Способы и системы для управления коммутацией напряжения Российский патент 2020 года по МПК E21B43/12 H02M1/08 H03K17/687 

Перекрестная ссылка на родственные заявки

[0001] Настоящая заявка является частичным продолжением заявки на патент США №14/211894, которая была подана 14 марта 2014 г., и полное описание которой включено в текст настоящего документа путем ссылки.

Предпосылки создания изобретения

[0002] Электрические устройства (например, рентгеновские трубки для системы отображения компьютерной томографии (Computed Tomography, СТ)) могут использовать активные переключатели, чтобы управлять переключением источника питания или блока питания для приборов (например, источника питания или блока питания для рентгеновских трубок). Например, активные переключатели обычно управляются драйверными схемами, использующими сигналы более низкого напряжения, которые могут быть реализованы без большого труда, когда переключатели электрически привязываются к земле. Однако когда переключатели электрически привязываются к все более и более высоким напряжениям, необходимы более сложные и большие драйверные схемы, чтобы позволить переключателям включаться и выключаться независимо друг от друга. В этих системах, особенно, когда переключатели привязываются к различным более высоким напряжениям, для управления многочисленными переключателями требуется аппаратура переключения, которая является более сложной и крупногабаритной (например, имеет большое количество волоконной оптики для передачи управляющих сигналов), при этом увеличиваются размеры, сложность и стоимость всей системы.

[0003] Известные системы для управления коммутацией напряжения, такие как системы для управления коммутацией напряжения для рентгеновской трубки (например, быстрой коммутации киловольтных напряжений для рентгеновских систем с двумя уровнями энергии), могут включать драйверы изолированного затвора. Эти драйверы управляют коммутацией напряжения, чтобы управлять энергией электронного луча, формируемого источником рентгеновского излучения, так же как при управлении напряжением для источника электронной эмиссии и мишени рентгеновской трубки. Например, системы отображения СТ могут включать системы отображения с дискриминацией по энергии (Energy-Discriminating, ED), со многими уровнями энергии (Multi-Energy, ME) и/или с двумя уровнями энергии (Dual-Energy СТ, DECT), которые могут упоминаться как системы отображения EDCT, МЕСТ и/или DECT. Системы отображения EDCT, МЕСТ и/или DECT конфигурируются для измерения чувствительных к изменению энергии данных проецирования. Чувствительные к изменению энергии данные проецирования могут быть получены, используя многочисленные применяемые рентгеновские спектры посредством изменения рабочего напряжения рентгеновской трубки, или посредством использования технологии фильтрации рентгеновского луча (например, технологии формирования чувствительного к изменению энергии рентгеновского излучения), или посредством получения чувствительных к изменению энергии данных посредством детектора, использующего дискриминацию энергии, или детекторов с подсчетом фотонов, или детекторов с двумя уровнями (например, технологий детектирования, чувствительных к изменению энергии рентгеновского излучения).

[0004] Например, с технологией формирования рентгеновского излучения, различные конфигурации системы используют изменение рабочего напряжения рентгеновской трубки, включая: (1) получение данных проецирования различной энергии (например, низкой энергии и высокой энергии) от двух последовательных сканирований объекта с использованием различных рабочих напряжений рентгеновской трубки, (2) получение данных проецирования с использованием быстрой коммутации рабочего напряжения рентгеновской трубки, чтобы получать информацию о низкой энергии и высокой энергии для переменного поднабора видов проецирования, или (3) параллельное получение чувствительной к изменению энергии информации с использованием множества систем отображения с различными рабочими напряжениями рентгеновской трубки.

[0005] Известные драйверы управления для этих систем могут привязываться к высоким напряжениям. Однако при привязке к высоким напряжениям обычные аппаратные средства для управления коммутацией являются физически большими, поэтому добавляющими размер, вес и/или стоимость системы. В некоторых системах недостаток пространства во всей системе может препятствовать реализации этих драйверов управления.

[0006] Другие электрические устройства могут использоваться в жестких условиях и, в результате, иметь ограниченную свободу выбора для электропитания, средств управления драйверами и кабельной проводки. Например, электрические скважинные насосы (Electric Submersible Pumps, ESP) могут использоваться в нефтяных скважинах или подобных условиях. Насосы ESP, возможно, должны управляться, чтобы качать нефть или другой ресурс из скважин, которые уходят далеко в землю. Насосы, средства управления драйверами и т.п., могут быть подвергаться воздействию жестких условий, таких как температура свыше 200°С и/или давление свыше 20000 фунтов на квадратный дюйм (например, 138000 кПа). Эти условия могут ограничивать имеющиеся решения механической коммутации для управления, когда различные фазы тока подаются к насосам, чтобы управлять ими.

[0007] Кроме того, насосы могут располагаться в скважинах на значительных глубинах. Чтобы управлять различными фазами тока, подаваемыми в насосы, один подход может включать прокладку различных кабелей или проводов к насосам, чтобы отдельно подавать и управлять подачей различных фаз тока в насосы. Длинные кабели или провода, необходимые для подачи тока, могут требовать существенных затрат при эксплуатации насосов, и при некоторых обстоятельствах могут составлять приблизительно 40% или более общих затрат при эксплуатации насосов.

Сущность изобретения

[0008] В одной форме осуществления изобретения система электропитания включает коммутационную систему, сконфигурированную для функционального соединения с источником питания, который подает электрический ток во множество подземных насосов для откачки ресурса из-под поверхности земли. Коммутационная система содержит блоки коммутации, сконфигурированные для управления подачей тока от источника питания к насосам. Блоки коммутации содержат модули коммутации, которые включают первое твердотельное устройство коммутации, первый конденсатор и конденсатор смещения. Первое устройство коммутации сконфигурировано для активации и реакции на прием напряжения, которое является по меньшей мере таким же, как напряжение активации первого устройства коммутации, чтобы проводить электрический ток между первым трансформатором и электрической нагрузкой. Первое устройство коммутации сконфигурировано для деактивации и прекращения прохождения электрического тока между первым трансформатором и электрической нагрузкой. Первый конденсатор гальванически соединен с первым устройством коммутации и первым трансформатором между первым устройством коммутации и первым трансформатором. Первый конденсатор сконфигурирован для хранения электрической энергии, принимаемой от первого трансформатора, чтобы активировать первое устройство коммутации. Конденсатор смещения гальванически соединен с первым устройством коммутации между первым конденсатором и первым устройством коммутации. Конденсатор смещения сконфигурирован для гальванического соединения со вторым трансформатором, чтобы принимать напряжение смещения через второй трансформатор. Конденсатор смещения сконфигурирован для приложения напряжения смещения к первому устройству коммутации, чтобы предотвращать активацию первого устройства коммутации и подачу тока от источника питания к одному или более насосам, за исключением случая, когда комбинация напряжения, принимаемого первым устройством коммутации через первый трансформатор, и напряжения смещения является по меньшей мере такой же большой, как напряжение активации первого устройства коммутации.

[0009] В другой форме осуществления изобретения система электропитания содержит коммутационную систему, сконфигурированную для функционального соединения с источником питания, который подает электрический ток во множество подземных насосов для откачки ресурса из-под поверхности земли. Коммутационная система содержит блоки коммутации, сконфигурированные для управления подачей тока от источника питания к насосам. Блоки коммутации содержат модули коммутации, которые включают первое твердотельное устройство коммутации, первый конденсатор, повторитель в виде твердотельного устройства коммутации и первый диод. Первое твердотельное устройство коммутации сконфигурировано для активации и реакции на прием напряжения, которое является по меньшей мере таким же, как напряжение активации первого устройства коммутации, чтобы проводить электрический ток между первым трансформатором и электрической нагрузкой. Первое устройство коммутации сконфигурировано для деактивации и прекращения прохождения электрического тока между первым трансформатором и электрической нагрузкой. Первый конденсатор гальванически соединен с первым устройством коммутации и первым трансформатором между первым устройством коммутации и первым трансформатором, причем первый конденсатор сконфигурирован для хранения электрической энергии, принимаемой от первого трансформатора, чтобы активировать первое устройство коммутации. Повторитель в виде твердотельного устройства коммутации гальванически соединен с первым устройством коммутации и первым конденсатором между первым устройством коммутации и первым конденсатором. Первый диод гальванически соединен с повторителем в виде устройства коммутации и первым устройством коммутации между первым конденсатором и первым устройством коммутации. Повторитель в виде устройства коммутации и первый диод сконфигурированы для подачи электрического шума, принимаемого через первое устройство коммутации, в проводящий контур, который не включает первый конденсатор.

[0010] В еще одной форме осуществления изобретения система электропитания содержит коммутационную систему, сконфигурированную для функционального соединения с источником питания, который подает электрический ток во множество подземных насосов для откачки ресурса из-под поверхности земли. Коммутационная система содержит блоки коммутации, сконфигурированные для управления подачей тока от источника питания к насосам. Блоки коммутации включают модули коммутации, которые включают первое твердотельное устройство коммутации, первый конденсатор, конденсатор смещения, повторитель в виде твердотельного устройства коммутации и первый диод. Первое устройство коммутации сконфигурировано для активации и реакции на прием напряжения, которое является по меньшей мере таким же, как напряжение активации первого устройства коммутации, чтобы проводить электрический ток между первым трансформатором и электрической нагрузкой. Первое устройство коммутации сконфигурировано для деактивации и прекращения прохождения электрического тока между первым трансформатором и электрической нагрузкой. Первый конденсатор гальванически соединен с первым устройством коммутации и первым трансформатором между первым устройством коммутации и первым трансформатором. Первый конденсатор сконфигурирован для хранения электрической энергии, принимаемой от первого трансформатора, чтобы активировать первое устройство коммутации. Конденсатор смещения гальванически соединен с первым устройством коммутации между первым конденсатором и первым устройством коммутации. Конденсатор смещения сконфигурирован для гальванического соединения со вторым трансформатором, чтобы принимать напряжение смещения через второй трансформатор. Конденсатор смещения сконфигурирован для приложения напряжения смещения к первому устройству коммутации, чтобы предотвратить активацию первого устройства коммутации, за исключением случая, когда комбинация напряжения, принимаемого первым устройством коммутации через первый трансформатор, и напряжения смещения является по меньшей мере такой же большой, как напряжение активации первого устройства коммутации. Повторитель в виде устройства коммутации гальванически соединен с первым устройством коммутации и первым конденсатором между первым устройством коммутации и первым конденсатором. Первый диод гальванически соединен с повторителем в виде устройства коммутации и первым устройством коммутации между первым конденсатором и первым устройством коммутации. Повторитель в виде устройства коммутации и первый диод сконфигурированы для подачи электрического шума, принимаемого через первое устройство коммутации, в проводящий контур, который не включает первый конденсатор.

[0011] В соответствии с различными формами осуществления изобретения предлагается система коммутации напряжения, которая содержит один или более трансформаторов, имеющих множество первичных и вторичных обмоток, и множество устройств коммутации, причем по меньшей мере два из устройств коммутации сконфигурированы для формирования различных выходных напряжений из входного напряжения, генерируемого в трансформаторе. Множество переключателей электрически подключается к одному или более напряжениям. Система коммутации напряжения содержит также блок драйвера, соединенный с множеством переключателей и сконфигурированный для приема одного или более импульсов управления напряжением через первичные обмотки трансформатора, причем блок драйвера переключает один или более из множества переключателей на основании одного или более импульсов управления напряжением.

[0012] В соответствии с другими различными формами осуществления изобретения предлагается рентгеновская система, которая содержит источник рентгеновского излучения, имеющий рентгеновскую трубку, сконфигурированную для работы при множестве различных напряжений, и множество устройств коммутации, причем по меньшей мере два из устройств коммутации сконфигурированы для формирования различных выходных напряжений из входного напряжения, генерируемого в трансформаторе, чтобы управлять переключением рентгеновской трубки при множестве различных напряжений. Рентгеновская система содержит также блок драйвера, соединенный с множеством переключателей и сконфигурированный для приема одного или более импульсов управления напряжением через первичные обмотки трансформатора(-ов), причем блок драйвера переключает один или более из множества переключателей на основании одного или более импульсов управления напряжением.

[0013] В соответствии с другими различными формами осуществления изобретения предлагается способ для управления переключением напряжения, который включает конфигурирование вышеописанной системы коммутации напряжения.

Краткое описание чертежей

[0014] Фиг. 1 - упрощенная схема системы энергопитания в соответствии с различными формами осуществления изобретения.

[0015] Фиг. 2 - схема блока драйвера коммутации в соответствии с одной формой осуществления изобретения.

[0016] Фиг. 3 - схема архитектуры коммутации, включающей блок драйвера коммутации, показанный на фиг. 2.

[0017] Фиг. 4 - схема другой архитектуры коммутации, включающей блок драйвера коммутации, показанный на фиг. 2.

[0018] Фиг. 5 - схема еще одной архитектуры коммутации, включающей блок драйвера коммутации, показанный на фиг. 2.

[0019] Фиг. 6 - схема блока драйвера коммутации в соответствии с другой формой осуществления изобретения.

[0020] Фиг. 7 - схема блока драйвера коммутации в соответствии с еще одной формой осуществления изобретения.

[0021] Фиг. 8 - схема блока драйвера коммутации в соответствии с еще одной формой осуществления изобретения.

[0022] Фиг. 9 - график формы напряжения в соответствии с формой осуществления изобретения.

[0023] Фиг. 10 - схема, иллюстрирующая трансформаторы в соответствии с различными формами осуществления изобретения.

[0024] Фиг. 11 - блок-схема алгоритма способа для управления коммутацией напряжения в соответствии с различными формами осуществления изобретения.

[0025] Фиг. 12 - наглядное представление системы компьютерно-томографического (СТ) отображения, в связи с которой могут быть реализованы различные формы осуществления изобретения.

[0026] Фиг. 13 - блок-схема системы СТ-отображения, показанной на фиг. 8.

[0027] Фиг. 14 - блок-схема системы отображения рентгеновского излучения, в связи с которой могут быть реализованы различные формы осуществления изобретения.

[0028] Фиг. 15 иллюстрирует систему электропитания и систему коммутации согласно одной форме осуществления изобретения.

[0029] Фиг. 16 иллюстрирует один из модулей коммутации, показанных на фиг. 15, согласно одной форме осуществления изобретения.

[0030] Фиг. 17 иллюстрирует пример положительного импульсного напряжения.

[0031] Фиг. 18 иллюстрирует пример отрицательного импульсного напряжения.

[0032] Фиг. 19 иллюстрирует пример переменного импульсного напряжения.

[0033] Фиг. 20 иллюстрирует другую форму осуществления схемы драйвера затвора.

[0034] Фиг. 21 иллюстрирует еще одну форму осуществления схемы драйвера затвора.

[0035] Фиг. 22 иллюстрирует еще одну форму осуществления схемы драйвера затвора.

[0036] Фиг. 23 иллюстрирует одну форму осуществления системы преобразования энергии.

[0037] Фиг. 24 иллюстрирует другую форму осуществления системы преобразования энергии.

[0038] Фиг. 25 иллюстрирует еще одну форму осуществления системы преобразования энергии.

[0039] Фиг. 26 иллюстрирует блок-схему одной формы осуществления способа работы схемы драйвера затвора.

[0040] Фиг. 27 иллюстрирует блок-схему другой формы осуществления способа работы схемы драйвера затвора.

