ИМПУЛЬСНЫЙ ГЕНЕРАТОР Российский патент 1997 года по МПК H03K3/53 

Изобретение относится к области сильноточной полупроводниковой техники и может быть использовано в источниках питания мощных лазеров и в устройствах электрозарядной очистки промышленных отходов.

Известен импульсный генератор [1] содержащий цепь коммутации из последовательно соединенных реверсивно включаемого динистора (РВД), дросселя насыщения, конденсатора и первого диода, а так же источник постоянного напряжения, зарядную цепь из последовательно соединенных дросселя и тиристора, подключенную между положительным выводом источника и первым выводом конденсатора, демпфирующую цепь из последовательно соединенных резистора и второго диода, подключенную между анодом РВД и катодом первого диода, цепь нагрузки, подключенную между катодом РВД и анодом первого диода и блок запуска, подключенный параллельно РВД и соединенный положительным выводом с его катодом. Отрицательный вывод источника соединен со вторым выводом конденсатора, с анодом второго диода и с катодом первого диода. Катод тиристора соединен с первым выводом конденсатора, дроссель насыщения включен между анодом РВД и катодом тиристора.

При включении тиристора в схеме происходит заряд конденсатора от источника постоянного напряжения через зарядную цепь. Спустя некоторое время после окончания тока заряда, необходимое для выключения тиристора, включается блок запуска. При этом через РВД проходит короткий импульс тока управления, являющийся обратным по отношению к основному коммутируемому току. В процессе прохождения тока управления дроссель насыщения, обладающий большой индуктивностью в исходном состоянии, блокирует напряжение заряда конденсатора. При прохождении тока управления в структуре РВД накапливается включающий заряд, обеспечивающий его последующее однородное переключение с малыми коммутационными потерями энергии. Момент переключения РВД обусловливается моментом насыщения сердечника дросселя насыщения. При этом индуктивность дросселя резко уменьшается и к РВД прикладывается положительное напряжение. В результате он без задержки переключается и коммутирует в цепь нагрузки мощный импульс тока разряда конденсатора. Первый диод исключает возможность повторного перезаряда конденсатора через РВД при рассогласовании электрического сопротивления цепи нагрузки и волнового сопротивления цепи конденсатора. При этом избыточная энергия, отраженная от цепи нагрузки, рассеивается на резисторе демпфирующей цепи. Спустя некоторое время после прекращения тока в цепи конденсатора, достаточное для выключения РВД, происходит повторное включение тиристора и следующий акт коммутации.

Недостатком рассмотренного генератора являются большие потери энергии в демпфирующей цепи при рассеянии избыточной энергии, отраженной от цепи нагрузки.

За прототип принят импульсный генератор [2] в котором осуществляется возврат отраженной от цепи нагрузки энергии в источник постоянного напряжения. Он содержит источник постоянного напряжения, зарядную цепь из последовательно соединенных первой обмотки трансформатора насыщения и первого диода, цепь рекуперации из последовательно соединенных второй обмотки трансформатора насыщения и второго диода, цепь коммутации из последовательно соединенных конденсатора, дросселя насыщения, РВД и третьего диода, цепь нагрузки, подключенную между катодом третьего диода и первым выводом конденсатора, а также зарядное устройство, подключенное параллельно конденсатору и блок запуска, подключенный параллельно РВД и соединенный положительным выводом с его катодом. Отрицательный вывод источника соединен с отрицательным выводом зарядного устройства, с анодом второго диода и с первым выводом конденсатора, второй вывод конденсатора подключен к катоду первого диода, дроссель насыщения включен между вторым выводом конденсатора и анодом РВД, катод РВД соединен с анодом третьего диода. Анод первого диода подключен к концу первой обмотки трансформатора, катод второго диода к началу его второй обмотки. Начало первой и конец второй обмотки трансформатора соединены с положительным выводом источника.

Генератор работает следующим образом.

