СПОСОБ ГЕНЕРАЦИИ ИМПУЛЬСОВ С ИНВЕРСИЕЙ НАПРЯЖЕНИЯ Российский патент 2020 года по МПК H03K3/53 

Изобретение относится к импульсной высоковольтной технике и может быть использовано в источниках питания различных электрофизических устройств.

Наиболее близким к предлагаемому устройству по технической сущности является способ генерации импульсов с инверсией напряжения, заключающийся в том, что в каждом Каскаде генератора импульсов с инверсией напряжения, содержащем в силовой генераторной части два накопительных конденсатора, Блок инверсии напряжения, эквивалентная схема которого состоит из последовательно соединенных индуктивности инверсии напряжения и ключа инверсии напряжения, причем первый вывод первого конденсатора является первым выводом Каскада, второй вывод первого конденсатора соединен с первым выводом Блока инверсии напряжения, второй вывод Блока инверсии напряжения является вторым выводом Каскада, второй конденсатор подсоединен между вторым выводом первого конденсатора и вторым выводом Каскада и заряжен до напряжения первого конденсатора в такой полярности, чтобы между импульсами выходное напряжение Каскада было равно нулю, посредством Блока инверсии напряжения в качестве фронта импульса проводят прямую квази-резонансную инверсию напряжения между вторым выводом первого конденсатора и вторым выводом Каскада, т.е. на втором конденсаторе, так, чтобы модуль выходного напряжения Каскада стал равным сумме модулей напряжений на обоих конденсаторах.

Вследствие того, что генератор нагружен на нагрузку резистивного типа, спад импульса напряжения обусловливается разрядом конденсаторов. Недостатками указанного способа являются:

- низкие надежность работы и КПД, большие массо-габаритные показатели генератора импульсов, обусловленные наличием периодического процесса инверсии напряжения на силовом (в данном случае - втором) конденсаторе,

- необходимость применения ключей Блока инверсии напряжения, способных выдерживать токи, многократно превышающие токи нагрузки при генерации импульсов напряжения, близких к «прямоугольным». Действительно, обычными требования к «скосу» напряжения ΔU на «полке» импульса является значение 1% от амплитуды U_O при длительности τ_ПП перепадов (нарастания и спада) напряжения не более длительности импульса τ_И - Тогда отношение пикового тока инверсии I_ПП второго конденсатора емкостью С через индуктивность L к току нагрузки I_Н можно оценить из системы уравнений:

I_H×τ_И≈С×ΔU I_ПП≈U_О×(C/L)^1/2 τ_ПП≈0,7π×(L×С)^1/2

Отсюда: I_ПП/I_Н≈0,7π×(τ_И/τ_ПП)/(ΔU/U)

Тогда для (τ_И/τ_ПП)=1 и (ΔU/U)=0,01 получим I_ПП/I_Н≈200. Увеличение (τ_И/τ_ПП) или уменьшение (ΔU/U) приводит к еще более худшему результату.

Техническим результатом заявляемого изобретения является повышение КПД и надежности работы, снижение массо-габаритных показателей генератора импульсов с инверсией напряжения при генерации импульсов напряжения, близких к «прямоугольным».

Поставленная задача решается, а требуемый технический результат по предлагаемому способу достигается за счет того, что в каждый Каскад генератора импульсов с инверсией напряжения, содержащий в силовой генераторной части два накопительных конденсатора, Блок инверсии напряжения, эквивалентная схема которого состоит из последовательно соединенных индуктивности инверсии напряжения и ключа инверсии напряжения, причем первый вывод первого конденсатора является первым выводом Каскада, второй вывод первого конденсатора соединен с первым выводом Блока инверсии напряжения, второй вывод Блока инверсии напряжения является вторым выводом Каскада, посредством Блока инверсии напряжения в качестве фронта импульса проводят квази-резонансную инверсию напряжения между вторым выводом первого конденсатора и вторым выводом Каскада так, чтобы модуль выходного напряжения Каскада стал равным сумме модулей напряжений на обоих конденсаторах, вводят в состав силовой генераторной части Блок коммутации второго конденсатора, содержащий не менее одного ключа, обеспечивающий подключение второго конденсатора требуемой полярностью между вторым выводом первого конденсатора и вторым выводом Каскада согласно алгоритму работы генератора.

Сущность изобретения заключается в значительном снижении тока элементов Блока инверсии напряжения (тока инверсии) посредством перехода от инверсии напряжения на втором конденсаторе к инверсии подключения второго конденсатора.

Предложенный способ может быть осуществлен с помощью различных вариантов устройства Блока коммутации второго конденсатора (далее - БКВК), реализующих различные алгоритмы работы генератора в зависимости от требований к форме выходного напряжения, характеристики нагрузки, условий заряда обоих конденсаторов, надежности работы, КПД и проч. Нагляднее всего работа Каскада может быть продемонстрирована на достаточно общем примере, в котором Блок инверсии напряжения (далее - БИН) представляет собой полно-мостовой инвертор напряжения, а ключ БИН -двунаправленный ключ (фиг. 1).