Подробное описание изобретения

[0041] Следующее подробное описание некоторых форм осуществления изобретения будет лучше понято при его прочтении совместно с прилагаемыми чертежами. Используемый здесь элемент или шаг, излагаемый в единственном числе, должен пониматься как не исключающий множественное число упомянутых элементов или шагов, если такое исключение не указано явно. Кроме того, ссылки на "одну форму осуществления изобретения" не предназначены для интерпретации как исключающие существование дополнительных форм осуществления изобретения, которые также содержат изложенные особенности. Кроме того, если явно не указано обратное, формы осуществления изобретения "включающие" или "имеющие" элемент или множество элементов, имеющих конкретное свойство, могут включать дополнительные элементы, не имеющие этого свойства.

[0042] Хотя различные формы осуществления изобретения могут быть описаны здесь в конкретных условиях эксплуатации, например, в конкретной системе отображения, такой как система компьютерной томографии (СТ) "третьего поколения" (например, 64-срезовая система СТ), должно быть понятно, что одна или более форм осуществления изобретения одинаково применимы для использования с другими конфигурациями и системами, например, для различных типов медицинских систем и систем сканирования багажа. Например, различные формы осуществления изобретения применимы для рентгеновских радиографических систем отображения, а также рентгеновских систем отображения с применением томосинтеза. Кроме того, формы осуществления изобретения будут описаны относительно детектирования и преобразования рентгеновских лучей. Однако также должно быть понятно, что формы осуществления изобретения одинаково применимы для детектирования и преобразования другой электромагнитной энергии высокой частоты. Также, хотя рентгеновская трубка и детектор могут описываться вращающимися вокруг отображаемого объекта, дополнительные конфигурации, в которых детектор и источник рентгеновского излучения удерживаются неподвижными, а объект вращается, также предполагаются, например, конфигурации, используемые для целей промышленного неразрушающего контроля. Следовательно, хотя и рассматриваются в контексте систем СТ, различные формы осуществления изобретения могут применяться также к проекционным рентгеновским системам отображения, используемым в других медицинских и промышленных радиографических применениях.

[0043] Различные формы осуществления изобретения предлагают системы и способы управления коммутацией напряжения, которые может включать драйвер затвора для управления многочисленными устройствами, плавающими при многочисленных напряжениях. Например, некоторые формы осуществления изобретения предлагают управление переключателями одновременно или параллельно, когда переключатели связаны с высокими напряжениями (например, 10-300 кВ), включая случай, когда они связываются с многочисленными высокими напряжениями. При применении на практике одной или более форм осуществления изобретения управление переключателями для напряжений, применяемых или подключаемых к многочисленным устройствам, может быть упрощено, включая применение средства управления с меньшим количеством компонентов и менее сложного. Например, различные формы осуществления изобретения могут использоваться для применения сверхбыстродействующего переключения киловольтных напряжений, например, для использования в рентгеновских системах с двумя уровнями энергии. При применении на практике одной или более различных форм осуществления изобретения может быть достигнуто быстрое переключение между первым уровнем напряжения и вторым уровнем напряжения (например, высоким и низким уровнями напряжения), позволяющее улучшенное разделение в средней энергии применяемого рентгеновского спектра, таким образом, улучшая декомпозицию материала и оценку эффективного атомного номера вещества сканируемого объекта.

[0044] При применении на практике одной или более форм осуществления изобретения, например как показано на фиг. 2, множество переключателей (например, два переключателя) могут независимо управляться посредством единственной трансформаторной обмотки. При применении на практике одной или более форм осуществления изобретения, например как показано на фиг. 6, питание драйвера, а также управляющие сигналы могут обеспечиваться единственным трансформатором. Таким образом, в различных формах осуществления изобретения одно или более средств или функций управления могут выполняться с использованием одного компонента, такого как единственный трансформатор или трансформаторная обмотка. Соответственно, уменьшенное число трансформаторов или других управляющих устройств может использоваться в различных формах осуществления изобретения. Кроме того, в некоторых формах осуществления изобретения может обеспечиваться уменьшенная стоимость или размер трансформаторов. Например, в цепях высокого напряжения, стоимость и размер трансформаторов являются, прежде всего, следствием используемой высоковольтной изоляции, которая может быть уменьшена при применении на практике одной или более форм осуществления изобретения.

[0045] Различные формы осуществления изобретения могут быть реализованы в системах, где напряжение, которое необходимо коммутировать, является очень высоким (например, 200 кВ или более), паразитные емкости относительно земли являются также очень большими, или энергия, необходимая нагрузке, относительно мала, как имеет место для промышленных систем контроля, использующих технологию рентгеновской трубки с неподвижным анодом. В различных формах осуществления изобретения обеспечивается коммутация питания или напряжения многочисленных устройств или компонентов, связанных с различными высокими напряжениями. Например, как показано на фиг. 1, иллюстрирующей систему электропитания 20, каждое из множества устройств, показанных как печатные платы (Printed Circuit Boards, PCBs) 22, питаются или подключаются к многочисленным напряжениям, показанным как множество источников 24 питания. Например, в показанной форме осуществления изобретения три печатных платы 22 подключаются к трем различным источникам 24 питания, в частности, связываются с несколькими высокими напряжениями (в этой форме осуществления изобретения 10, 20 и 30 кВ). Следует отметить, что в различных формах осуществления изобретения по меньшей мере два из подключаемых напряжений различны.

[0046] В одной форме осуществления изобретения печатные платы 22 могут быть платами электропитания или управления мощностью для управления мощностью рентгеновской трубки 26, чтобы управлять энергией электронного луча, например, в архитектуре быстрой коммутации. Однако следует отметить, что различные формы осуществления изобретения могут быть реализованы в связи с различными типами систем, которые имеют различные уровни опорного напряжения. Кроме того, переключением питания на дополнительные устройства или компоненты можно управлять, и эти три компонента на фиг. 1 приведены просто для иллюстрации. Например, в некоторых формах осуществления изобретения можно управлять 50, 60 или более компонентами.

[0047] В различных формах осуществления изобретения могут предусматриваться различные блоки драйвера затвора для управления коммутацией различных опорных напряжений. Например, могут предусматриваться пассивные и/или активные блоки драйвера коммутации. В частности, фиг. 2 иллюстрирует пассивный блок 30 драйвера в соответствии с различными формами осуществления изобретения. Пассивный блок 30 драйвера может упоминаться как модуль коммутации. В этой форме осуществления изобретения драйвер затвора питается самим принимаемым сигналом, как описано здесь более подробно.

[0048] Пассивный блок 30 драйвера может использоваться для управления подачей энергии от трансформатора 32, имеющего первичную обмотку 33 и вторичную обмотку 34. Пассивный блок 30 драйвера содержит схему 36 драйвера затвора, которая управляет активацией пары устройств 38 коммутации, показанных как биполярный транзистор с изолированным затвором (Insulated Gate Bipolar Transistor, IGBT). Однако должно быть понятно, что могут использоваться различные устройства коммутации, например, полевые транзисторы со структурой металл-оксид-полупроводник (Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistors, MOSFET), или различные типы транзисторов. Дополнительно следует отметить, что устройства коммутации могут быть изготовлены с использованием кремния (Si), карбида кремния (SiC), нитрида галлия (GaN) или любого другого материала, подходящего для формирования управляемых полупроводниковых устройств. В различных формах осуществления изобретения схема 36 драйвера затвора управляет сигналом драйвера для затворов 40 устройств 38 коммутации.

[0049] В частности, схема 36 драйвера затвора содержит пару диодов 42, соединенных через пару диодов 54 последовательно с резистором 60, с парой конденсаторов 44, которые включены параллельно паре резисторов 46. Эта схема параллельного соединения показана как включенная параллельно вторичной обмотке 34 трансформатора 32. Каждый комплект компонентов, а именно, комплект из диода 42а, диода 54а, резистора 60а, конденсатора 44а и резистора 46а и комплект из диода 42b, диода 54b, конденсатора 44b и резистора 46b, включен между затвором 40 и истоком 50 каждого из устройств 38 коммутации. Пара диодов 52 также включена между истоком 50 и стоком 63 каждого из устройств 38 коммутации, чтобы завершить силовую схему. Следует отметить, что в некоторых формах осуществления изобретения устройства 38 коммутации могут быть включены, например, в конфигурации с общим эмиттером (как показано на фиг. 2). Также следует отметить, что диоды 42 и диоды 52 в каждой из этих пар включены встречно и показаны как имеющие соединенные друг с другом аноды.

[0050] Схема 36 драйвера затвора также содержит пару диодов 54, включенных последовательно с резистором 60 и между диодами 42 и конденсаторами 44. В частности, катоды диодов 42а и 42b соединены с анодами диодов 54а и 54b, соответственно. Резисторы 60 работают как фильтрующий элемент. Следует отметить, что в некоторых формах осуществления изобретения резисторы 60 не предусмотрены, в этом случае пара диодов 54 непосредственно включена между диодами 42 и конденсаторами 44.

[0051] Во время работы, например, положительное импульсное напряжение 56 может подаваться от трансформатора 32 посредством первичной обмотки 33 в одном направлении. Однако, как описано здесь, могут использоваться различные импульсы или сигналы управления напряжением. Показанным импульсным напряжением 56 генерируется ток I₁ (через диоды 54а и 42b и резистор 60а, если он предусмотрен), который заряжает конденсатор 44а до напряжения (Vc), что может упоминаться как заряженное состояние, в это время блокируется зарядка током конденсатора 44b. Зарядка конденсатора 44а приводит к сигналу управления на затворе 40 устройства 38а коммутации, который включает устройство 38а коммутации, когда напряжение заряда конденсатора 44а превышает пороговое напряжение затвора 38а, позволяя электрическому току проходить через устройство 38а коммутации. Устройство 38а коммутации может поддерживаться в открытом состоянии посредством посылки последовательности импульсов, чтобы поддерживать заряд конденсатора 44а. Как только последовательность импульсов прекращается, конденсатор 44а разряжается через резистор 46а, что может упоминаться как разряженное состояние. Когда конденсатор 44а разряжается, если напряжение заряда конденсатора 44а падает ниже порогового напряжения затвора 40, устройство 38а коммутации выключается, блокируя прохождение тока через устройство 38а коммутации.

[0052] Во время работы отрицательное импульсное напряжение 58 может подаваться от трансформатора 32 в одном направлении. В этом случае осуществляется управление устройством 38b коммутации. В частности, показанным импульсным напряжением 58 генерируется ток Ь (через диоды 54b и 42а и резистор 60b, если он предусмотрен), который заряжает конденсатор 44b, в это время ток блокируется от зарядки конденсатора 44а. Зарядка конденсатора 44b приводит к сигналу управления на затворе 40 устройства 38b коммутации, который включает устройство 38b коммутации, когда напряжение заряда конденсатора 44а превышает пороговое напряжение затвора 38b, позволяя электрическому току течь через устройство 38b коммутации. Устройство 38b коммутации может поддерживаться в открытом состоянии посредством посылки последовательности импульсов, чтобы поддерживать заряд конденсатора 44b. Как только последовательность импульсов прекращается, конденсатор 44b разряжается через резистор 46b. Когда конденсатор 44b разряжается, если напряжение заряда конденсатора 44b падает ниже порогового напряжения затвора 40, устройство 38b коммутации выключается, блокируя прохождение тока через устройство 38b коммутации.

[0053] Как показано на фиг. 3, множество схем 36 драйвера затвора может предусматриваться и подключаться к множеству вторичных обмоток 34 трансформатора 32. Первичная обмотка 66 трансформатора 32 подключена к единственному средству регулирования питания, показанному как блок 61 напряжения, имеющий переключатели для управления генерацией гюложительного или отрицательного импульсных напряжений, как описано выше. Как можно видеть, с использованием многочисленных вторичных обмоток 34, которые могут быть плавающими при различных напряжениях, множество схем 36 драйвера затвора может управляться с использованием единственного сигнала (прикладываемого к первичной обмотке 66), генерируемого блоком 61 напряжения. Следует отметить, что, даже если опорное напряжение изменяется, это не оказывает влияния, так как вторичные обмотки 34 и поэтому схемы 36 драйвера затвора изолированы. Таким образом, устройства 38 коммутации могут включаться и поддерживаться включенными без какого-либо внешнего или дополнительного питания.

[0054] Возможны изменения и модификации. Например, как показано на фиг. 4, один трансформатор 32 может предусматриваться для каждой схемы 36 драйвера затвора, например, для каждой печатной платы 22 (показанной на фиг. 1). В этой форме осуществления изобретения сигнал напряжения размножается, и каждый размноженный сигнал посылается отдельной схеме 36 драйвера затвора. Следует отметить, что в этой форме осуществления изобретения изоляция для каждой из схем 36 драйвера затвора уменьшается в результате использования многочисленных трансформаторов 32. Таким образом, в этой форме осуществления изобретения имеется один трансформатор 32 на печатную плату, приводящий в действие многочисленные схемы 36 драйвера затвора.

[0055] Однако, в других формах осуществления изобретения могут быть многочисленные вторичные обмотки 34 в трансформаторе 32, так что множество сигналов управления затворами генерируется множеством трансформаторов 32 и множеством схем 36 на каждый трансформатор, как показано на фиг. 5. Например, каждый из трансформаторов 32 имеет две первичные обмотки, первичную обмотку 68а (и первичную обмотку 66 для первого трансформатора, показанного в нижней части фиг. 5) для приема сигнала от предыдущего трансформатора (или схемы 62 для первого трансформатора), и одну первичную обмотку 68b для посылки сигнала следующему трансформатору 32. Дополнительно, каждый из трансформаторов 32 содержит две обмотки 34 на вторичной стороне, чтобы посылать импульсы напряжения каждой из схем 36 драйвера затвора. Следует отметить, что число вторичных обмоток не ограничено двумя. Дополнительно следует отметить, что устройство с многочисленными трансформаторами 32 позволяет получить намного меньшие размеры, когда генератор рентгеновских лучей формирует очень высокое напряжение.

[0056] Другие формы осуществления изобретения могут предусматривать активный блок 80 драйвера, например, как показано на фиг. 6-8. В форме осуществления изобретения, показанной на фиг. 6, пара устройств 90а и 90b драйвера затвора управляется сигналами от трансформатора 82 с использованием пары триггеров 92а и 92b, работающих в режиме ключа с двумя состояниями. Следует отметить, что, хотя показан активный блок драйвера, управляющий парой устройств 90а и 90b драйвера затвора, каждое устройство 90а и 90b драйвера затвора может отдельно управляться соответствующим трансформатором 82, так что верхние и нижние части схемы, показанной на фиг. 6, разделяются (то есть, не в конфигурации с общим эмиттером). Эти варианты блоков показаны на фиг. 7 и 8.

[0057] Активный блок 80 драйвера содержит пару диодов 84, каждый из них включен параллельно паре резисторов 86 и 88. Следует отметить, что отдельные элементы пары обычно обозначаются как "а" и "b", например, диоды 84а и 84b. Пара резисторов 86 и 88 образует резистивный делитель напряжения с буферной схемой 94, подключенной между резисторами 86, 88. Выход буферной схемы 94 соединен с выводом тактовых импульсов триггера 92 и выход (показанный как выход q) триггера 92 соединен с устройством драйвера 90 затвора. Аналогично, каждый из диодов 84 подключен параллельно другой паре резисторов 104 и 106. Пара резисторов 104 и 106 формирует другой резистивный делитель с другой буферной схемой 108, подключенной между резисторами 104, 106. Выход буферной схемы 108 соединен с выводом RESET (сброса) триггера 92. Диоды 93, резисторы 110 и конденсаторы 112 соединены последовательно друг с другом и параллельно диодам 84.