В исходном состоянии конденсатор заряжен от маломощного зарядного устройства до рабочего напряжения. При включении блока запуска к РВД прикладывается небольшое обратное напряжение и через него проходит короткий импульс тока управления. При этом в структуре РВД накапливается включающий заряд, необходимый для его однородного переключения. В течение времени накопления включающего заряда сердечник дросселя насыщения находится в ненасыщенном состоянии, и индуктивность дросселя достаточно велика. При этом он блокирует напряжение заряда конденсатора. После насыщения сердечника индуктивность дросселя резко уменьшается, в результате к РВД прикладывается положительное напряжение, он однородно переключается, и в схеме происходит быстрый разряд конденсатора и коммутация импульса тока в цепь нагрузки. Параметры элементов контура разряда конденсатора подобраны таким образом, что в процессе коммутации конденсатор перезаряжается до небольшого обратного напряжения. Третий диод блокирует это напряжение и создает в цепи РВД паузу тока, необходимую для его выключения. Процесс выключения РВД продолжается вплоть до момента приложения к нему положительного напряжения вследствие резонансного перезаряда конденсатора от источника постоянного напряжения через зарядную цепь.

При достижении на второй обмотке трансформатора напряжения, превышающего величину выходного напряжения источника, через цепь рекуперации проходит импульс тока, обусловливающий возврат избыточной энергии, накопленной в конденсаторе при его перезаряде, в источник постоянного напряжения. Тем самым обеспечивается стабилизация напряжения на конденсаторе, а следовательно и выходного напряжения генератора.

Недостатком импульсного генератора-прототипа является то, что при выбранном коэффициенте трансформации трансформатора насыщения и постоянной величине выходного напряжения источника отсутствует возможность регулирования выходного напряжения генератора.

Задача заявляемого решения создание импульсного генератора с регулируемым выходным напряжением. Указанная задача решается в импульсном генераторе, содержащем источник постоянного напряжения, зарядную цепь из последовательно соединенных первого диода и первой обмотки трансформатора насыщения, цепь рекуперации из последовательно соединенных второго диода и второй обмотки трансформатора насыщения, цепь коммутации из последовательно соединенных конденсатора, дросселя насыщения, реверсивно включаемого динистора и третьего диода, цепь нагрузки, а также зарядное устройство, подключенное параллельно конденсатору; блок запуска, подключенный параллельно реверсивно включаемому динистору; катод первого диода подключен к первому выводу конденсатора, катод второго диода к началу второй обмотки трансформатора, анод первого диода к концу первой обмотки трансформатора, положительный вывод источника соединен с началом первой и с концом второй обмотки трансформатора, отрицательный вывод источника с отрицательным выводом зарядного устройства и со вторым выводом конденсатора, положительный вывод блока запуска соединен с катодом реверсивно включаемого динистора и с анодом третьего диода, цепь нагрузки включена между катодом третьего диода и вторым выводом конденсатора, дроссель насыщения подключен между анодом реверсивно включаемого динистора и первым выводом конденсатора. Новым в котором является то, что генератор дополнительно содержит ключевой элемент и формирователь тока управления ключевого элемента, причем ключевой элемент подключен между анодом второго диода и отрицательным выводом источника.

Указанная задача решается при выполнении ключевого элемента в виде тиристора, соединенного катодом с анодом второго диода, а формирователь тока управления подключен к электроду управления этого тиристора, а также при выполнении ключевого элемента в виде дросселя насыщения с обмоткой размагничивания причем формирователь тока управления подключен к обмотке размагничивания этого дросселя.

На фиг. 1 и 2 представлены электрические схемы заявляемого импульсного генератора, здесь 1 источник постоянного напряжения; 2 трансформатор насыщения; 3 первый диод; 4 второй диод; 5 конденсатор; 6 дроссель насыщения; 7 реверсивно включаемый динистор (РВД); 8 третий диод; 9 цепь нагрузки; 10 блок запуска; 11 зарядное устройство; 12 ключевой элемент в виде тиристора или дросселя насыщения; 13 формирователь тока управления; 14 диод формирователя тока управления; 15 конденсатор формирователя тока управления; 16 переменный резистор формирователя тока управления; 17 - динистор формирователя тока управления; 18 резистор формирователя тока управления; 19 тиристор блока запуска; 20 индуктивный элемент блока запуска; 21 проходный конденсатор блока запуска; 22 резистор блока запуска; 23 конденсатор блока запуска; 24 трансформатор цепи нагрузки; 25 конденсатор I звена сжатия цепи нагрузки; 26 дроссель насыщения I звена сжатия цепи нагрузки; 27 конденсатор II звена сжатия цепи нагрузки; 28 - дроссель насыщения II звена сжатия цепи нагрузки; 29 нагрузка; 30 источник постоянного напряжения формирователя тока управления; 31 обмотка размагничивания.

