МАГНИТНЫЙ ФОРМИРОВАТЕЛЬ ИМПУЛЬСОВ Российский патент 1994 года по МПК H03K3/53 

Изобретение относится к импульсной технике, в частности к формирователям мощных импульсов наносекундной длительности, и может быть использовано, например, для широкополосной радиолокации видеоимпульсами.

Магнитные формирователи импульсов строятся по принципу накопления энергии при потреблении ее от источника на малом уровне мощности в течение сравнительно длительного времени индуктивным или емкостным накопителем, сжатия накопленной энергии во времени до необходимой длительности поступления ее в нагрузку, необходимых преобразований, сводящихся к трансформации формы и амплитуды импульса с тем, чтобы последние обеспечивали требуемый режим работы нагрузки и устройства в целом. Такие схемы известны и применяются на практике.

Недостатками известных формирователей являются низкий коэффициент сжатия каждого звена в отдельности и, как следствие, низкий КПД.

В качестве прототипа выбрана одна из первых реализаций подобных формирователей, в принципе рассмотрено использование в импульсных генераторах для сжатия импульсов насыщающихся индуктивностей. Схема содержит последовательно соединенные входное звено с емкостным накопителем энергии С₁, управляемым ключевым элементом S₁ и индуктивностью L, первое звено сжатия С₂Р₂, второе звено cжатия С₃Р₃ и нагрузку R. Во время τ_н заряда емкости С₂, которое определяется полупериодом колебаний в контуре С₁LС₂ ((τ_н= )), сердечник переключающей индуктивности Р₂ находится в ненасыщенном состоянии, поэтому сопротивление этой индуктивности велико. К моменту окончания передачи энергии на С₂ сердечник Р₂ насыщается. Сопротивление Р₂ резко уменьшается и приобретает чисто индуктивный характер. Поэтому передача энергии из емкости С₂ в емкость С₃ происходит на резонансной частоте контура С₂L_р2С₃ за время τ_пр= . Все емкости примерно одинаковы, но L_p2<L. Поэтому в звене С₂Р₂ происходит сжатие импульса в τ_н/τ_пр= раз. Анализ показывает, что коэффициент сжатия К_о определяется статическими характеристиками сердечника и составляет
K₀≃ , где В_о - индукция намагниченности насыщения; Н_о - амплитуда магнитного поля в сердечнике; μ_o = 4 π˙10^-7 Гн/м - магнитная постоянная; μ_Δ - средняя эффективная относительная магнитная проницаемость сердечника при нарастании поля до Н_о за пределами гистерезисного цикла. При использовании ферритов величина К_о не превышает 3. . . 5, магнитных сплавов - 10. . . 20.

Недостатком этого звена сжатия является низкое значение коэффициентов сжатия. Во всей схеме формирователя общий коэффициент сжатия может составлять 10⁴ и более. При среднем сжатии в одном звене в 4 раза для этого потребовалось бы 6. . . 7 звеньев. При потерях в каждом из них всего лишь 3% энергии потери достигают уже 20% . Но это всего лишь часть общих потерь, другую часть составляют потери на восстановление начального состояния намагниченности сердечников. Чем их больше, тем больше и потери на восстановление. Они могут достигать еще 30% от общего потребления.

Анализ на основе статических характеристик сердечников не раскрывает природу потерь. Она становится понятной лишь при анализе динамики процессов перемагничивания. Из этого анализа вытекает, что указанный недостаток сводится к тому, что переключающая индуктивность при ненасыщенном сердечнике имеет низкое сопротивление
R_р ≃λL_р2, где λ - релаксационная частота. Для ферритов она имеет порядок 10⁹с^-1. В связи с этим уже во время накопления энергии на С₂ часть ее через Р₂проходит на С₃ в виде затяжного предвестника. В конечном счете эта часть энергии оказывается потерянной, поэтому снижается КПД η звена. Он составляет
η 1- 1+, где ω = 1/2 τ_пр - резонансная частота контура C₂L_p2C₃. При τ_пр = 5 мкс потери только в одном звене достигают 10% . У формирователя импульсов в целом η снижается до 20. . . 40% .