[0058] Далее, вход регулятора напряжения 114 соединен параллельно конденсаторам 112, а выход подключен параллельно конденсатору 100 и опорному напряжению 5 В (хотя могут использоваться и другие опорные напряжения) триггера 92. Аналогично, последовательное соединение диода 96, резистора 116 и конденсатора 118 подключено параллельно диоду 84. Вход 15 В стабилизатора напряжения 120 (хотя могут использоваться другие входы напряжения), подключен параллельно конденсатору 118, а выход подключен параллельно другому конденсатору 98 и опорному напряжению 15 В драйвера 90 затвора. Дополнительно выход устройства 90 драйвера затвора и устройства 102 коммутации включены в конфигурации с общим эмиттером.

[0059] Во время работы, переменное напряжение 210, например, показанное на фиг. 9, может прикладываться к входным выводам трансформатора 82. Переменное напряжение 210 в некоторых формах осуществления изобретения образовано тремя составляющими. Однако должно быть понятно, что переменное напряжение 210 показано просто в качестве примера, и могут использоваться различные переменные напряжения, имеющие различные составляющие. Одна составляющая 212 обеспечивает питание для драйвера затвора и логического компонента, такого как триггер 92, и имеет относительно малую амплитуду (например, 16В). Вторая составляющая 214 (названная импульсами) обеспечивает сигнал для генератора тактовых импульсов триггера 92, имеет амплитуду больше, чем первая составляющая (например, 20В), и ограничена по длительности. Третья составляющая 216 (названная большими импульсами) имеет наибольшую амплитуду (например, 24В) и используется для сброса триггера 92, когда это необходимо. Следует отметить, что положительная часть переменного напряжения 210 обеспечивает питание и сигналы для компонентов, включенных параллельно диоду 84а, а отрицательная часть обеспечивает питание и сигналы для компонентов, включенных параллельно диоду 84b. Например, полярность сигнала напряжения может использоваться для управления включением и выключением устройств 102 коммутации с помощью триггеров 92 так, как описано более подробно ниже. Однако в этой форме осуществления изобретения устройство 102а или 102b коммутации может поддерживаться включенным или выключенным посылкой различных чисел или видов импульсов как части переменного напряжения 210. Следует отметить, что на фиг. 9 положительные составляющие, помеченные "а" (такие как 214а и 216а), управляют частью "а" фиг. 6 и фиг. 7, а отрицательные составляющие, помеченные "b" (такие как 241b и 214b), управляет частью "b" фиг. 6 (нижней частью) и фиг. 8.

[0060] Как можно видеть, переменное напряжение 210 определяет последовательность импульсов, имеющую составляющие 212 более низкой амплитуды, составляющие (импульсы) 214 средней амплитуды, а именно импульсы, имеющие более высокую амплитуду, чем составляющие 212, и импульсы 216 большей амплитуды, а именно имеющие амплитуду выше, чем импульсы 214. В показанной форме осуществления изобретения переменное напряжение 210 определяет сигналы, которые используются, чтобы посылать энергию для питания триггера 92 и драйвера 90 затвора, импульсы 214 используются для переключения триггера 92, и импульсы 216 используются для сброса триггера 92, давая в результате управляющие сигналы, являющиеся выходными сигналами, которые заставляют устройство 102а или 102b коммутации включаться или выключаться (например, из-за того, что сигнал посылают на вход тактовых импульсов, во время работы, например, четное или нечетное число более высоких импульсов 214, например, 2 или 1, может использоваться, чтобы включать и выключать устройства 102 коммутации). Следует отметить, что в различных формах осуществления изобретения может посылаться импульс 216 с еще более высокой амплитудой (например, с более высокой амплитудой, чем 212 и 214), который сбрасывает триггер 92 в известное состояние (при уровне напряжения для приведения в действие входа сброса (r) триггера 92). Таким образом, например, посредством JK-триггера, работающего в режиме ключа, устройства 102 коммутации могут включаться и выключаться посредством числа импульсов, посылаемых через первичную обмотку трансформатора 82. Также, если частота сигнала слишком низкая, конденсаторы 100 могут подзаряжаться импульсом, меньшим по амплитуде, а именно импульсами 212, не запуская электрическую схему сигнала. Следует отметить, что питание может посылаться с сигналом.

[0061] В показанной форме осуществления изобретения питание (например, +5 В) посылается через трансформатор 82, детектируется и фильтруется диодом 93, резистором 110 и конденсатором 112, затем стабилизируется до 5 В постоянного напряжения регулятором напряжения 114 и емкостью конденсатора 100. Аналогично, питание для драйвера затвора (например 15 В) посылается через трансформатор 82, детектируется и фильтруется диодом 96, резистором 116 и конденсатором 118, затем стабилизируется до 15 В постоянного напряжения регулятором напряжения 120 и емкостью конденсатора 98. Следует отметить, что комплементарный выходной сигнал q триггера 92 может использоваться для управления дополнительным устройством коммутации, который привязан к тому же уровню напряжения главных переключателей (устройств 102 коммутации), но является комплементарным к нему.

[0062] Кроме того, в этой форме осуществления изобретения сигналы управления также посылаются через трансформатор 82. На регуляторы напряжения 114 и 120 импульсы управления 214 или 216 не будут воздействовать из-за короткой длительности импульсов и фильтрующего действия резистора 110 и конденсатора 112, а также резистора 116 и конденсатора 118, соответственно. Резистивный делитель, образованный резисторами 86 и 88, устанавливается по коэффициенту так, чтобы импульс, появляющийся на входе буферной схемы 94, был достаточно большим, чтобы преобразовываться в "логическую 1", только если величина импульса 214 превышает некоторое пороговое напряжение. Резистивный делитель, образованный резистором 104 и резистором 106, устанавливается по коэффициенту так, чтобы импульс 214, который является достаточно большим, чтобы преобразовываться в "логическую 1" буферной схемой 94, не был достаточно большим, чтобы преобразовываться в "логическую 1" буферной схемой 108. Соответственно, только импульсы, такие как 216, будут преобразовываться в "логическую 1" буферной схемой 108 и сбрасывать триггер 92. Следует отметить, что, если импульс является достаточно большим, чтобы сбросить триггер 92, то этот же импульс также создает сигнал тактовой синхронизации, который не является проблемой, так как команда сброса отменяет все другие команды, включая сигнал на входе тактовых импульсов. Дополнительно следует отметить, что логические входы триггера 92 будут защищены от перенапряжений ограничителями напряжения (не показанными).

[0063] Управление коммутацией напряжения различных форм осуществления изобретения, таким образом, может быть реализовано, как, в общем, показано на фиг. 10. Например, управление коммутацией может быть реализовано трансформаторами 120 (работающими как генератор высокого напряжения) с первичной обмоткой 122 на каждой стороне. Трансформатор 120 содержит множество вторичных обмоток 124, связанных с каждой из первичных обмоток 122 и с блоком 126 драйвера, который может быть пассивным блоком 30 драйвера или активным блоком 80 драйвера. В проиллюстрированной форме осуществления изобретения показано восемь вторичных обмоток 124: четыре тороида с двумя обмотками каждый связаны с каждой из первичных обмоток 122. Однако могут быть предусмотрены дополнительные тороиды или обмотки на каждом тороиде. Дополнительно, хотя первичные обмотки 122 трансформаторов 120 соединены последовательно, может предусматриваться параллельное или каскадное соединение первичной стороны изолирующих трансформаторов 120.

[0064] Следует отметить, что в показанной форме осуществления изобретения секция 127 первичных обмоток 122 изолирована, в то время как секция 128 первичных обмоток 122 может быть не изолирована. Также следует отметить, что могут предусматриваться дополнительные трансформаторы, например, до сорока или более. Первичные обмотки 122 также соединены с подключенной к земле низковольтной электронной аппаратурой 130 для генерации импульсов напряжения, как описано здесь.

[0065] Далее следует отметить, что блоки 126 драйвера, соединенные с вторичными обмотками 124, используются для управления коммутацией напряжения, как здесь описано более подробно. Дополнительно также следует отметить, что блоки драйвера могут содержать элементы защиты, при необходимости.

[0066] Во время работы различные формы осуществления изобретения позволяют управлять двумя или более комплектами устройств, которые могут быть с одним и тем же источником опорного напряжения и/или различными источниками опорного напряжения. Источники опорного напряжения (так же как их число и значение напряжения каждого) могут быть различны при необходимости, а также в зависимости от значения схемных элементов в различных формах осуществления изобретения. Следует отметить, что различные формы осуществления изобретения могут управлять двумя или более комплектами устройств независимо, а также на двух или более различных частотах, хотя частоты являются кратными друг ДРУГУ-

[0067] Различные формы осуществления изобретения предлагают способ 150, как показано на фиг. 11, для управления коммутацией напряжения, например, для управления переключением множества устройств, которые подключаются к различным напряжениям, являющимся в некоторых формах осуществления изобретения высокими напряжениями (например, 10 кВ или выше). Способ 150 включает посылку одного или более импульсов напряжения через первичную обмотку одного или более трансформаторов, как описано здесь. Импульсы напряжения имеют такую полярность, чтобы включать одно из двух устройств коммутации в некоторых формах осуществления изобретения. В пассивном устройстве управления, как описано здесь, устройство коммутации выключается прекращением посылки импульсов напряжения. В активном устройстве управления импульсы напряжения обеспечивают сигналы питания для устройств коммутации от внутриплатного источника питания. В этой форме осуществления изобретения один или более импульсов управляющего сигнала (например, нечетное или четное число импульсов) могут посылаться, чтобы включать или выключать устройства коммутации. Дополнительно, может посылаться импульс сигнала сброса, чтобы возвратить переключение к заданному по умолчанию рабочему режиму, например, заданному по умолчанию рабочему режиму триггера, как описано здесь.

[0068] Различные формы осуществления изобретения могут быть реализованы в различных системах, использующих источники высокого напряжения. Например, различные формы осуществления изобретения могут быть реализованы в связи с системой СТ-отображения, как показано на фиг. 12 и 13, или системой рентгенографии, как показано на фиг. 14, которая может быть радиографической или рентгеновской системой с применением томосинтеза.

[0069] В частности на фиг. 12 приведено наглядное представление системы 270 СТ-отображения. На фиг. 13 изображена блок-схема системы 270 СТ-отображения, показанной на фиг. 8. В примере осуществления система 270 СТ-отображения показана как содержащая гантри 272, характерную для системы СТ-отображения "третьего поколения". Гантри 272 имеет источник 274 рентгеновского излучения, который проецирует конический рентгеновский луч 276 к матрице 278 детектора на противоположной стороне гантри 272.

[0070] Матрица 278 детектора сформирована множеством строк детектора (не показанных), содержащих множество детекторных элементов 280, которые вместе считывают проецируемые рентгеновские лучи, пропускаемые объектом, таким как медицинский пациент 282 или часть багажа. Каждый детекторный элемент 280 формирует электрический сигнал, который представляет интенсивность падающего рентгеновского излучения и, следовательно, ослабление луча, когда он проходит через объект или пациента 282. Система 270 отображения, имеющая мультисрезовый детектор 278, способна предоставлять множество изображений, представляющих объем объекта 282. Каждое изображение из множества изображений соответствует отдельному срезу ("слайсу") объема. "Толщина" или апертура среза зависит от высоты строк детектора.

[0071] В течение сканирования для получения данных рентгеновского проецирования вращающаяся часть (не показана) в гантри 272 и смонтированные на ней компоненты вращаются вокруг центра 284 вращения. На фиг. 13 показана только одна строка детекторных элементов 280 (то есть строка детектора). Однако матрица 278 мультисрезового детектора содержит множество параллельных строк из детекторных элементов 280 так, что данные проецирования, соответствующие геометрии конического луча, во время сканирования могут получаться одновременно.

[0072] Вращение гантри 272 и работа источника радиации 274 управляются механизмом 286 управления. Механизм 286 управления содержит рентгеновский контроллер 288 и генератор 290, который подает сигналы питания и синхронизации на источник 274 рентгеновского излучения (например, использующий пассивный блок 30 драйвера или активный блок 80 драйвера) и контроллер 292 двигателя гантри, который управляет угловой скоростью и позицией вращающейся части гантри 272. Система 294 получения данных (Data Acquisition System, DAS) в механизме 286 управления осуществляет выборку аналоговых данных от детекторных элементов 280 и преобразует данные в цифровые сигналы для последующей обработки. Восстановитель 296 изображения принимает выборочные и оцифрованные данные измерения от системы DAS 294 и выполняет высокоскоростное восстановление изображения. Восстановленное изображение применяется как входной сигнал для компьютера 298, который сохраняет изображение в запоминающем устройстве 300 большой емкости. Хотя показанный как отдельное устройство, восстановитель 296 изображения может представлять собой специализированные аппаратные средства, расположенные внутри компьютера 298, или программу, исполняемую в компьютере 298.

[0073] Компьютер 298 также принимает команды и параметры сканирования от оператора через пульт 302, который имеет клавиатуру и/или другое пользовательское устройство(-а) ввода. Связанная система 304 отображения позволяет оператору наблюдать восстановленное изображение и другие данные от компьютера 298. Подаваемые оператором команды и параметры используются компьютером 298, чтобы подавать управляющие сигналы и информацию для системы DAS 294, рентгеновского контроллера 288, генератора 290 и контроллера 292 двигателя гантри. Кроме того, компьютер 298 управляет контроллером 306 двигателя стола, который управляет моторизованным столом 308, чтобы позиционировать пациента 182 или объект в гантри 272. Стол 308 перемещает части пациента 272 сквозь отверстие 310 гантри.

[0074] В одной форме осуществления изобретения компьютер 298 содержит устройство 312, например, дисковод для чтения компакт-дисков (Compact Disk Read Only Memory, CD-ROM), дисковод для чтения цифровых универсальных дисков (Digital Versatile Disk Read Only Memory, DVD-ROM), или твердотельный жесткий диск для считывания команд и/или данных с машиночитаемого носителя 314, такого как CD-ROM или DVD. Следует понимать, что признается существование других типов подходящих машиночитаемых запоминающих устройств (назовем для примера только два: перезаписываемый компакт-диск (Compact Disk Rewritable, CD-RW) и флэш-память), и что данное описание не предназначено для исключения любого из них. В другой форме осуществления изобретения компьютер 298 выполняет команды, хранящиеся во встроенном программном обеспечении (не показано). Вообще, процессор по меньшей мере в одном из системы DAS 294, восстановителя 296 и компьютера 298, показанных на фиг. 13, программируется для выполнения управляющих команд, чтобы осуществить коммутацию, как здесь описано более подробно. Коммутация не ограничена использованием в системе СТ 270 и может использоваться вместе со многими другими типами и разновидностями систем отображения. В одной форме осуществления изобретения компьютер 298 программируется для выполнения различных функций, чтобы переключать устройства коммутации, описанные здесь, соответственно используемый здесь термин компьютер не ограничен только теми интегральными схемами, упоминаемыми в данной области техники как компьютеры, но широко относится к компьютерам, процессорам, микроконтроллерам, микрокомпьютерам, программируемым логическим контроллерам, специализированным интегральным схемам и другим программируемым схемам.

