB operations due to the loss of field emission. Unnormalized energy effects characteristic of the use of MOB as limiters of external overvoltages are excluded. The use of a blocking key eliminates the long-term effect of voltage on the MOB, which also significantly increases the reliability of the isolation of the MOB during switching operations.
Таким образом, цель изобретения - разработка формирователя электрической энергии, который способен обеспечить высокую мощность импульса (высокое напряжение и/или ток) с возможностью ограничения тока, а также способного уменьшить коммутационные всплески напряжения и резонансные колебания в нагрузке, повысить надежность ключей и устройств, физически связанных с данным формирователем электрической энергии - достигнута.Thus, the purpose of the invention is the development of an electric energy generator that is able to provide high pulse power (high voltage and / or current) with the possibility of limiting current, as well as capable of reducing switching surges and resonant fluctuations in the load, increasing the reliability of keys and devices physically associated with this shaper of electric energy - achieved.
Claims (2)
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU2012107374/07A RU2497274C1 (en) | 2012-02-28 | 2012-02-28 | Shaper of energy pulses using metal oxide voltage-variable resistors |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU2012107374/07A RU2497274C1 (en) | 2012-02-28 | 2012-02-28 | Shaper of energy pulses using metal oxide voltage-variable resistors |
Publications (2)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
RU2012107374A RU2012107374A (en) | 2013-10-20 |
RU2497274C1 true RU2497274C1 (en) | 2013-10-27 |
Family
ID=49356646
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
RU2012107374/07A RU2497274C1 (en) | 2012-02-28 | 2012-02-28 | Shaper of energy pulses using metal oxide voltage-variable resistors |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
RU (1) | RU2497274C1 (en) |
Citations (5)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
SU1483503A1 (en) * | 1987-04-27 | 1989-05-30 | Московский авиационный институт им.Серго Орджоникидзе | Device for switching power supply circuits of power supply consumers |
EP0528668A2 (en) * | 1991-08-15 | 1993-02-24 | Ford Motor Company Limited | Semiconductor protection against high energy transients |
RU2208290C2 (en) * | 1997-06-10 | 2003-07-10 | Ой Лексел Финланд Аб | Method and circuit for protection against voltage surges caused by transients |
RU42921U1 (en) * | 2004-08-02 | 2004-12-20 | Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Южно-Российский государственный технический университет (Новочеркасский политехнический институт") | PULSE OVERVOLTAGE PROTECTION DEVICE |
RU2398347C1 (en) * | 2009-08-06 | 2010-08-27 | Евгений Эдуардович Горохов-Мирошников | Shaper of energy pulses with controlled shape |
-
2012
- 2012-02-28 RU RU2012107374/07A patent/RU2497274C1/en not_active IP Right Cessation
Patent Citations (5)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
SU1483503A1 (en) * | 1987-04-27 | 1989-05-30 | Московский авиационный институт им.Серго Орджоникидзе | Device for switching power supply circuits of power supply consumers |
EP0528668A2 (en) * | 1991-08-15 | 1993-02-24 | Ford Motor Company Limited | Semiconductor protection against high energy transients |
RU2208290C2 (en) * | 1997-06-10 | 2003-07-10 | Ой Лексел Финланд Аб | Method and circuit for protection against voltage surges caused by transients |
RU42921U1 (en) * | 2004-08-02 | 2004-12-20 | Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Южно-Российский государственный технический университет (Новочеркасский политехнический институт") | PULSE OVERVOLTAGE PROTECTION DEVICE |
RU2398347C1 (en) * | 2009-08-06 | 2010-08-27 | Евгений Эдуардович Горохов-Мирошников | Shaper of energy pulses with controlled shape |
Also Published As
Publication number | Publication date |
---|---|
RU2012107374A (en) | 2013-10-20 |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
CN107070191B (en) | Device for temporarily taking over the current of an energy transmission or distribution system as required | |
US10354820B2 (en) | Device for switching a direct current | |
SE1551717A1 (en) | Arrangement, system, and method of interrupting current | |
US11108320B2 (en) | Method and voltage multiplier for converting an input voltage, and disconnector | |
EP3068023A1 (en) | Inrush limiter for motor drive ac/ac power converters | |
WO2017083360A1 (en) | Low-loss and fast acting solid-state breaker | |
CN113396540B (en) | Switching device for switching off a current path | |
Magnusson et al. | On the use of metal oxide varistors as a snubber circuit in solid-state breakers | |
Hemmer | Intelligent IGBT drivers with exceptional driving and protection features | |
RU2398347C1 (en) | Shaper of energy pulses with controlled shape | |
AU2017223887B2 (en) | Device for switching a DC current in a pole of a DC voltage network | |
Alwash et al. | Short-circuit protection of power converters with SiC current limiters | |
RU2497274C1 (en) | Shaper of energy pulses using metal oxide voltage-variable resistors | |
CN111095770B (en) | Inverter for electric vehicle, vehicle and method of operating inverter | |
Sack et al. | Design of a semiconductor-based bipolar Marx generator | |
Prigmore et al. | An IGCT-based electronic circuit breaker design for a 12.47 kV distribution system | |
Tang et al. | Multi-stage DC hybrid switch with slow switching | |
RU2510774C1 (en) | High-voltage switch with dynamic limitation of energy | |
RU158655U1 (en) | THREE-PHASE MATRIX FREQUENCY CONVERTER PROTECTION DEVICE FROM SWITCHING OVERVOLTAGES | |
Bissal et al. | Simulation and Verification of Solid-State Breakers for Low Voltage Applications | |
RU212728U1 (en) | Ionistor protection device against impulse switching overvoltage and supply voltage dips | |
JP7250266B1 (en) | DC current interrupter | |
Thomas | Design of snubber circuit for thyristors using pspice | |
SU1744772A1 (en) | Method of turn-off of blanked thyristor | |
Wu et al. | An Active Snubber Circuit for High-Capacity DC Chopper to Achieve Soft-Switching Operation for Offshore Wind VSC-HVdc System |
Legal Events
Date | Code | Title | Description |
---|---|---|---|
MM4A | The patent is invalid due to non-payment of fees |
Effective date: 20210301 |