Устройство (фиг. 1) содержит источник постоянного напряжения I, подключенный положительной клеммой к началу первой и к концу второй обмотки трансформатора 2. Второй вывод конденсатора 5 соединен с отрицательной выходной клеммой зарядного устройства II, а так же с отрицательной выходной клеммой источника I и с анодом тиристора 12. Первый вывод конденсатора 5 соединен с катодом диода 3, с первым выводом дросселя насыщения 6 и с положительной выходной клеммой зарядного устройства II. Анод диода 3 подключен к концу первой обмотки трансформатора 2. Диод 4 подключен катодом к началу второй обмотки трансформатора 2, а анодом к катоду тиристора 12. РВД 7 подключен анодом к второму выводу дросселя 6, а катодом к аноду диода 8. Цепь нагрузки 9 включена между катодом диода 8 и вторым выводом конденсатора 5 и содержит трансформатор 24, конденсатор 25, подключенный ко второй обмотке трансформатора 24 и соединенный первым выводом с первым выводом конденсатора 27 и с первым выводом нагрузки 29, а также дроссель насыщения 26, подключенный между вторым выводом конденсатора 25 и вторым выводом конденсатора 27, и вторым выводом нагрузки 29. Первая обмотка трансформатора 24 подключена между катодом диода 8 и первым вторым выводом конденсатора 5. Блок запуска 10 подключен параллельно РВД 7 и содержит тиристор 19, соединенный анодом с анодом РВД 7 и с первым выводом конденсатора 23, а катодом с первым выводом индуктивного элемента 20, а также конденсатор 21, подключенный первым выводом ко второму выводу индуктивного элемента 20, а вторым выводом ко второму выводу конденсатора 23 и к катоду РВД 7, и резистор 22, включенный параллельно конденсатору 21. Формирователь тока управления 13 содержит диод 14, подключенный анодом к катоду тиристора 12 и к первому выводу конденсатора 15, а катодом к аноду тиристора 12 и к первому выводу переменного резистора 16, а также динистор 17, подключенный анодом ко вторым выводам конденсатора 15 и резистора 16, и резистор 18, подключенный первым выводом к электроду управления тиристора 12, а вторым выводом к катоду динистора 17.

Предлагаемый генератор работает следующим образом (фиг.1).

В исходном состоянии конденсаторы 5 и 23 заряжены от маломощного зарядного устройства 11 до рабочего напряжения. При включении тиристора 19 происходит перезаряд конденсатора 23 через индуктивный элемент 20 и проходной конденсатор 21, обладающий достаточно большой емкостью и фактически не влияющий на процесс формирования тока перезаряда конденсатора 23. В процессе перезаряда конденсатора 23 сердечник дросселя 6 находится в ненасыщенном состоянии, при этом индуктивность дросселя 6 велика и он предотвращает разряд конденсатора 5 через элементы блока запуска 10. При смене полярности напряжения заряда конденсатора 23 к РВД 7 прикладывается обратное напряжение. При этом РВД 7, имеющий пренебрежимо малое электрическое сопротивление в обратном направлении, шунтирует конденсатор 23, и через него замыкается ток индуктивного элемента 20, являющийся током управления. Ток управления проходит через РВД 7 вплоть до момента насыщения сердечника дросселя 6, обуславливая накопление в структуре РВД 7 включающего заряда, необходимого для последующего однородного переключения с малыми коммутационными потерями энергии. В момент насыщения сердечника дросселя 6 его индуктивность резко уменьшается. При этом ток через дроссель 6 резко нарастает, к РВД 7 прикладывается положительное напряжение, он однородно и без задержки переключается и коммутирует в цепь нагрузки 9 мощный импульс тока разряда конденсатора 5, проходящий через первую обмотку повышающего трансформатора 24. В результате осуществляется заряд конденсатора 25, подключенного ко второй обмотке трансформатора 24, до напряжения, существенно превышающего напряжения заряда конденсатора 5. Величины емкостей конденсаторов 5 и 25 и коэффициент трансформации трансформатора 24 выбираются таким образом, что в момент окончания тока заряда конденсатора 25 конденсатор 5 перезаряжается до некоторого обратного напряжения, которое блокирует диод 8. При этом в цепи РВД 7 создается пауза тока, необходимая для его выключения.