[0075] На фиг. 14 показана система 320 рентгеновского отображения, в которой могут быть реализованы различные формы осуществления изобретения. Система 320 отображения, в общем, содержит рентгеновский детектор 322, имеющий матрицу 324 ячеек детектора, которые определяют участок сканирования, и источник рентгеновского излучения 326. Объект 328, такой как пациент или часть багажа, позиционируется между источником 326 рентгеновского излучения (коммутация напряжения которого может управляться с использованием пассивного блока 30 драйвера или активного блока 80 драйвера) и рентгеновским детектором 322, который может быть одним или более детекторами или модулями детектора. Однако система 320 отображения может сканировать также другие объекты, например, в применениях промышленного контроля. Система 320 отображения также содержит систему 330 получения данных, которая взаимодействует с электронной аппаратурой 332 считывания. Электронная аппаратура 332 считывания может постоянно находиться в рентгеновском детекторе 322 или системе 330 получения данных.

[0076] В одной форме осуществления изобретения, рентгеновский детектор(-ы) 322 может быть системами плоскопанельных детекторов, такими как плоскопанельный детектор с использованием аморфного кремния, или другим типом цифрового детектора рентгеновских изображений, таким как детектор с прямым преобразованием излучения, которые известны специалистам в данной области техники. В другой форме осуществления изобретения рентгеновский детектор(-ы) 322 может содержать сцинтиллятор с экраном, который располагается перед рентгеновским детектором(-ами) 322.

[0077] Следует отметить, что система 320 отображения может быть реализована как неподвижная или подвижная система отображения. Кроме того, система 320 отображения может предусматриваться в различных конфигурациях. Например, данные изображения могут генерироваться источником 326 рентгеновского излучения в дискретных фокусах по малой дуге выше объекта, чтобы генерировать видеоинформацию с использованием вычислительных процедур и процессов томографической реконструкции (или может быть в радиографической конфигурации). В других формах осуществления изобретения источник 326 рентгеновского излучения и рентгеновский детектор 322 установлены на противоположных концах гантри 334, которым может быть С-дуга, вращающаяся вокруг объекта 328. Вращающаяся С-дуга представляет собой опорную конструкцию, которая обеспечивает возможность вращения источника 326 рентгеновского излучения и рентгеновского детектора 322 вокруг объекта 328, по существу, по дуге окружности, чтобы получать множество проецируемых изображений объекта 328 под различными углами (например, различные виды или проекции), которые обычно меньше 360°, но в некоторых случаях могут включать полный оборот.

[0078] Во время работы объект 328 позиционируется в системе 320 отображения для выполнения сканирования для формирования изображения. Например, источник 326 рентгеновского излучения может позиционироваться выше, ниже или вокруг объекта 328. Например, источник 326 рентгеновского излучения (и рентгеновский детектор(-ы) 322) может перемещаться между различными позициями вокруг объекта 328 с использованием гантри 334. Рентгеновские лучи передаются от источника 326 рентгеновского излучения сквозь объект 328 на рентгеновский детектор(-ы) 322, который детектирует рентгеновские лучи, падающие на него.

[0079] Электронная аппаратура 332 считывания может включать плату привязки и регулировки (Reference and Regulation Board, RRB) или другой блок получения данных. Плата RRB может вмещать и подключать модули данных для передачи данных (например, множество видов или проекций) от рентгеновского детектора(-ов) 322 к системе 330 получения данных. Таким образом, электронная аппаратура 332 считывания посылает данные от рентгеновского детектора(-ов) 322 к системе 330 получения данных. Система 330 получения данных формирует изображение из данных и может сохранять, отображать (на дисплее 333) и/или передавать изображение. Например, различные формы осуществления изобретения могут содержать модуль 336 реконструкции изображения, который может быть реализован аппаратными средствами, программными средствами или их комбинацией, что позволяет системе получения данных реконструировать изображения, используя рентгеновские данные (например, радиографические данные или данные томосинтеза), полученные от рентгеновского детектора(-ов) 322, как здесь описано более подробно.

[0080] Одна или более форм осуществления изобретения, описанных здесь, могут использоваться также как устройства коммутации в системе коммутации (например, системе драйверов затворов), которая управляет подачей тока к электрическим машинам, например, в системе драйверов затворов, которые по отдельности управляют подачей различных фаз тока к насосам ESP или другим электрическим машинам. Изобретение упрощает конструкцию и схему драйвера затвора, который пригоден для использования в условиях высокой температуры (например, выше 150°С), не требуя использования высокотемпературных источников питания или интегральных схем драйвера затвора. Устройства, описанные здесь, могут использовать пассивные элементы и надежные сигнальные транзисторы, чтобы управлять электрическими машинами. Изобретение увеличивает надежность устройств коммутации и является масштабируемым для конструкций с различными рабочими напряжениями, таким образом, сокращая или устраняя повторное проектирование драйверов затворов и снижая стоимость их использования.

[0081] В одном аспекте изобретения предлагается несколько топологий блока драйвера затвора для высоковольтных двунаправленных (например, по напряжению и току) твердотельных устройств коммутации, использующих (в одной форме осуществления изобретения) устройства на карбиде кремния (SiC) в жестких условиях эксплуатации, таких как те условия, которые испытывают скважинные переключатели или переключатели для применения в авиации. Устройства коммутации, описанные здесь, могут быть малогабаритными, занимающими малую площадь пассивными элементами с высокой надежностью в условиях высоких температур. Изоляция и синхронизация сигналов между различными устройствами коммутации могут быть достигнуты пассивным высокочастотным трансформатором. Блоки драйвера затвора обеспечивают изменения схемы для получения функций, таких как отрицательное напряжение смещения и высокие скорости отключения.

[0082] В одной форме осуществления изобретения импульсный сигнал высокой частоты может генерироваться на первичной стороне трансформатора, который разветвляет многочисленные сигналы на вторичной стороне трансформатора. Импульсный сигнал может выпрямляться и заряжать емкости затвора, чтобы включать устройства коммутации. Положительные и отрицательные импульсы могут по отдельности управлять множеством устройств коммутации, которые могут быть подключены последовательно в противоположных направлениях. Отрицательное напряжение смещения может генерироваться дополнительным трансформатором. Напряжение смещения может прикладываться к затвору устройства коммутации, чтобы эффективно увеличивать напряжение активации устройства коммутации. Например, напряжение активации устройства коммутации может увеличиваться на абсолютную величину напряжения смещения. Высокотемпературные сигнальные транзисторы могут помогать обеспечивать высокую скорость отключения и уменьшать импеданс цепи затвора, когда устройства коммутации находятся в выключенном состоянии.

[0083] На фиг. 15 показана система 1500 питания и система 1502 коммутации согласно одной форме осуществления изобретения. Система 1500 питания содержит источник 1504 питания, который подает электроэнергию (например, электрический ток, такой как переменный ток) к многочисленным нагрузкам 1506, 1508 (например, к "Нагрузке №1" и "Нагрузке №2" на фиг. 15). Хотя на фиг. 15 показаны две нагрузки 1506, 1508, альтернативно, больше чем две нагрузки 1506, 1508 или одна нагрузка 1506, 1508 могут быть включены в систему 1500 питания. Нагрузки 1506, 1508 могут представлять собой подземные насосы, которые качают ресурсы (например, нефть, газ, и т.д.) из-под поверхности земли к месту выше поверхности земли. Система 1502 коммутации содержит несколько блоков 1510 коммутации (например, блоки 1510А-С коммутации), которые управляют подачей тока от источника 1504 питания к нагрузкам 1506, 1508. В одной форме осуществления изобретения блоки 1510 коммутации содержат схемы драйверов затворов и устройства коммутации, которые являются такими же, как схемы 36 драйверов затворов и устройства 38 коммутации, описанные выше, или аналогичными им. Источник 1504 питания может быть гальванически соединен с блоками 1510 коммутации кабелями 1512, 1514 и 1516. В показанной форме осуществления изобретения источник 1504 питания подает различные фазы переменного тока по различным кабелям 1512, 1514 и 1516. Например, первая фаза переменного тока может подаваться от источника 1504 питания к блоку 1510А коммутации, другая, вторая, фаза переменного тока может подаваться от того же источника 1504 питания к блоку 1510В коммутации, и еще одна, третья, фаза переменного тока может подаваться от того же источника 1504 питания к блоку 1510С коммутации.

[0084] Блоки 1510 коммутации могут включать двунаправленные модули 1518 коммутации (например, модули 1518A-F). Модули 1518 коммутации могут упоминаться как пассивные блоки драйвера, подобные или идентичные пассивному блоку 30 драйвера, показанному на фиг. 2. Модули 1518 коммутации гальванически соединены с нагрузками 1506, 1508 проводами или кабелями 1520 (например, проводами 1520A-F). В показанной форме осуществления изобретения каждый из блоков 1510 коммутации содержит четыре модуля 1518 коммутации. Альтернативно, блоки 1510 коммутации могут содержать различное количество модулей 1518 коммутации или единственный модуль 1518 коммутации.

[0085] Модули 1518 коммутации могут содержать многочисленные устройства коммутации, которые могут находиться в замкнутом (например, проводящем) и разомкнутом (например, непроводящем) состоянии, чтобы управлять прохождением тока между источником 1504 питания и одной или более нагрузками 1506, 1508. Например, каждая пара модулей 1518 коммутации может работать как ключ, чтобы отключать прохождение тока или проводить электрический ток через пару модулей 1518 коммутации. Модуль 1518А коммутации в блоке 1510А коммутации может замыкаться, чтобы проводить первую фазу электрического тока, подаваемую от источника 1504 питания (например, по кабелю 1512) к первой нагрузке 1506 по проводу 1520А. Модуль 1518А коммутации в блоке 1510А коммутации может размыкаться, чтобы прекращать протекание первой фазы электрического тока, подаваемой от источника 1504 питания (например, по кабелю 1512) к нагрузке 1506 по проводу 1520А. Модуль 1518В коммутации в блоке 1510А коммутации может замыкаться, чтобы проводить первую фазу электрического тока, подаваемого от источника 1504 питания (например, по кабелю 1512) ко второй нагрузке 1508 по проводу 1520D. Модуль 1518В коммутации в блоке 1510А коммутации может размыкаться, чтобы прекращать протекание первой фазы электрического тока, подаваемой от источника 1504 питания по кабелю 1512 ко второй нагрузке 1508 по проводу 1520D.

[0086] Модули 1518С коммутации в блоке 1510В коммутации могут замыкаться, чтобы проводить другую, вторую, фазу электрического тока, подаваемую от источника 1504 питания (например, по кабелю 1514), к первой нагрузке 1506 по проводу 1520В. Модуль 1518С коммутации в блоке 1510В коммутации может размыкаться, чтобы прекращать протекание второй фазы электрического тока, подаваемой от источника 1504 питания (например, по кабелю 1514), к нагрузке 1506 по проводу 1520В. Модуль 1518D коммутации в блоке 1510В коммутации может замыкаться, чтобы проводить вторую фазу электрического тока, подаваемую от источника 1504 питания (например, по кабелю 1514), ко второй нагрузке 1508 по проводу 1520Е. Модуль 1518D коммутации в блоке 1510В коммутации может размыкаться, чтобы прекращать протекание второй фазы электрического тока, подаваемой от источника 1504 питания по кабелю 1514, ко второй нагрузке 1508 по проводу 1520Е.

[0087] Модуль 1518Е коммутации в блоке 1510С коммутации может замыкаться, чтобы проводить еще одну, третью, фазу электрического тока, подаваемую от источника 1504 питания (например, по кабелю 1516), к первой нагрузке 1506 по проводу 1520С. Модуль 1518Е коммутации в блоке 1510С коммутации может размыкаться, чтобы прекращать протекание третьей фазы электрического тока, подаваемой от источника 1504 питания (например, по кабелю 1516), к нагрузке 1506 по проводу 1520С. Модуль 1518F коммутации в блоке 1510С коммутации может замыкаться, чтобы проводить третью фазу электрического тока, подаваемую от источника 1504 питания (например, по кабелю 1516), ко второй нагрузке 1508 по проводу 1520F. Модуль 1518F коммутации в блоке 1510С коммутации может размыкаться, чтобы прекращать протекание третьей фазы электрического тока, подаваемого от источника 1504 питания по кабелю 1516, ко второй нагрузке 1508 по проводу 1520F. Альтернативно, единственный модуль 1518 коммутации может размыкаться или замыкаться для прекращения прохождения или подачи, соответственно, фазы электрического тока от одного из кабелей 1512, 1514, 1516 к одному из проводов 1520.

[0088] Модули 1518 коммутации размыкаются или замыкаются на основании сигналов управления затвором, подаваемых (или не подаваемых) к устройствам коммутации в модулях 1518 коммутации блоков 1510 коммутации. Управляя тем, какие устройства коммутации в модулях 1518 коммутации являются разомкнутыми или замкнутыми в разное время, можно управлять подачей различных фаз тока от источника 1504 питания к нагрузкам 1506, 1508. Блоки 1510 коммутации могут быть надежными полупроводниковыми устройствами, которые могут противостоять и продолжать работать в условиях высокой температуры и высокого давления (например, температуры по меньшей мере 150-200°С и/или давления по меньшей мере 130000 кПа). В этом аспекте устройства коммутации в модулях 1518 коммутации содержат полевые транзисторы со структурой метал-окисел-полупроводник (MOSFET), которые сформированы из карбида кремния (SiC). Альтернативно, устройства коммутации могут быть твердотельными устройствами коммутации другого типа и/или могут быть сформированы из другого материала.

[0089] На фиг. 16 показан один из модулей 1518 коммутации, приведенных на фиг. 15, согласно одной форме осуществления изобретения. Работа модуля 1518 коммутации, как описано здесь, может повторяться и независимо управляться (относительно другого модуля 1518 коммутации в системе 1502 коммутации (показанной на фиг. 15), чтобы независимо управлять временным процессом подачи различных фаз тока от источника 1504 питания к различным нагрузкам 1506, 1508, как описано выше.

[0090] Модуль 1518 коммутации по выбору может упоминаться как пассивный блок драйвера. Модуль 1518 коммутации может содержать два или более пассивных блоков 30 драйвера, показанных на фиг. 1. Модуль 1518 коммутации может использоваться для управления множеством устройств, плавающих при множестве напряжений. Например, некоторые формы осуществления изобретения обеспечивают управление переключателями одновременно или параллельно, когда переключатели связываются с высокими напряжениями, включая случай, когда они связываются с множеством высоких напряжений. При применении на практике одной или более форм осуществления изобретения управление переключателями для напряжений, прикладываемых или подключаемых к множеству устройств, может быть упрощено, включая наличие средств управления с меньшим количеством компонентов и менее сложных. При применении на практике одной или более форм осуществления изобретения множество переключателей (например, два переключателя) могут независимо управляться одной обмоткой трансформатора. Таким образом, в различных формах осуществления изобретения одно или более средств управления или функций могут выполняться с использованием одного компонента, такого как один трансформатор или обмотка трансформатора. Соответственно, уменьшенное число трансформаторов или других управляющих устройств может использоваться в различных формах осуществления изобретения. Кроме того, уменьшенная стоимость или размер трансформаторов могут обеспечиваться в некоторых формах осуществления изобретения. Например, в схемах высокого напряжения стоимость и размер трансформаторов, прежде всего, зависят от используемой высоковольтной изоляции, которая может быть уменьшена при применении на практике одной или более форм осуществления изобретения.