Новые разработки ферритов не могут привести к существенному росту λ. Поэтому величину λ надо увеличить искусственно.

Цель изобретения - повышение КПД формирователя за счет увеличения коэффициента сжатия первого звена.

Для осуществления цели в магнитном формирователе, содержащем подключенное к источнику питания входное звено с накопителем энергии и ключевым элементом, управляемым схемой запуска, которое через n магнитных звеньев сжатия, состоящих из емкости и переключающей индуктивности, соединено с нагрузкой, в отличие от прототипа в первом звене сжатия последовательно с переключающей индуктивностью включен тиристор, открываемый импульсом из схемы запуска в момент окончания заряда емкости в том же звене.

Наличие отличительных признаков указывает на соответствие заявляемого решения критерию "новизна".

Сравнение с другими техническими решениями в данной и смежных областях техники показывает, что тиристоры используются в магнито-тиристорных формирователях либо как управляющие вентили во входном звене, либо для подавления паразитных колебаний в нагрузке. Предложение использовать тиристор в первом звене сжатия для увеличения его коэффициента сжатия не известно и обеспечивает заявляемому решению соответствие критерию "существенные отличия".

На чертеже изображена принципиальная схема магнитного формирователя импульсов.

Магнитный формирователь импульсов содержит последовательно соединенные источник 1 питания, входное звено 2, включающее ключевой элемент 3, управляемый схемой 4 запуска, и накопитель 5 энергии (индуктивный), первое звено 6 сжатия, с емкостью 7 переключающей индуктивностью 8; второе звено сжатия с емкостью 9 и переключающей индуктивностью 10, остальные звенья сжатия и нагрузку 11. В первом звене сжатия последовательно с переключающей индуктивностью 8 включен тиристор 12, управляемый схемой 4 запуска через развязывающий трансформатор 13.

Формирователь работает следующим образом.

В течение времени τ_н емкость 7 первого звена 6 сжатия принимает всю энергию от накопителя 5 входного звена 2. Схема может работать как с емкостным, так и с индуктивным накопителем. Во время τ_н тиристор 12 закрыт. По истечении этого времени тиристор 12 импульсом из схемы 4 запуска открывается и энергия из емкости 7 поступает в емкость 9 на резонансной частоте контура, образованного емкостью 7, индуктивностью 8, емкостью 9. Тиристор 12 относится к классу КУ или 2У. Среди них имеются такие, у которых допустимый ток в открытом состоянии ≈ 100 А, остаточное напряжение катод - анод ≈ 1,5 В, время включения τ_т = 30. . . 50 нс. В закрытом состоянии допустимое напряжение катод - анод 1. . . 2 кВ, ток ≈ 0,3. . . 0,5 мА. Сопротивление тиристора в закрытом состоянии превышает 2 МОм. Следовательно, R_р не меньше этой величины. При таких R_р утечка энергии на емкость 9 во время заряда емкости 7 практически исключена, что эквивалентно искусственному увеличению λ и росту η . Период колебаний на частоте контура разряда емкости 7 на емкость 9 с целью получения высокой добротности можно уменьшить до нескольких τ_т . Сердечник в индуктивности 8 может и отсутствовать, так как переключающие свойства полностью возлагаются на тиристор. Но сердечник целесообразно сохранять для того, чтобы ограничить бросок тока через тиристор на время его включения. Для обеспечения хорошей добротности контура 7, 8, 9 (емкость 7 равна емкости 9) приходится уменьшить емкость 7, что при заданной энергии W импульса влечет за собой повышение напряжения на выходе входного звена 2. Таким образом решается вторая, не менее важная задача повышения напряжения импульса до нужной величины.

Анализ показывает, что коэффициент сжатия в звене 6 с тиристором можно повышать до
K ≃ K₀.