После окончания процесса заряда конденсатора 25 происходит насыщение сердечника дросселя 26, при этом индуктивность дросселя 26 резко уменьшается и конденсатор 25 быстро разряжается на равновеликий конденсатор 27. Вследствие очень малой индуктивности дросселя 26 в насыщенном состоянии длительность тока разряда конденсатора 25, обуславливающего заряд конденсатора 27, оказывается существенно меньше длительности тока разряда конденсатора 5. Дальнейшее временное сжатие выходного импульса происходит после насыщения сердечника дросселя 28 при коммутации тока в нагрузку 29.

После окончания импульса тока в нагрузке 29 в схеме происходит разряд конденсатора 21, заряженного до небольшого напряжения в процессе перезаряда конденсатора 23, и перезаряд конденсатора 5, заряженного до некоторого обратного напряжения в процессе коммутации тока в цепь нагрузки 9. Разряд конденсатора 21 осуществляется через резистор 22, перезаряд конденсатора 5 - через первую обмотку трансформатора 2 и диод 3. При перезаряде конденсатора 5 осуществляется процесс выключения РВД 7, который продолжается вплоть до момента изменения знака напряжения на конденсаторе 5. Обмотки трансформатора 2 подключены таким образом, что на этапе выключения РВД 7 вторая обмотка фактически не влияет на процесс перезаряда конденсатора 5, так как возникающее на ней напряжение блокирует диод 4. В результате скорость перезаряда конденсатора 5, а следовательно и схемное время выключения РВД 7, определяется в основном величиной индуктивности первой обмотки трансформатора 2, которая при ненасыщенном сердечнике трансформатора 2 достаточно велика. При этом большое время выключения РВД 7 достигается даже при незначительном обратном напряжении на конденсаторе 5. После насыщения сердечника трансформатора 2 индуктивность его первой обмотки резко уменьшается, при этом конденсатор 5 быстро заряжается до рабочего напряжения, что позволяет иметь достаточно высокую частоту срабатывания генератора.

Наличие обратного напряжения на конденсаторе 5 приводит к увеличению тока заряда, проходящего через первую обмотку трансформатора 2, и к накоплению избыточной энергии в индуктивности этой обмотки. В результате создается возможность заряда конденсатора 5 до напряжения, превышающего удвоенное напряжение источника 1. Возможность неконтролируемого увеличения напряжения на конденсаторе 5 устраняет цепь второй обмотки трансформатора 2, обеспечивающую возврат избыточной энергии в источник 1, при достижении на этой обмотке напряжения, превышающего величину выходного напряжения источника 1. Величина избыточной энергии, возвращаемой в источник 1, а следовательно и максимальная величина напряжения заряда конденсатора 5, определяется магнитной связью между обмотками трансформатора 2, коэффициентом трансформации этого трансформатора, а также величиной задержки Т момента включения тиристора 12 относительно момента, когда величина напряжения на второй обмотке трансформатора 2 превысит величину выходного напряжения источника 1.

При Т 0 тиристор 12 не оказывает влияния на процесс возврата избыточной энергии в источник 1. При этом величина напряжения заряда конденсатора 5 минимальна. При увеличении Т тиристор 12 создает задержку нарастания тока в цепи второй обмотки трансформатора 2. При этом величина возвращенной избыточной энергии уменьшается, а величина напряжения заряда конденсатора 5 возрастает. Если тиристор 12 не включается, то возврата избыточной энергии в источник 1 не происходит и конденсатор 5 заряжается до максимального напряжения, определяемого величиной выходного напряжения источника 1 и величиной обратного напряжения перезаряда конденсатора 5.