[0091] Модуль 1518 коммутации может использоваться, чтобы управлять подачей питания от трансформатора 32, имеющего первичную обмотку 33 и многочисленные вторичные обмотки 34 (например, вторичные обмотки 34А, 34В). Первичная обмотка 33 трансформатора 32 гальванически соединена по меньшей мере с одним из кабелей 1512, 1514, 1516 (показанных на фиг. 15), чтобы принимать электрический ток от источника 1504 питания. Модуль 1518 коммутации содержит схемы 1602 драйверов затворов (например, схемы 1602А, 1602В), которые могут быть подобны схеме 36 драйвера затвора, показанной на фиг. 2.

[0092] Схемы 1602 драйверов затворов управляют энергией, подаваемой во множество устройств 1606 коммутации (например, устройств коммутации 1606A-D), которые показаны как IGBT. Однако должно быть понятно, что могут использоваться различные устройства коммутации, например MOSFET или различные типы транзисторов. Дополнительно, следует отметить, что устройства коммутации могут быть изготовлены с использованием кремния (Si), карбида кремния (SiC), нитрида галлия (GaN) или любого другого материала, подходящего для формирования управляемых полупроводниковых устройств. В различных формах осуществления изобретения схема 1602 драйвера затвора управляет сигналами управления, которые подаются на затворы 1608 устройств 1606 коммутации.

[0093] Схемы 1602 драйверов затворов содержат диоды 42 (например, диоды 42А, 42В), соединенные через диоды 54 (например, диоды 54А, 54В) с конденсаторами 44 (например, конденсаторами 44А, 44В), которые подключены параллельно резисторам 46 (например, резисторам 46А, 46В). Эта схема параллельного подключения показана как включенная параллельно вторичным обмоткам 34 трансформатора 32. Эти компоненты соединяются как различные группы компонентов параллельно затворам 1608 и эмиттерам 1610 устройств 1606 коммутации. Например, первая группа компонентов, которая содержит диод 42А, диод 54А, резистор 46А и конденсатор 44А, подключена параллельно затвору 1608 и эмиттеру 1610 устройства 1606А коммутации в схеме 1602А драйвера затвора, а вторая группа компонентов, которая содержит диод 42В, диод 54В, резистор 46В и конденсатор 44В, подключена параллельно затвору 1608 и эмиттеру 1610 устройства 1606В коммутации в схеме 1602В драйвера затвора. Как показано на фиг. 16, третья группа компонентов, которая содержит диод 42А, диод 54А, резистор 46А и конденсатор 44А, подключена параллельно затвору 1608 и эмиттеру 1610 устройства 1606С коммутации в схеме 1602В драйвера затвора, а четвертая группа компонентов, которая содержит диод 42В, диод 54В, резистор 46В и конденсатор 44В, подключена параллельно затвору 1608 и эмиттеру 1610 устройства 1606D коммутации в схеме 1602В драйвера затвора.

[0094] Дополнительные диоды 52 (например, диоды 52А, 52В) также подключены между эмиттерами 1610 и коллекторами 1624 устройств 1606 коммутации. Например, диод 52А может быть подключен между эмиттером 1610 и коллектором 1624 устройства 1606А коммутации, а диод 52В может быть подключен между эмиттером 1610 и коллектором 1624 устройства 1606В коммутации, чтобы завершить схему. Диоды 52 также подключены между эмиттерами 1610 и коллекторами 1624 устройств коммутации 1606С, 1606D, как показано на фиг. 16. Следует отметить, что в некоторых формах осуществления изобретения устройства 1606 коммутации могут быть включены, например, в конфигурации с общим эмиттером.

[0095] Диоды 42А, 42В и диоды 52А, 52В в каждой из групп компонентов соединены встречно, они показаны как имеющие аноды, соединенные друг с другом так, чтобы диоды 42А, 42В ограничивали прохождение тока в противоположных направлениях, а диоды 52А, 52В также ограничивали прохождение тока в противоположных направлениях, как показано на фиг. 16. Диоды 54 включены между диодами 42 и резисторами 46, и между диодами 42 и конденсаторами 44. В частности, катоды диодов 42А и 42В соединены с анодами диодов 54А и 54В, соответственно.

[0096] Во время работы источник 1504 питания может подавать положительное импульсное напряжение 1700 по кабелю 1512, 1514 и 1516 на первичную обмотку 33 трансформатора 32. На фиг. 17 показан один пример положительного импульсного напряжения 1700. Положительное импульсное напряжение 1700 показано рядом с горизонтальной осью 1702, представляющей время, и вертикальной осью 1704, представляющей амплитуду положительного напряжения.

[0097] Это положительное импульсное напряжение может вызвать приложение положительного потенциала к одному концу 1626 первичной обмотки 33 или около него и приложение отрицательного потенциала к противоположному концу 1628 первичной обмотки 33 или около него. Трансформатор 32 передает эти потенциалы на вторичные обмотки 34 так, что первый конец 1630 вторичной обмотки 34А и первый конец 1632 вторичной обмотки 34 В имеют положительные потенциалы, а противоположные вторые концы 1634, 1636 вторичных обмоток 34А, 34В имеют отрицательные потенциалы.

[0098] Относительно схемы 1602А драйвера затвора положительное импульсное напряжение подается как ток через диод 54А к конденсатору 44А, чтобы заряжать этот конденсатор 44А. Источник 1504 питания может содержать контроллер 1522 и/или управляться им, при этом контроллер 1522 может представлять собой схемы аппаратных средств, включающих и/или связанных с одним или более процессорами (например, микропроцессорами, программируемыми пользователем матрицами логических элементов, интегральными схемами или другими электронными устройствами на основе логических схем) и/или устройствами ввода (например, кнопками, переключателями, клавиатурами и т.д.), которые управляют импульсами, напряжениями, токами, переключателями (например, механическим выключателем 2506, показанным на фиг. 25 и описанным ниже), подводимыми к различным схемам 1602 драйверов затворов в модулях 1518 коммутации, показанных на фиг. 15.

[0099] Ток проходит от конденсатора 44А через диод 42В назад к вторичной обмотке 34А трансформатора 32. Конденсаторы 44А и 44В в схемах 1602А, 1602В драйверов затворов могут заряжаться до уровня напряжения, который равен или выше порогового напряжения V_C заряженного состояния, которое является достаточно большим, чтобы приложить напряжение к затвору 1608 устройства 1606А коммутации и заставить устройство 1606А коммутации активироваться (например, замкнуться) и проводить ток через устройство 1606А коммутации на его коллектор 1624. Например, состояние зарядного напряжения может быть больше, чем напряжение активации устройства 1606А коммутации. Напряжение активации может составлять пятнадцать вольт в одной форме осуществления изобретения. Альтернативно, напряжение активации может быть большим или меньшим.

[00100] Ток тогда может подаваться из схемы 1602А драйвера затвора и модуля 1518 коммутации через проводящую магистраль 1638, которая может представлять собой один или более проводов 1520 (показанных на фиг. 15) или быть гальванически соединена с ними. Фаза тока, проходящего через схему 1602А драйвера затвора, тогда может проходить к одной или более нагрузкам 1506, 1508 (показанным на фиг. 15) через соответствующий провод 1520.

[00101] Источник 1504 питания может остановить подачу положительного импульсного напряжения на трансформатор 32 и, следовательно, остановить зарядку конденсатор 44А в схеме 1602А драйвера затвора. Энергия, которая хранится в конденсаторе 44А, может тогда выделиться из конденсатора 44А как ток разряда. Ток разряда может пройти в контур между конденсатором 44А и резистором 46А в схеме 1602А драйвера затвора, чтобы рассеять эту накопленную энергию. Реагируя на это, напряжение (V_C) заряженного состояния на конденсаторе 44А падает ниже напряжения активации устройства 1606А коммутации, устройство 1606А коммутации может деактивироваться (например, разомкнуться) и прекратить подачу тока к проводящей магистрали 1638. В результате, фаза тока, проходящего через схему 1602А драйвера затвора к одной или более нагрузкам 1506, 1508 через одну или более магистралей 1520, может прекратить подаваться к нагрузке 1506, 1508.

[00102] Источник 1504 питания может подавать отрицательное импульсное напряжение 1800 по кабелю 1512, 1514 и 1516 на первичную обмотку 33 трансформатора 32. На фиг. 18 показан один пример отрицательного импульсного напряжения 1800. Отрицательное импульсное напряжение 1800 показано вместе с горизонтальной осью 1702 и вертикальной осью 1804, представляющей амплитуды отрицательного напряжения.

[00103] Отрицательное импульсное напряжение может заставлять отрицательный потенциал прикладываться к концу 1626 первичной обмотки 33 или около него, а положительный потенциал прикладываться к противоположному концу 1628 первичной обмотки 33 или около него. Трансформатор 32 передает эти потенциалы на вторичные обмотки 34 так, что первые концы 1630, 1632 вторичных обмоток 34А, 34В имеют отрицательные потенциалы, а вторые концы 1634, 1636 вторичных обмоток 34А, 34В имеют положительные потенциалы.

[00104] В отношении схемы 1602В драйвера затвора отрицательное импульсное напряжение проходит как ток через диод 54В к конденсатору 44В, чтобы заряжать конденсатор 44В положительным напряжением. Ток проходит от конденсатора 44В через диод 42В назад к вторичной обмотке 34 В трансформатора 32. Конденсатор 44В в схеме 1602В драйвера затвора может заряжаться до уровня напряжения, который равен или выше порогового напряжения V_C заряженного состояния, которое является достаточно большим, чтобы приложить напряжение к затвору 1608 устройства 1606D коммутации и заставить устройство 1606D коммутации активироваться (например, замкнуться) и проводить ток через устройство 1606D коммутации на коллектор 1624 устройства 1606D коммутации. Ток затем может выходить из схемы 1602 В драйвера затвора и модуля 1518 коммутации через проводящую магистраль 1644, которая может представлять или быть гальванически соединена с одним или более проводами 1520. Фаза тока, проходящего через схему 1602В драйвера затвора, может тогда проходить к одной или более нагрузкам 1506, 1508 (показанным на фиг. 15) через соответствующий провод 1520.

[00105] Проводящие магистрали 1638, 1644 схем 1602А, 1602В драйверов затворов могут представлять различные провода 1520 или быть гальванически соединены с ними; схемы 1602А, 1602В драйверов затворов могут по отдельности управлять пропусканием одной и той же фазы тока от источника 1504 питания к различным нагрузкам 1506, 1508.

[00106] Источник 1504 питания может остановить подачу отрицательного импульса напряжения на трансформатор 32 и, следовательно, остановить зарядку конденсатора 44В в схеме 1602 В драйвера затвора. Энергия, которая хранится в конденсаторе 44В, тогда может выделиться из конденсатора 44В как ток разряда. Ток разряда может пройти в контур между конденсатором 44В и резистором 46В в схеме 1602 В драйвера затвора, чтобы рассеять эту накопленную энергию. Реагируя на это, напряжение (V_C) заряженного состояния на конденсаторе 44 В падает ниже напряжения активации устройства 1606D коммутации, устройство 1606D коммутации может деактивироваться (например, разомкнуться) и прекратить подачу тока к проводящей магистрали 1644. В результате фаза тока, проходящего через схему 1602В драйвера затвора к одной или более нагрузкам 1506, 1508 через одну или более магистралей 1520, может прекратить подаваться к нагрузке 1506, 1508.

[00107] Чтобы активировать оба устройства коммутации 1606А, 1606D и заставить одну и ту же фазу тока от источника 1504 питания параллельно или одновременно проходить к различным нагрузкам 1506, 1508, может подаваться переменное импульсное напряжение 1900 от источника 1504 питания к первичной обмотке 33 трансформатора 32. На фиг. 19 показан пример переменного импульсного напряжения 1900. Переменное импульсное напряжение 1900 показано вместе с горизонтальной осью 1702 и вертикальными осями 1704, 1804.

[00108] Это переменное импульсное напряжение может заставлять положительный потенциал прикладываться к концу 1626 первичной обмотки 33 или около него, а отрицательный потенциал прикладываться к противоположному концу 1628 первичной обмотки 33 или около него, в течение первого периода времени 1902 (показанного на фиг. 19), в котором переменное импульсное напряжение содержит положительное импульсное напряжение 1700, показанное на фиг. 17. Как описано выше, это положительное импульсное напряжение, прикладываемое в течение первого периода времени, может замыкать устройство 1606А коммутации, чтобы заставить фазу тока проходить к нагрузке 1506, 1508. Переменное импульсное напряжение может заставлять отрицательный потенциал прикладываться к концу 1626 первичной обмотки 33 или около него, а положительный потенциал прикладываться к противоположному концу 1628 первичной обмотки 33 или около него, в течение другого, второго периода 1904 времени (показанного на фиг. 19), в котором переменное импульсное напряжение содержит отрицательное импульсное напряжение 1800. Как описано выше, это отрицательное импульсное напряжение, прикладываемое в течение второго периода времени может замыкать устройство 1606D коммутации, чтобы заставлять фазу тока проходить к другой нагрузке 1506, 1508. Периоды времени 1902, 1904 могут быть достаточно короткими по длительности, чтобы конденсаторы 44А, 44В в схемах драйверов затворов 1602А, 1602 В сохраняли заряды выше порогов активации устройств коммутации 1606А, 1606D и сохраняли устройства коммутации 1606А, 1606D замкнутыми. После снятия переменного импульсного напряжения конденсаторы 44 могут разряжаться через резисторы 46 и заставлять устройства коммутации 1606А, 1606D размыкаться.

[00109] Фиг. 20 иллюстрирует другую форму осуществления схемы 2000 драйвера затвора. Схема 2000 драйвера затвора может использоваться вместо одной или более схем 1602 драйверов затворов, описанных выше. Например, система 1502 коммутации, блоки 1510 коммутации и/или модули 1518 коммутации, показанные на фиг. 15, могут содержать одну или более схем 2000 драйверов затворов, показанных на фиг. 20, вместо одной или более схем 1602 драйверов затворов.

[00110] Схема 2000 драйвера затвора содержит многие из тех же самых компонентов, что и схема 1602 драйвера затвора. Схема 2000 драйвера затвора содержит различные устройства 2018 коммутации (например, устройства 2018А, 2018В коммутации), которые показаны как MOSFET, имеющие затвор 2002, исток 2020 и сток 2004. Альтернативно, схема 2000 драйвера затвора может включать IGBT, показанные на фиг. 16 как устройства 2018 коммутации. Схема 2000 драйвера затвора может быть соединена с другой схемой 2000 драйвера затвора, чтобы образовать модуль 1518 коммутации. Например, сток 2004 устройства 2018 В коммутации может быть гальванически соединен с истоком 2020 другого устройства коммутации другой схемы драйвера затвора, чтобы образовать модуль 1518 коммутации.

[00111] Схема 2000 драйвера затвора содержит второй трансформатор 2012, имеющий первичную обмотку 2014 и вторичную обмотку 2016. Вторичная обмотка 2016 соединена с диодом 2010 последовательно с конденсатором 2008. Конденсатор 2008 может упоминаться как конденсатор напряжения смещения. Конденсатор 2008 соединен с конденсаторами 44 и устройствами 2018 коммутации между конденсаторами 2008 и устройствами 2018 коммутации.