При этом величина K может в десятки и сотни раз превосходить К_о. В обычном исполнении это звено можно было бы заменить тремя или четырьмя звеньями с общим КПД не лучше 0,8 и при более значительном расходе материалов.

Объем V магнитного сердечника переключающей индуктивности звена в обычном исполнении составляет
V = K₀.

Коэффициент сжатия K = 90 можно было бы получить в лучшем случае в трех звеньях с коэффициентами К_о = 5; 4,5; 4 или в четырех звеньях с коэффициентами К_о = 4; 4; 3; 2. При этом объем всех сердечников составил бы
V_Σ = [(5+4.5+4). . . (4+4+3+2)] = 14 .

В звене с тиристором сердечник выбирается так, чтобы задерживать разряд емкости 7 на емкость 9 после поджига тиристора на время τ_пф- (2. . . 3) τ_т. Его объем определяется соотношением
V = .

Объем феррита только в звеньях сжатия уменьшается не менее чем в 60 раз. К этому надо еще добавить отсутствие специального повышающего трансформатора.

В связи с резким уменьшением объема сердечников пропорционально уменьшаются и затраты энергии на восстановление их начальной намагниченности. При низкой скважности импульсов в первом звене сжатия эта экономия может достигать 30% общего расхода энергии. Таким образом, общее увеличение КПД формирователя при использовании изобретения составляет 40% .

Если принимать за < К_о> cреднее значение коэффициента сжатия звеньев в обычном исполнении, то объем сердечников уменьшается в общем случае в А раз:
A = 5<K₀>1+ по сравнению с объемом в звене с тиристором, имеющем коэффициент сжатия К = < К_о> (τ_н/5τ_т). При использовании тиристора КУ220 при τ_н = 45 мкс величина А составляет 97, а К = 300.

Вслед за столь значительным снижением потерь отпадает необходимость в громоздких радиаторах для теплоотвода. Вместе с уменьшением объема сердечников и количества конденсаторов это позволяет снизить объем и вес прибора в несколько раз. (56) Mellville: Тhe use of saturable reactor as discharge for pulse generators. The proceedings of the institution of electrical engineers, p. III, v. 98, N 53, 1951, р. 193.

Использование: в импульсной технике, в частности в формирователях мощных импульсов наносекундной длительности, и в сверхширокополосной радиолокации видеоимпульсами. Сущность изобретения: формирователь содержит последовательно соединенные источник 1 питания, входное звено 2 с накопителем 5 энергии и ключевым элементом 3, магнитное звено 6 сжатия, содержащее емкость 7 и переключающую индуктивность 8, нагрузку 11 и схему 4 запуска. В первое звено сжатия последовательно с переключающей индуктивностью 8 включен тиристор 12, открываемый импульсом из схемы запуска в момент окончания заряда емкости в том же звене. Особенностью изобретения является введение тиристора 12, управляемого от схемы 4, что позволяет повысить КПД. 1 ил.

МАГНИТНЫЙ ФОРМИРОВАТЕЛЬ ИМПУЛЬСОВ , содеpжащий источник питания выход котоpого соединен последовательно с входным звеном, включающим накопитель энеpгии и ключевой элемент, N магнитных звеньев сжатия, каждый из котоpых включает емкость и пеpеключающую индуктивность соединенные последовательно, и нагpузку, а также блок запуска, пеpвая и втоpая выходные клеммы котоpого соединены с пеpвой и втоpой упpавляющими клеммами входного звена, отличающийся тем, что в пеpвое магнитное звено сжатия введен тиpистоp, пеpвая клемма котоpого соединена с втоpой клеммой пеpеключающей индуктивности, а втоpая клемма котоpого соединена с выходной клеммой пеpвого магнитного звена сжатия, упpавляющая клемма тиpистоpа соединена с пеpвой введенной упpавляющей клеммой пеpвого магнитного звена сжатия, а пеpвая и введенная втоpая упpавляющие клеммы пеpвого магнитного звена сжатия соединены с введенными тpетьей и четвеpтой выходными клеммами блока запуска.