Включение тиристора 12 осуществляется с помощью формирователя тока управления 13 при приложении к тиристору 12 прямого напряжения вследствие возникновения на второй обмотке трансформатора 2 напряжения, превышающего величину выходного напряжения источника 1. При этом происходит заряд конденсатора 15 через переменный резистор 16. В момент, когда конденсатор 15 заряжается до напряжения срабатывания динистора 17, происходит включение этого динистора и разряд конденсатора 15 через электрод управления тиристора 12, обуславливающий включение тиристора 12. Резистор 18 ограничивает ток разряда конденсатора 15, диод 14 предотвращает заряд конденсатора 15 к моменту следующего акта коммутации. При изменении величины сопротивления резистора 16 изменяется момент срабатывания формирователя 13 и момент включения тиристора.

Так как в процессе перезаряда конденсатора 5 к тиристору 12 напряжение прикладывается только в течение короткого времени Т, то в качестве ключевого элемента может быть использован (см. фиг.2) дроссель насыщения 12 с обмоткой размагничивания 31. В исходном состоянии дроссель насыщения 12 обладает достаточно большой индуктивностью и создает требуемую задержку нарастания тока в цепи второй обмотки трансформатора 2. После насыщения сердечника индуктивность дросселя 12 становится пренебрежимо малой и он не оказывает существенного влияния на процесс возврата энергии в источник 1. Время перемагничивания сердечника дросселя 12 регулируется с помощью формирователя тока управления 13, содержащего источник постоянного напряжения 30 и переменный резистор 16. При изменении сопротивления резистора 16 происходит изменение тока через обмотку размагничивания 31. В результате изменяется время нахождения дросселя в ненасыщенном состоянии, а следовательно и величина задержки Т момента возникновения тока в цепи второй обмотки трансформатора 2 относительно момента, когда напряжение на этой обмотке превысит величину выходного напряжения источника 1. При этом изменяется величина энергии, возвращаемой в источник 1 и величина напряжения заряда конденсатора 5, а следовательно и величина выходного напряжения импульсного генератора.

С целью обеспечения минимальной индуктивности дросселя 12 после насыщения его сердечника количество витков в его обмотке не должно быть чрезмерно большим, поэтому при достаточно большой величине задержки Т, площадь сечения дросселя 12 и его весогабариты могут оказаться больше, чем весогабариты тиристора 12 в схеме на фиг.1. Однако надежность работы дросселя насыщения 12 в схеме на фиг.2 превышает надежность работы тиристора 12 в схеме на фиг.1. Таким образом использование в качестве ключевого элемента тиристора не дает существенного преимущества по сравнению с дросселем насыщения и в целом схемы на фиг.1 и 2 являются равноценными.

Таким образом, благодаря введению в схему импульсного генератора ключевого элемента, выполненного в виде тиристора или дросселя насыщения и формирователя тока управления, становится возможным регулирование выходного напряжения генератора за счет изменения величины энергии, возвращаемой в источник постоянного напряжения после окончания процесса коммутации.

По предлагаемым схемам был собран импульсный генератор субмикросекундного диапазона.

В качестве РВД 7 использовались опытные образцы, разработанные в ФТИ им. А. Ф. Иоффе, имеющие рабочую площадь 4 см², рабочее напряжение 1 кВ и время включения 15 мкс. Остальные полупроводниковые приборы были выполнены на стандартной элементной базе. Тиристор 19 ТБ 151 50, диоды 3, 4 ДЛ 132 50, диод 8 ДЧ 151 80. Магнитные элементы генератора выполнялись на основе ферритовых колец типа НМС 2500. Трансформатор 2 собран из 10 колец размером 80•50•11 мм и имел 30 витков в первой обмотке и 45 во второй. Дроссели 6, 26 и трансформатор 24 собраны на кольцах размером 65•40•6 мм. Дроссель 6 состоял из 6 колец и имел 3 витка, дроссель 26 из 8 колец и имел 24 витка. Трансформатор 24 собран из 12 колец и имел 1 виток в первой обмотке и 40 витков во второй. Дроссель 28 собран из 50 колец размером 20•12•6 мм и имел 1 виток. Индуктивность элемента 20 2 мкГн, емкость конденсатора 5 0,9 мкФ, конденсатора 23 0,047 мкФ, конденсатора 21 2 мкФ, конденсаторов 25, 27 1,1 нФ, сопротивление резистора 22 10 Ом. Источник 1 и зарядное устройство 11 питались от сети 220 В, 50 Гц. Источник 1 состоял из мостового диодного выпрямителя, индуктивности фильтра 3000 мкГн и выходной емкости 3000 мкФ. Зарядное устройство 11 имело выходное напряжение 900 В и состояло из повышающего трансформатора, выпрямительного диода и выходного токоограничивающего резистора. Размагничивание сердечников магнитных материалов элементов осуществлялось постоянным током, проходящим через дополнительные обмотки размагничивания, не указанные на фиг.1, 2. Нагрузка 29 состояла из газоразрядного промежутка, зашунтированного конденсатором, емкость которого равна емкости конденсаторов 25, 27 звеньев магнитного сжатия.