[00112] Схема 2000 драйвера затвора может работать в некотором смысле подобно схеме 1602 драйвера затвора. Например, положительное импульсное напряжение может прикладываться к трансформатору 32 источником 1504 питания (показанным на фиг. 15), чтобы заряжать конденсатор 44А и замыкать устройство 2018А коммутации, и напряжение может не прикладываться к трансформатору 32, чтобы разряжать конденсатор 44А через резистор 46А и размыкать устройство 2018А коммутации. Отрицательное импульсное напряжение может прикладываться к трансформатору 32 источником 1504 питания, чтобы заряжать конденсатор 44В в схеме 2000 драйвера затвора и замыкать устройство 2018В коммутации, напряжение может не прикладываться, чтобы размыкать устройства коммутации 2018А, 2018В, и переменное импульсное напряжение может прикладываться, чтобы замыкать устройства коммутации 2018А, 2018В.

[00113] Конденсатор 2008 может использоваться для приложения отрицательного напряжения смещения к затвору 2002 устройства 2018А коммутации в схеме 2000 драйвера затвора, чтобы шумы или другие электрические помехи в схеме 2000 драйвера затвора (например, другие электрические сигналы, кроме напряжений или токов, подаваемых от источника 1504 питания) не явились причиной замыкания устройства 2018А коммутации. Например, электрические шумы или помехи в схеме 2000 драйвера затвора могут зарядить конденсатор 44А до величины, которая является достаточной для достижения или превышения напряжения активации устройства 2018А коммутации при отсутствии достаточного импульсного напряжения, прикладываемого источником 1504 питания, чтобы замкнуть устройство 2018А коммутации.

[00114] Чтобы воспрепятствовать этому шуму активировать устройство 2018А коммутации, переменное импульсное напряжение (например, переменный ток, такой как импульсное напряжение 1900, показанное на фиг. 19) может прикладываться ко второму трансформатору 2012 источником 1504 питания или другим источником питания. Например, первичная обмотка 2014 второго трансформатора 2012 может быть гальванически связана с источником 1504 питания, как описано ниже. Переменное импульсное напряжение, прикладываемое к первичной обмотке 2014, может передаваться на вторичную обмотку 2016 и затем прикладываться через диод 2010 к конденсатору 2008. Поскольку катод диода 2010 соединен последовательно с конденсатором 2008, конденсатор 2008 может заряжаться напряжением, имеющим положительную полярность на стороне конденсатора 2008, которая соединена с катодом диода 2010, и отрицательную полярность на противоположной стороне конденсатора 2008.

[00115] Отрицательная полярность энергии, запасенной в конденсаторе 2008, прикладывается к затвору 2002 устройства 2018А коммутации. Амплитуда отрицательной полярности энергии, прикладываемой к затвору 2002 устройства 2018 коммутации, основана на амплитуде переменного тока, прикладываемого ко второму трансформатору 2012. Для больших амплитуд напряжений в переменном токе отрицательная полярность, прикладываемая к затвору 2002, возрастает, в то время как для меньших амплитуд напряжений в переменном токе, отрицательная полярность, прикладываемая к затвору 2002, уменьшается.

[00116] Отрицательная полярность, прикладываемая к затвору 2002 устройства 2018А коммутации, эффективно увеличивает напряжение активации устройства 2018А коммутации. Устройство 2018А коммутации может быть активировано (например, замкнуто) при приложении порогового напряжения (например, +15 вольт или другого значения) к затвору 2002 устройства 2018А коммутации. Однако отрицательный потенциал, прикладываемый к затвору 2002 устройства 2018А коммутации конденсатором 2008, увеличивает величину положительного напряжения, которое должно прикладываться к затвору 2002, чтобы активировать устройство 2018А коммутации. Например, если напряжение активации устройства 2018А коммутации составляет +15 вольт, а конденсатор 2008 заставляет -5 В (или другое значение) прикладываться к затвору 2002, то конденсатор 44А должен быть заряжен по меньшей мере +20 вольтами так, чтобы по меньшей мере +20 вольт прикладывалось к затвору 2002 для активации устройства 2018А коммутации, чтобы преодолеть отрицательное смещение, прикладываемое конденсатором 2008, и пороговое напряжение устройства 2018А коммутации. Без зарядки конденсатора 2008 посредством второго трансформатора 2012 конденсатор 2008 не прикладывает отрицательное смещение к затвору 2002 устройства 2018А коммутации, и устройство 2018А коммутации может быть активировано при приложении более низких напряжений к его затвору 2002. В результате приложение отрицательного смещения к затвору 2002 может уменьшить или устранить случаи, когда электрические шумы или другие помехи активируют устройство 2018А коммутации.

[00117] На фиг. 21 показана еще одна форма осуществления схемы 2100 драйвера затвора. Схема 2100 драйвера затвора может использоваться вместо одной или более схем 1602, 2000 драйверов затворов, описанных выше. Например, система 1502 коммутации, блоки 1510 коммутации и/или модули 1518 коммутации, показанные на фиг. 15, могут содержать одну или более схем 2100 драйверов затворов, показанных на фиг. 21, вместо одной или более схем 1602 и/или 2000 драйверов затворов.

[00118] Схема 2100 драйвера затвора содержит многие из тех же самых компонентов, что и схемы 1602, 2000 драйверов затворов. Схема 2100 драйвера затвора содержит дополнительные повторители 2102 в виде устройств коммутации (например, повторители в виде устройств коммутации 2102А, 2102В) и диоды 2104 (например, диоды 2104А, 2104В). Ниже устройства 2102 коммутации показаны как биполярные плоскостные транзисторы (Bipolar Junction Transistors, BJT), но они могут быть другими твердотельными устройствами коммутации.

[00119] Базы 2106 устройств 2102 коммутации соединены с конденсаторами 44 и анодами диодов 2104 и подключены в точках между конденсаторами 44 и диодами 2104. Эмиттеры 2112 устройств 2102 коммутации соединены с затворами 2002 устройств 2108 коммутации и катодами диодов 2104 и подключены в точках между затворами 2002 устройств 2018 коммутации и катодами диодов 2104. Коллекторы 2110 устройств 2102 коммутации соединены друг с другом, с конденсаторами 44 и с истоками 2020 устройств 2018 коммутации и подключены в точках между конденсаторами 44 и истоками 2020 устройств 2018 коммутации.

[00120] Схема 2100 драйвера затвора работает согласно способу, описанному выше в связи со схемами 1602, 2000 драйверов затворов, чтобы замыкать устройства 2018 коммутации. Повторители 2102 в виде устройств коммутации в схеме 2100 драйвера затвора могут помогать в предотвращении повторной зарядки конденсаторов 44 электрическими шумами или другими помехами (например, другими электрическими сигналами кроме напряжений или токов, подаваемых от источника 1504 питания) вслед за размыканием устройств 2018 коммутации. Например, после удаления импульсного напряжения, прикладываемого к трансформатору 32, чтобы активировать устройство 2018А коммутации, конденсатор 44А разряжает накопленную энергию (как описано выше), чтобы замкнуть устройство 2018А коммутации. Однако нагрузки 1506, 1508 могут генерировать электрические сигналы или шумы, которые проходят обратно в устройства 2018 коммутации. Сигналы или шумы могут проходить от устройства 2018А коммутации обратно в схему 2100 драйвера затвора.

[00121] Без повторителей 2102 в виде устройств коммутации и/или диодов 2104, сигналы или шумы могут проходить обратно через устройства 2018 коммутации в конденсатор 44А. Сигналы или шумы могли бы повторно зарядить конденсатор 44А до такой степени, что запасенная энергия в конденсаторе 44А (и, таким образом, прикладываемая к затвору 2002 устройства 2018А коммутации) повторно бы активировала устройство 2018А коммутации. В результате устройство 2018А коммутации замкнулось бы, и ток мог бы проходить к нагрузке 1506 и/или 1508 без подачи источником 1504 питания тока для активации устройства 2018А коммутации.

[00122] При наличии повторителей 2102 в виде устройств коммутации эти устройства 2102 коммутации и диоды 2104 предотвращают прохождение сигналов или шумов к конденсатору 44А и его повторную зарядку. Сигналы или шумы будут проходить в контур, который содержит исток 2020 устройства 2018А коммутации, диод 2104А и повторитель 2102 в виде устройства коммутации. Сигналам или шумам не позволяют достигнуть конденсатора 44А и, в результате, конденсатор 44А повторно не заряжается, и устройство 2018А коммутации непреднамеренно повторно не активируется.

[00123] На фиг. 22 показана еще одна форма осуществления схемы 2200 драйвера затвора. Схема 2200 драйвера затвора может использоваться вместо одной или более схем 1602, 2000, 2100 драйверов затворов, описанных выше. Например, система 1502 коммутации, блоки 1510 коммутации и/или модули 1518 коммутации, показанные на фиг. 15, могут содержать одну или более схем 2200 драйверов затворов, показанных на фиг. 22, вместо одной или более схем 1602, 2000, 2100 драйверов затворов.

[00124] Схема 2200 драйвера затвора содержит многие из тех же самых компонентов, что и схемы 1602, 2000, 2100 драйверов затворов. Схема 2200 драйвера затвора может быть образована как комбинация схем 2000, 2100 драйверов затворов. Например, схема 2200 драйвера затвора может содержать конденсатор 2008 отрицательного смещения и диод 2010 схемы 2000 драйвера затвора, и повторитель 2102 в виде устройства коммутации и диоды 2104 схемы 2100 драйвера затвора. Во время работы устройства 2018 коммутации схемы 2200 драйвера затвора могут активироваться или деактивироваться, как описано выше. Конденсатор 2008 отрицательного смещения может накапливать энергию посредством второго трансформатора 2012. Как описано выше, эта накопленная энергия может прикладываться к затвору устройства 2018 коммутации в качестве отрицательного смещения, чтобы предотвращать активацию устройства 2018 коммутации шумами или другими электрическими флуктуациями в схеме 2200 драйвера затвора. Также как описано выше, повторитель 2102А в виде устройства коммутации может предотвращать повторную зарядку конденсатора 44А шумами или другими электрическими флуктуациями (не подаваемыми от источника 1504 питания) и, таким образом, повторную активацию устройства 2018А коммутации, как также описано выше.

[00125] На фиг. 23 показана одна форма осуществления системы 2300 преобразования энергии. Система 2300 может использоваться, чтобы передавать электрическую энергию от источника 1504 питания (показанного на фиг. 15) к трансформаторам 32, 2012 схем 2000, 2200 драйверов затворов, показанных на фиг. 20 и 22. Система 2300 содержит три проводящие магистрали, соединенные с трансформаторами 32, 2012. Магистрали могут содержать магистрали 2302, 2304 и 2306. Проводящие магистрали 2302, 2304 и 2306 могут представлять собой провода, кабели или подобные им, которые гальванически соединены с источником 1504 питания или другим источником питания.

[00126] Источник питания подает импульсы напряжения (как описано выше) к трансформаторам 32, 2012, чтобы управлять схемами 2000, 2200 драйверов затворов. Источник питания может подавать импульс напряжения к трансформатору 32 через магистрали 2304, 2306, чтобы активировать или деактивировать устройства коммутации в схемах 2000, 2200 драйверов затворов. Источник питания может передавать переменный импульс или другое напряжение или ток по магистралям 2306, 2302, чтобы заряжать конденсатор 2008 смещения, как описано выше. Использование этой же самой магистрали 2306 для управления устройствами коммутации и зарядки конденсатора 2008 смещения может уменьшить полную длину проводящих магистралей, проходящих от источника питания к схемам 2000, 2200 драйверов затворов. Например, вместо того, чтобы использовать две отдельные магистрали для соединения с трансформатором 32 и две другие магистрали для соединения с трансформатором 2012, использование трех магистралей для соединения с обоими трансформаторами 32, 2012 может уменьшить длину магистралей и, в результате, стоимость и сложность системы 2300, используемой для передачи энергии схемам драйверов затворов.

[00127] На фиг. 24 показана другая форма осуществления системы 2400 преобразования энергии. Система 2400 может использоваться для передачи электрической энергии от источника 1504 питания (показанного на фиг. 15) к трансформаторам 32, 2012 схем 2000, 2200 драйверов затворов, показанных на фиг. 20 и 22. В отличие от системы 2300, показанной на фиг. 23, система 2400 содержит четыре проводящие магистрали, соединенные с трансформаторами 32, 2012. Магистрали могут содержать проводящую магистраль 2304 (также показанную на фиг. 23) и проводящие магистрали 2402, 2404 и 2406. Проводящие магистрали 2402, 2404, 2406 и 2304 могут представлять собой провода, кабели или подобные им, которые гальванически соединены с источником 1504 питания или другим источником питания. Магистрали 2304, 2406 гальванически соединяют источник 1504 питания с трансформатором 32, а магистрали 2402, 2404 гальванически соединяют источник 1504 питания с трансформатором 2012, не будучи гальванически соединены с трансформатором 32. Отдельные группы магистралей 2304, 2406 и магистралей 2402, 2404 могут помогать источнику 1504 питания в управлении по отдельности напряжениями и/или токами, подаваемыми к различным трансформаторам 32, 2012.

[00128] На фиг. 25 показана еще одна форма осуществления системы 2500 преобразования энергии. Система 2500 может использоваться для передачи электрической энергии от источника 1504 питания (показанного на фиг. 15) к трансформаторам 32, 2012 схем 2000, 2200 драйверов затворов, показанных на фиг. 20 и 22. Система 2500 содержит проводящие магистрали 2512, 2514, гальванически соединяющие источник питания с трансформатором 32 и проводящими магистралями 2502, 2504, которые гальванически соединены с магистралями 2512, 2514. Проводящие магистрали 2502, 2504 могут быть гальванически соединены с магистралями 2512, 2514 в местах, которые ближе к схемам драйверов затворов, чем источник питания, чтобы уменьшить относительно системы 2300 общую длину проводящих магистралей, используемых в системе 2500. Устройство 2506 коммутации гальванически соединено с узловой точкой 2508 и расположено между этой узловой точкой 2508, которая соединяет проводящую магистраль 2512 с проводящей магистралью 2502, и трансформатором 32. Альтернативно, устройство 2506 коммутации может быть расположено между узловой точкой 2510, которая соединяет проводящую магистраль 2514 с проводящей магистралью 2504, и трансформатором 32. Устройство 2506 коммутации может представлять собой механическое устройство коммутации или твердотельное устройство коммутации, которое размыкается или замыкается, чтобы управлять подачей напряжения или тока к трансформатору 32. Устройство 2506 коммутации может управляться контроллером 1522, показанным на фиг. 15.

[00129] На фиг. 26 показана блок-схема алгоритма одной формы осуществления способа 2600 эксплуатации схемы драйвера затвора. Способ 2600 может использоваться для управления подачей электрического тока к двум или более различным нагрузкам, например для управления подачей различных фаз тока от источника питания к множеству различных нагрузок, используя схемы драйвера затвора. В одном аспекте способ 2600 может выполняться схемами драйверов затворов, описанными здесь, которые содержат один или более конденсаторов смещения (например, схемами 2000, 2200 драйверов затворов).

[00130] На шаге 2602 напряжение смещения прикладывается к конденсатору смещения в схеме драйвера затвора. Например, источник 1504 питания (показанный на фиг. 15) может передавать электроэнергию конденсатору 2008 (показанному на фиг. 20 и 22) через трансформатор 2012 (показанный на фиг. 20 и 22) и через диод 2010 (показанный на фиг. 20). Это напряжение смещения заряжает конденсатор смещения электрической энергией, такой как пять вольт или другое значение.

[00131] На шаге 2604 напряжение прикладывается к затвору устройства коммутации. Напряжение, которое прикладывается к затвору, может приходить из различных источников. В ситуации, где напряжение прикладывается источником 1504 питания, чтобы активировать устройство 2018А коммутации (показанное на фиг. 20), напряжение может прикладываться через трансформатор 32 (показанный на фиг. 2, 20, и 22), через диод 54А (показанный на фиг. 2, 20, и 22) к конденсатору 44А (показанному на фиг. 2, 20, и 22), который тогда прикладывает напряжение к затвору 2002 (показанному на фиг. 20 и 22) устройства 2018А коммутации. В другой ситуации напряжение может прикладываться к затвору 2002 от электрических шумов в схеме драйвера затвора (например, когда напряжение не подается от источника 1504 питания через трансформатор 32).

[00132] На шаге 2606, когда напряжение, прикладываемое (от источника питания или откуда-либо еще) к затвору устройства коммутации, является таким же, как комбинация напряжения активации устройства коммутации и напряжения смещения конденсатора смещения, или большим, то прикладываемое напряжение может быть достаточным для активации (например, замыкания) устройства коммутации. Комбинация напряжения активации и напряжения смещения может быть суммой абсолютной величины напряжения смещения и напряжения активации. Например, если напряжение смещения равно -5 вольт и напряжение активации - +15 вольт, то напряжение, прикладываемое к затвору, должно быть по меньшей мере +20 вольт, чтобы активировать устройство коммутации. В результате напряжение, прикладываемое к затвору, вероятно, не является шумами в схеме драйвера затвора, и процесс выполнения способа 2600 может перейти к шагу 2610. С другой стороны, если напряжение, прикладываемое к затвору, не превышает комбинацию напряжения активации и напряжения смещения, то прилагаемое напряжение может быть из-за шумов в схеме драйвера затвора. В результате процесс выполнения способа 2600 может перейти к шагу 2608.

[00133] На шаге 2608 устройство коммутации остается деактивированным (например, разомкнутым), чтобы предотвратить прохождение электрических помех или другого тока в схеме драйвера затвора к нагрузкам. Процесс выполнения от шага способа 2600 может возвратиться к шагу 2602. Альтернативно, работа способа 2600 может завершаться. На шаге 2610 устройство коммутации активируется (например, замыкается), чтобы проводить ток от источника питания (или другого источника питания) к нагрузке. Например, устройство коммутации может замыкаться для подачи одной фазы многофазного тока, подаваемой от источника 1504 питания, к одной из нагрузок 1506, 1508 (показанных на фиг. 15). Процесс выполнения способа от шага 2600 может возвратиться к шагу 2602. Альтернативно, выполнение способа 2600 может завершиться.

[00134] На фиг. 27 показана блок-схема алгоритма одной формы осуществления способа 2700 использования схемы драйвера затвора. Способ 2700 может использоваться для управления подачей электрического тока к двум или более различным нагрузкам, например при управлении подачей различных фаз тока от источника питания к множеству различных нагрузок, используя схемы драйвера затвора. В одном аспекте способ 2700 может выполняться схемами драйверов затворов, описанными здесь, которые содержат один или более из повторителей в виде устройств коммутации (например, схем 2100, 2200 драйверов затворов). В одной форме осуществления способы 2600, 2700 могут выполняться вместе. Например, схема драйвера затвора, имеющая один или более конденсаторов смещения и один или более повторителей в виде устройств коммутации (например, схему 2200 драйвера затвора), может выполнять оба способа 2600, 2700.

[00135] На шаге 2702 напряжение прикладывается к затвору устройства коммутации. Напряжение, которое прикладывается к затвору, может исходить из различных источников. Как описано выше, напряжение может прикладываться источником питания, чтобы активировать устройство коммутации, или напряжение может прикладываться из-за шума в схеме драйвера затвора. На шаге 2704, если напряжение, прикладываемое к затвору (от источника питания или откуда-либо еще) устройства коммутации, является таким же, как комбинация напряжения активации устройства коммутации и напряжения смещения конденсатора смещения, или большим, то прикладываемое напряжение может быть достаточным для активации (например, замыкания) устройства коммутации, как описано выше. В результате напряжение, прикладываемое к затвору, вероятно, не является шумами в схеме драйвера затвора, и процесс выполнения способа 2700 может перейти к шагу 2706. На шаге 2706 устройство коммутации активируется (например, замыкается), чтобы проводить ток от источника питания (или другого источника питания) к нагрузке. Например, устройство коммутации может замыкаться для пропускания одной фазы многофазного тока, подаваемой от источника 1504 питания к одной из нагрузок 1506, 1508 (показанных на фиг. 15). Процесс выполнения способа 2700 может возвратиться к шагу 2702. Альтернативно, работа способа 2600 может завершиться.

[00136] С другой стороны, если напряжение, прикладываемое к затвору, не превышает комбинацию напряжения активации и напряжения смещения, то прикладываемое напряжение может быть вызвано шумами в схеме драйвера затвора, или прикладываемое напряжение может быть уменьшено источником питания, чтобы деактивировать устройство коммутации. В результате процесс выполнения способа 2700 может перейти к шагу 2708. На шаге 2708 устройство коммутации остается деактивированным (например, разомкнутым), чтобы предотвратить прохождение электрических шумов или другого тока в схеме драйвера затвора к нагрузкам. Процесс выполнения способа 2700 может перейти к шагу 2710. В другой форме осуществления изобретения может не быть напряжения смещения, прикладываемого к устройству коммутации конденсатором смещения. В такой форме осуществления изобретения определение на шаге 2704 может включать определение, равно или превышает ли прилагаемое напряжение напряжение активации устройства коммутации.

[00137] На шаге 2710 электрические шумы или другие сигналы, которые не генерируются источником питания или другим источником, чтобы управлять активацией или деактивацией устройства коммутации, могут подаваться обратно в устройство коммутации. Например, электрические сигналы или шумы, генерируемые нагрузками, могут проходить в устройство коммутации. Если такие сигналы или шумы проходят обратно в устройство коммутации, то процесс выполнения способа 2700 может перейти к шагу 2712. Иначе, процесс выполнения способа 2700 может возвратиться к шагу 2702. Альтернативно, работа способа 2700 может завершиться.

[00138] На шаге 2712 шумы или другие сигналы проходят в контур, который содержит другое устройство коммутации и устройство коммутации, упомянутое на шаге 2702. Например, повторитель в виде устройства коммутации может предотвратить прохождение шумов или других сигналов к конденсатору в схеме драйвера затвора, который прикладывает напряжение к устройству коммутации, используемому для управления подачей тока к нагрузкам. Повторитель в виде устройства коммутации может сохранять шумы или другие электрические сигналы, проходящие в контур, до тех пор, пока шумы или сигналы не рассеются. Процесс выполнения способа 2700 может возвратиться к шагу 2702 или завершиться.

[00139] Здесь раскрыты различные примеры и аспекты устройств и способов, которые включают множество компонентов, особенностей и функциональных возможностей. Следует понимать, что различные примеры и аспекты устройств и способов, раскрытых здесь, могут включать любой из компонентов, особенностей и функциональных возможностей любого из других примеров и аспектов устройств и способов, раскрытых здесь, в любой комбинации, и все такие возможности находятся в пределах сущности и объема настоящего изобретения.

[00140] Следует отметить, что конкретная конфигурация компонентов (например, число, типы, расположение или что-либо подобное) показанных форм осуществления изобретения может модифицироваться в различных альтернативных формах осуществления изобретения. В различных формах осуществления изобретения могут использоваться различные количества данного модуля, системы или блока, различные тип или типы данного модуля, системы или блока; ряд модулей, систем или блоков (или их аспектов) могут комбинироваться; данный модуль, система или блок может быть разделен на множество модулей (или подмодулей), систем (или подсистем) или блоков (или подблоков); данный модуль, система или блок может быть добавлен, или данный модуль, система или блок может быть удален.

[00141] Следует отметить, что различные формы осуществления изобретения могут быть реализованы аппаратными средствами, программными средствами или их комбинацией. Различные формы осуществления изобретения и/или компоненты, например, модули, системы или компоненты и контроллеры в ней, также могут быть реализованы как часть одного или более компьютеров или процессоров. Компьютер или процессор может включать вычислительное устройство, устройство ввода, устройство отображения и интерфейс. Компьютер или процессор могут включать микропроцессор. Микропроцессор может быть соединен с шиной связи. Компьютер или процессор также могут содержать запоминающее устройство. Запоминающее устройство может включать оперативное запоминающее устройство (Random Access Memory, RAM) и постоянное запоминающее устройство (Read Only Memory, ROM). Кроме того, компьютер или процессор могут содержать запоминающее устройство, которое может быть накопителем на жестком диске или сменным накопителем, таким как полупроводниковый накопитель, оптический накопитель и т.п. Запоминающее устройство также может быть другим подобным средством для загрузки компьютерных программ или других команд в компьютер или процессор.

[00142] Каждый используемый здесь термин "компьютер", "контроллер", "система" и "модуль" может включать любую систему на основе процессора или микропроцессора, включая системы, использующие микроконтроллеры, компьютеры с сокращенным набором команд (Reduced Instruction Set Computers, RISC), специализированные интегральные схемы (Application Specific Integrated Circuit, ASIC), логические схемы, графические процессоры (Graphical Processing Unit, GPU), программируемые пользователем вентильные матрицы (Field-Programmable Gate Array, FPGA) и любую другую схему или процессор, способные выполнять описанные здесь функции. Вышеупомянутые примеры приводятся только в качестве примера и поэтому не предназначены для ограничения определения и/или значения термина "модуль", "система" или "компьютер".

[00143] Компьютер, модуль, система или процессор выполняют набор команд, которые хранятся в одном или более запоминающих устройствах, чтобы обрабатывать входные данные. Запоминающие устройства также могут хранить данные или другую информацию при необходимости. Запоминающее устройство может быть в виде источника информации или физического элемента памяти в машине для обработки информации.

[00144] Набор команд может включать различные команды, которые предписывают компьютеру, модулю, системе или процессору, как машине для обработки информации, выполнять определенные операции, такие как способы и процессы различных форм осуществления изобретения, описанных и/или проиллюстрированных в настоящем документе. Набор команд может быть представлен в виде программы. Программное обеспечение может быть в различных формах, таких как системное программное обеспечение или прикладное программное обеспечение, и может быть воплощено как энергонезависимый машиночитаемый носитель. Кроме того, программное обеспечение может быть в виде коллекции отдельных программ, систем или модулей, программным модулем в большей программе или частью программного модуля. Программное обеспечение также может содержать модульное программирование в виде объектно-ориентированного программирования. Обработка входных данных машиной для обработки информации может выполняться в ответ на команды оператора или в ответ на результаты предыдущей обработки, либо в ответ на запрос, посылаемый другой машиной для обработки информации.

[00145] Используемые здесь термины "программное обеспечение" и "встроенное программное обеспечение" взаимозаменяемы и включают любую компьютерную программу для выполнения компьютером, хранящуюся в запоминающем устройстве, включая запоминающее устройство RAM, ROM, стираемое программируемое постоянное запоминающее устройства (Erasable Programmable Read-Only Memory, EPROM), электрически стираемое и программируемое постоянное запоминающее устройство (Electrically Erasable Programmable Read-Only Memory, EEPROM) и энергонезависимое запоминающее устройство (Non-Volatile RAM, NVRAM). Вышеупомянутые типы запоминающих устройств приводятся только в качестве примера, и поэтому не ограничивают типы запоминающих устройств, пригодных для хранения компьютерной программы. Отдельные компоненты различных форм осуществления изобретения могут быть виртуализированы и могут обрабатываться вычислительной средой облачного типа, например, позволять динамическое распределение вычислительной мощности, не требуя от пользователя заботиться о местоположении, конфигурации и/или определенных аппаратных средствах компьютерной системы.

[00146] Следует понимать, что вышеприведенное описание предназначено для иллюстрации изобретения и не ограничивает его. Например, вышеописанные формы осуществления изобретения (и/или их аспекты) могут использоваться в комбинации друг с другом. Кроме того, множество модификаций может быть сделано для приспособления конкретной ситуации или материала к идеям различных форм осуществления изобретения, в пределах его объема. Размеры, типы материалов, ориентации различных компонентов и количества и позиции различных компонентов, описанных здесь, предназначены для определения параметров некоторых форм осуществления изобретения, не ограничивают изобретение и являются просто примерами его осуществления. Много других форм осуществления изобретения и изменений в пределах сущности и объема формулы изобретения будут очевидны специалистам в данной области техники после рассмотрения вышеприведенного описания. Поэтому объем различных форм осуществления изобретения должен определяться на основании прилагаемой формулы изобретения, наряду с полным объемом охватываемых ею эквивалентов. В прилагаемой формуле изобретения термины "включающий" и "в котором" используются просто как эквиваленты соответствующих терминов "содержащий" и "причем". Кроме того, в нижеследующей формуле изобретения термины "первый", "второй", "третий" и т.д. используются просто как метки и не предназначены для наложения численных требований на их объекты. Кроме того, ограничения нижеследующей формулы изобретения не написаны в формате "средство плюс функция" и не должны интерпретироваться на основании § 112, пункта (f), раздела 35 Свода законов США, если такие ограничения формулы изобретения явно не используют фразу "средство для", сопровождаемую изложением функции без описания дальнейшей структуры.

[00147] Настоящее описание использует примеры, чтобы раскрыть различные формы осуществления изобретения, а также позволить специалистам в данной области техники использовать различные формы осуществления изобретения, включая изготовление и эксплуатацию любых устройств или систем и выполнение любых описанных способов. Объем изобретения определяется формулой изобретения и может включать другие примеры, которые будут очевидны специалистам. Такие другие примеры находятся в пределах объема формулы изобретения, если они имеют конструктивные элементы, которые не отличаются от буквальных формулировок формулы изобретения, или включают эквивалентные конструктивные элементы с несущественными отличиями от буквальных формулировок формулы изобретения.

Изобретение относится к области электротехники. Технический результат заключается в уменьшении массогабаритных показателей системы питания. Раскрыты системы, использующие коммутационную систему, связанную с источником питания, и подземные насосы для откачки ресурса из-под поверхности земли. Первый конденсатор находится между первым устройством коммутации и первым трансформатором и сохраняет электрическую энергию, принимаемую от первого трансформатора, чтобы активировать первое устройство коммутации. Конденсатор смещения находится между первым конденсатором и первым устройством коммутации и принимает напряжение смещения через второй трансформатор. Конденсатор смещения прикладывает напряжение смещения к первому устройству коммутации, чтобы предотвращать активацию первого устройства коммутации, за исключением случая, когда комбинация напряжения, принимаемого первым устройством коммутации через первый трансформатор, и напряжения смещения является по меньшей мере такой же, как напряжение активации первого устройства коммутации. 3 н. и 17 з.п. ф-лы, 27 ил.