В генераторе, собранном по схеме фиг.1, в качестве тиристора 12 использовался ТЧ 50, в качестве диода 14 КД 203 Г, в качестве динистора 17 - КН 102 А, в качестве резистора 16 СП5 100 Ом, сопротивление резистора 18 составляло 2 Ом, емкость конденсатора 15 4 мкФ. В генераторе, собранном по схеме фиг.2, дроссель насыщения 12 имел сердечник из ленточного пермаллоя 50 НП с толщиной 10 мкм размером 30•50•60 мм. Основная обмотка дросселя имела 30 витков, обмотка размагничивания 31 10 витков. Источник 30 питался от сети 220 В, 50 Гц и состоял из понижающего трансформатора ТС 12, диодного выпрямителя КЦ 410 Д, стабилизирующего элемента типа КРЕН 5Г, емкостей фильтра 6000 мкФ, выходного разделительного дросселя 6000 мкГн и токоограничивающего резистора 6 Ом. В качестве переменного резистора 18 использовался ППБ-35-6,8 Ом.

Импульсный генератор использовался в качестве устройства для предионизации CO₂ лазера и успешно работал на частоте до 5 кГц при длительности фронта нарастания выходных импульсов напряжения менее 100 нс. При этом амплитуда выходных импульсов напряжения регулировалась в пределах 30% от номинального значения 15 кВ, как в схеме с ключевым элементом в виде тиристора, так и в схеме с ключевым элементом в виде дросселя насыщения.

Изобретение относится к области сильноточной полупроводниковой техники и может быть использовано в источниках питания мощных лазеров и в устройствах электрозарядной очистки промышленных отходов. Устройство содержит источник постоянного напряжения 1, трансформатор насыщения 2, диоды 3,4,8, конденсатор 5, дроссель насыщения 6, реверсивно включаемый динистор 7, цепь нагрузки 9, блок запуска 10, зарядное устройство 11, ключевой элемент 12, формирователь тока управления 13. 2 з.п. ф-лы, 2 ил.

1. Импульсный генератор, содержащий источник постоянного напряжения, первый и второй диоды, трансформатор насыщения, цепь коммутации из последовательно соединенных конденсатора, дросселя насыщения, реверсивно включаемого динистора и третьего диода, цепь нагрузки, зарядное устройство, подключенное параллельно конденсатору, причем анод первого диода соединен с концом первой обмотки трансформатора насыщения, а его катод с первым выводом конденсатора, катод второго диода соединен с началом второй обмотки трансформатора насыщения, положительный вывод источника постоянного напряжения соединен с началом первой и с концом второй обмоток трансформатора насыщения, отрицательный вывод источника постоянного напряжения соединен с вторым выводом конденсатора, положительный вывод блока запуска соединен с катодом реверсивного включаемого динистра, отрицательный вывод блока запуска соединен с анодом реверсивно включаемого динистора, цель нагрузки включена между катодом третьего диода и вторым выводом конденсатора, отличающийся тем, что в него введены ключевой элемент и формирователь тока управления ключевым элементом, причем ключевой элемент включен между анодом второго диода и отрицательным выводом источника постоянного напряжения, выход формирователя тока управления ключевым электродом соединен с управляющим входом ключевого элемента. 2. Генератор по п.1, отличающийся тем, что ключевой элемент выполнен в виде тиристора. 3. Генератор по п.1, отличающийся тем, что ключевой элемент выполнен в виде дросселя насыщения с обмоткой размагничивания.