1. Система электропитания, содержащая:

коммутационную систему, сконфигурированную для функционального соединения с источником питания, который подает электрический ток в множество подземных насосов для откачки ресурса из-под поверхности земли, причем коммутационная система содержит блоки коммутации, сконфигурированные для управления подачей тока от источника питания к насосам, при этом блоки коммутации содержат модули коммутации, которые включают первое твердотельное устройство коммутации, первый конденсатор и конденсатор смещения,

причем первое устройство коммутации сконфигурировано для активации и реакции на прием напряжения, которое является по меньшей мере таким же, как напряжение активации первого устройства коммутации, чтобы проводить электрический ток между первым трансформатором и электрической нагрузкой, а также сконфигурировано для деактивации и прекращения прохождения электрического тока между первым трансформатором и электрической нагрузкой,

первый конденсатор гальванически соединен с первым устройством коммутации и первым трансформатором между первым устройством коммутации и первым трансформатором, причем первый конденсатор сконфигурирован для хранения электрической энергии, принимаемой от первого трансформатора, чтобы активировать первое устройство коммутации, и

конденсатор смещения гальванически соединен с первым устройством коммутации между первым конденсатором и первым устройством коммутации и сконфигурирован для гальванического соединения со вторым трансформатором, чтобы принимать напряжение смещения через второй трансформатор,

при этом конденсатор смещения также сконфигурирован для приложения напряжения смещения к первому устройству коммутации, чтобы предотвращать активацию первого устройства коммутации и подачу тока от источника питания к одному или более насосам, за исключением случая, когда комбинация напряжения, принимаемого первым устройством коммутации через первый трансформатор, и напряжения смещения является по меньшей мере такой же, как напряжение активации первого устройства коммутации.

2. Система электропитания по п. 1, в которой модули коммутации также содержат повторитель в виде твердотельного устройства коммутации и диод, причем повторитель в виде твердотельного устройства коммутации гальванически соединен с первым устройством коммутации и первым конденсатором между первым устройством коммутации и первым конденсатором, а диод гальванически соединен с повторителем в виде устройства коммутации и первым устройством коммутации между первым конденсатором и первым устройством коммутации, при этом повторитель в виде устройства коммутации и диод сконфигурированы для подачи электрического шума, принимаемого через первое устройство коммутации, в проводящий контур, который не включает первый конденсатор.

3. Система электропитания по п. 1, в которой модули коммутации также содержат диод, сконфигурированный для последовательного соединения с конденсатором смещения между вторым трансформатором и конденсатором смещения, при этом катод диода соединен с конденсатором смещения, а анод диода сконфигурирован для соединения со вторым трансформатором.

4. Система электропитания по п. 3, в которой диод сконфигурирован для ограничения прохождения тока, принимаемого от второго трансформатора, к конденсатору смещения так, чтобы напряжение смещения было отрицательным.

5. Система электропитания по п. 1, в которой модули коммутации также содержат второе твердотельное устройство коммутации и второй конденсатор, при этом второе устройство коммутации сконфигурировано для активации и реакции на прием напряжения, которое является по меньшей мере таким же, как напряжение активации второго устройства коммутации, чтобы проводить электрический ток между первым трансформатором и электрической нагрузкой, причем второе устройство коммутации сконфигурировано для деактивации и прекращения прохождения электрического тока между первым трансформатором и электрической нагрузкой, второй конденсатор гальванически соединен со вторым устройством коммутации и первым трансформатором между вторым устройством коммутации и вторым трансформатором, причем второй конденсатор также сконфигурирован для хранения электрической энергии, принимаемой от первого трансформатора, чтобы активировать второе устройство коммутации, и

конденсатор смещения сконфигурирован для приложения напряжения смещения ко второму устройству коммутации, чтобы предотвращать активацию второго устройства коммутации, за исключением случая, когда комбинация напряжения, принимаемого вторым устройством коммутации через первый трансформатор, и напряжения смещения является по меньшей мере такой же, как напряжение активации второго устройства коммутации.

6. Система электропитания по п. 5, в которой первое устройство коммутации сконфигурировано для активации и реакции на прием первым трансформатором импульса положительного напряжения от источника питания без активации второго устройства коммутации, а второе устройство коммутации сконфигурировано для активации и реакции на прием первым трансформатором импульса отрицательного напряжения от источника питания без активации первого устройства коммутации.

7. Система электропитания по п. 5, в которой модули коммутации также содержат первый диод, второй диод, третий диод и четвертый диод,

при этом первый диод имеет катод, функционально соединенный с первым устройством коммутации, и анод, сконфигурированный для функционального соединения с первым трансформатором, и расположен между первым конденсатором и первым трансформатором,

второй диод имеет катод, функционально соединенный со вторым устройством коммутации, и анод, сконфигурированный для функционального соединения с первым трансформатором, и расположен между вторым конденсатором и первым трансформатором,

третий диод имеет катод, функционально соединенный с анодом первого диода, и катод, функционально соединенный с первым конденсатором, и

четвертый диод имеет катод, функционально соединенный с анодом второго диода, и катод, функционально соединенный со вторым конденсатором,

причем аноды третьего и четвертого диодов функционально соединены друг с другом в точке между первым и вторым конденсаторами.

8. Система электропитания по п. 1, также содержащая первый и второй трансформаторы, при этом первый трансформатор гальванически соединен с первым устройством коммутации и первым конденсатором посредством первой и второй проводящих магистралей, а второй трансформатор гальванически соединен с конденсатором смещения посредством второй проводящей магистрали и третьей проводящей магистрали.

9. Система электропитания, содержащая:

коммутационную систему, сконфигурированную для функционального соединения с источником питания, который подает электрический ток в множество подземных насосов для откачки ресурса из-под поверхности земли, причем коммутационная система содержит блоки коммутации, сконфигурированные для управления подачей тока от источника питания к насосам, при этом блоки коммутации содержат модули коммутации, которые включают первое твердотельное устройство коммутации, первый конденсатор, повторитель в виде твердотельного устройства коммутации и первый диод,

при этом первое твердотельное устройство коммутации сконфигурировано для активации и реакции на прием напряжения, которое является по меньшей мере таким же, как напряжение активации первого устройства коммутации, чтобы проводить электрический ток между первым трансформатором и электрической нагрузкой, причем первое устройство коммутации сконфигурировано для деактивации и прекращения прохождения электрического тока между первым трансформатором и электрической нагрузкой,

первый конденсатор гальванически соединен с первым устройством коммутации и первым трансформатором между первым устройством коммутации и первым трансформатором, причем первый конденсатор сконфигурирован для хранения электрической энергии, принимаемой от первого трансформатора, чтобы активировать первое устройство коммутации,

повторитель в виде твердотельного устройства коммутации гальванически соединен с первым устройством коммутации и первым конденсатором между первым устройством коммутации и первым конденсатором, и

первый диод гальванически соединен с повторителем в виде устройства коммутации и первым устройством коммутации между первым конденсатором и первым устройством коммутации, при этом повторитель в виде устройства коммутации и первый диод сконфигурированы для подачи электрического шума, принимаемого через первое устройство коммутации, в проводящий контур, который не включает первый конденсатор.

10. Система электропитания по п. 9, в которой блоки коммутации также содержат второй диод, сконфигурированный для последовательного соединения с конденсатором смещения между вторым трансформатором и конденсатором смещения, при этом катод второго диода соединен с конденсатором смещения, а анод второго диода сконфигурирован для соединения со вторым трансформатором.

11. Система электропитания по п. 10, в которой второй диод сконфигурирован для ограничения прохождения тока, принимаемого от второго трансформатора, к конденсатору смещения так, чтобы напряжение смещения было отрицательным.

12. Система электропитания по п. 9, в которой блоки коммутации также содержат конденсатор смещения, гальванически соединенный с первым устройством коммутации между первым конденсатором и первым устройством коммутации,

при этом конденсатор смещения сконфигурирован для гальванического соединения со вторым трансформатором, чтобы принимать напряжение смещения через второй трансформатор, и

для приложения напряжения смещения к первому устройству коммутации, чтобы предотвращать активацию первого устройства коммутации, за исключением случая, когда комбинация напряжения, принимаемого первым устройством коммутации через первый трансформатор, и напряжения смещения является по меньшей мере такой же, как напряжение активации первого устройства коммутации.

13. Система электропитания по п. 12, в которой блоки коммутации также содержат второе твердотельное устройство коммутации и второй конденсатор,

при этом второе устройство коммутации сконфигурировано для активации и реакции на прием напряжения, которое является по меньшей мере таким же, как напряжение активации второго устройства коммутации, чтобы проводить электрический ток между первым трансформатором и электрической нагрузкой, причем второе устройство коммутации сконфигурировано для деактивации и прекращения прохождения электрического тока между первым трансформатором и электрической нагрузкой,

второй конденсатор гальванически соединен со вторым устройством коммутации и первым трансформатором между вторым устройством коммутации и вторым трансформатором, причем второй конденсатор сконфигурирован для хранения электрической энергии, принимаемой от первого трансформатора, чтобы активировать второе устройство коммутации, и

конденсатор смещения сконфигурирован для приложения напряжения смещения ко второму устройству коммутации, чтобы предотвращать активацию второго устройства коммутации, за исключением случая, когда комбинация напряжения, принимаемого вторым устройством коммутации через первый трансформатор, и напряжения смещения является по меньшей мере такой же, как напряжение активации второго устройства коммутации.

14. Система электропитания по п. 13, в которой первое устройство коммутации сконфигурировано для активации и реакции на прием первым трансформатором импульса положительного напряжения от источника питания без активации второго устройства коммутации, а второе устройство коммутации сконфигурировано для активации и реакции на прием первым трансформатором импульса отрицательного напряжения от источника питания без активации первого устройства коммутации.

15. Система электропитания по п. 9, в которой блоки коммутации также содержат второй диод, третий диод, четвертый диод и пятый диод,

при этом второй диод имеет катод, функционально соединенный с первым устройством коммутации, и анод, сконфигурированный для функционального соединения с первым трансформатором, и расположен между первым конденсатором и первым трансформатором,

третий диод имеет катод, функционально соединенный со вторым устройством коммутации, и анод, сконфигурированный для функционального соединения с первым трансформатором, и расположен между вторым конденсатором и первым трансформатором,

четвертый диод имеет катод, функционально соединенный с анодом второго диода, и катод, функционально соединенный с первым конденсатором, и

пятый диод имеет катод, функционально соединенный с анодом третьего диода, и катод, функционально соединенный со вторым конденсатором,

причем аноды четвертого и пятого диодов функционально соединены друг с другом в точке между первым и вторым конденсаторами.

16. Система электропитания, содержащая:

коммутационную систему, сконфигурированную для функционального соединения с источником питания, который подает электрический ток в множество подземных насосов для откачки ресурса из-под поверхности земли, причем коммутационная система содержит блоки коммутации, сконфигурированные для управления подачей тока от источника питания к насосам, при этом блоки коммутации содержат модули коммутации, которые включают первое твердотельное устройство коммутации, первый конденсатор, конденсатор смещения, повторитель в виде твердотельного устройства коммутации и первый диод,

при этом первое устройство коммутации сконфигурировано для активации и реакции на прием напряжения, которое является по меньшей мере таким же, как напряжение активации первого устройства коммутации, чтобы проводить электрический ток между первым трансформатором и электрической нагрузкой, причем первое устройство коммутации сконфигурировано для деактивации и прекращения прохождения электрического тока между первым трансформатором и электрической нагрузкой,

первый конденсатор гальванически соединен с первым устройством коммутации и первым трансформатором между первым устройством коммутации и первым трансформатором, причем первый конденсатор сконфигурирован для хранения электрической энергии, принимаемой от первого трансформатора, чтобы активировать первое устройство коммутации,

конденсатор смещения гальванически соединен с первым устройством коммутации между первым конденсатором и первым устройством коммутации, причем конденсатор смещения сконфигурирован для гальванического соединения со вторым трансформатором, чтобы принимать напряжение смещения через второй трансформатор, и для приложения напряжения смещения к первому устройству коммутации, чтобы предотвращать активацию первого устройства коммутации, за исключением случая, когда комбинация напряжения, принимаемого первым устройством коммутации через первый трансформатор, и напряжения смещения является по меньшей мере такой же, как напряжение активации первого устройства коммутации,

повторитель в виде устройства коммутации гальванически соединен с первым устройством коммутации и первым конденсатором между первым устройством коммутации и первым конденсатором, и

первый диод гальванически соединен с повторителем в виде устройства коммутации и первым устройством коммутации между первым конденсатором и первым устройством коммутации, причем повторитель в виде устройства коммутации и первый диод сконфигурированы для подачи электрического шума, принимаемого через первое устройство коммутации, в проводящий контур, который не включает первый конденсатор.

17. Система электропитания по п. 16, в которой блоки коммутации также содержат второй диод, сконфигурированный для последовательного соединения с конденсатором смещения между вторым трансформатором и конденсатором смещения, при этом катод второго диода соединен с конденсатором смещения, а анод второго диода сконфигурирован для соединения со вторым трансформатором, причем второй диод сконфигурирован для ограничения прохождения тока, принимаемого от второго трансформатора, к конденсатору смещения так, чтобы напряжение смещения было отрицательным.

18. Система электропитания по п. 16, в которой блоки коммутации также содержат второе твердотельное устройство коммутации и второй конденсатор,

при этом второе устройство коммутации сконфигурировано для активации и реакции на прием напряжения, которое является по меньшей мере таким же, как напряжение активации второго устройства коммутации, чтобы проводить электрический ток между первым трансформатором и электрической нагрузкой, и второе устройство коммутации сконфигурировано для деактивации и прекращения прохождения электрического тока между первым трансформатором и электрической нагрузкой,

второй конденсатор гальванически соединен со вторым устройством коммутации и первым трансформатором между вторым устройством коммутации и вторым трансформатором, причем второй конденсатор сконфигурирован для хранения электрической энергии, принимаемой от первого трансформатора, чтобы активировать второе устройство коммутации, и

конденсатор смещения сконфигурирован для приложения напряжения смещения ко второму устройству коммутации, чтобы предотвращать активацию второго устройства коммутации, за исключением случая, когда комбинация напряжения, принимаемого вторым устройством коммутации через первый трансформатор, и напряжения смещения является по меньшей мере такой же, как напряжение активации второго устройства коммутации.

19. Система электропитания по п. 18, в которой первое устройство коммутации сконфигурировано для активации и реакции на прием первым трансформатором импульса положительного напряжения от источника питания без активации второго устройства коммутации, а второе устройство активации сконфигурировано для активации и реакции на прием первым трансформатором импульса отрицательного напряжения от источника питания без активации первого устройства коммутации.

20. Система электропитания по п. 18, в которой блоки коммутации также содержат второй диод, третий диод, четвертый диод и пятый диод,

при этом второй диод имеет катод, функционально соединенный с первым устройством коммутации, и анод, сконфигурированный для функционального соединения с первым трансформатором, и расположен между первым конденсатором и первым трансформатором,

третий диод имеет катод, функционально соединенный со вторым устройством коммутации, и анод, сконфигурированный для функционального соединения с первым трансформатором, и расположен между вторым конденсатором и первым трансформатором,

четвертый диод имеет катод, функционально соединенный с анодом второго диода, и катод, функционально соединенный с первым конденсатором, и

пятый диод имеет катод, функционально соединенный с анодом третьего диода, и катод, функционально соединенный со вторым конденсатором,

причем аноды четвертого и пятого диодов функционально соединены друг с другом в точке между первым и вторым конденсаторами.