Каскад 1 генератора, содержащий в силовой генераторной части два накопительных конденсатора - первый 2 и второй 3, блок инверсии напряжения 4, эквивалентная схема которого состоит из последовательно соединенных индуктивности инверсии напряжения 5 и ключа инверсии напряжения 6, причем первый вывод первого конденсатора является первым выводом 7 Каскада, второй вывод первого конденсатора соединен с первым выводом БИН, второй вывод БИН является вторым выводом 8 Каскада, и введенный в состав силовой генераторной части Каскада БКВК 9, содержащий полно-мостовой инвертор напряжения с ключами 10-13, причем второй конденсатор подключен к DC-выводам инвертора, соответствующие АС-выводы инвертора подключены между вторым выводом первого конденсатора и вторым выводом Каскада.

Между импульсами ключи 11 к 12 включены, что обеспечивает разнополярное последовательное соединение конденсаторов и, соответственно, при одинаковых модулях напряжения на конденсаторах, нулевое напряжение на выходе Каскада (между выводами 7 и 8) даже при частично индуктивном характере нагрузки.

Для формирования фронта импульса напряжения проводят квази-резонансную инверсию напряжения на АС-выводах БКВК с помощью элементов БКВК. Для этого по внешнему сигналу на начало импульса включают ключ инверсии напряжения, а ключи 11 к 12 не выключают, разгоняя от второго конденсатора ток в дросселе инвертора напряжения до значения, обеспечивающего заданную форму напряжения фронта импульса. Последняя зависит, в частности, от эффективной паразитной емкости между выводами БКВК, состоящей из конструктивных емкостей элементов генератора, емкостей нагрузки генератора, ключей 10-13 и проч.

Затем ключи 11 к 12 выключают, обеспечивая тем самым начало процесса квази-резонансной инверсии напряжения.

После обнуления напряжения на ключах 10 и 13 их открывают и удерживают в открытом состоянии, обеспечивая однополярное последовательное соединение конденсаторов и, соответственно, суммирование модулей напряжения на конденсаторах на выходе Каскада - между выводами 7 и 8, формируя «полку» импульса напряжения.

Ток, протекающий через элементы БИН имеет колоколообразную форму. После прекращения этого тока ключ БИН закрывают.

Процесс спада напряжения, при необходимости, проводят по аналогичному алгоритму.

Таким образом, вместо инверсии напряжения на втором конденсаторе проводят инверсию подключения второго конденсатора. Соответственно, ток инверсии I_ПП теперь определяется эффективной паразитной емкостью между выводами БКВК, величина которой до нескольких сотен раз меньше емкости второго конденсатора. Соответственно, для сохранения той же длительности фронта τ_ПП≈0,77π×(L×C)^1/2, величину индуктивности дросселя БИН увеличивают во столько же раз. Тогда ток инверсии I_ПП≈U_O×(C/L)^1/2 снижается примерно во столько же раз. Соответственно, максимальная энергия дросселя БИН, равная L×I_ППМАХ²/2, тоже снижается во столько же раз, что приводит к значительному снижению массо-габаритных показателей дросселя БИН и потерь в нем.

Как следует из вышеописанного алгоритма, ток через введенные ключи 10 и 13 является только током нагрузки, а ток ключей 11 и 12 вообще значительно меньше тока нагрузки, поэтому введение этих ключей 10-13 лишь незначительно снижает показатели генератора (за счет увеличения количества деталей) по сравнению с вносимым выигрышем, описанным выше.

Процессы (под-)заряда накопительных конденсаторов и защиты не рассматриваются в силу того, что они не относятся к сути изобретения.

Таким образом, анализ известных технических решений показал, что предложенный способ генерации импульсов с инверсией напряжения проявляет новые свойства, заключающиеся в повышении КПД и надежности работы, снижение массо-габаритных показателей генератора импульсов с инверсией напряжения при генерации импульсов напряжения, близких к «прямоугольным».

ИСТОЧНИКИ ИНФОРМАЦИИ:

1. Патент РФ №1131438, кл. H03K 3/53, Опубликовано: 10.04.2012, ГЕНЕРАТОР ИМПУЛЬСОВ С ИНВЕРСИЕЙ НАПРЯЖЕНИЯ. Татур Валерий Владимирович, Мутницкий Николай Григорьевич.

Изобретение относится к области электротехники. Технический результат - повышение КПД и надежности работы, снижение массогабаритных показателей генератора импульсов с инверсией напряжения при генерации импульсов напряжения, близких к «прямоугольным», достигается за счет того, что в каждый каскад генератора, содержащего в силовой части два накопительных конденсатора и блок инверсии напряжения, вводят в состав силовой генераторной части блок коммутации второго конденсатора, обеспечивающий переход от инверсии напряжения на втором конденсаторе к инверсии подключения второго конденсатора, что значительно снижает ток элементов блока инверсии напряжения (тока инверсии). 1 ил.

Способ генерации импульсов с инверсией напряжения, заключающийся в том, что в каждом каскаде генератора импульсов с инверсией напряжения, содержащем в силовой генераторной части два накопительных конденсатора и блок инверсии напряжения, эквивалентная схема которого состоит из последовательно соединенных индуктивности инверсии напряжения и ключа инверсии напряжения, причем первый вывод первого конденсатора является первым выводом каскада, второй вывод первого конденсатора соединен с первым выводом блока инверсии напряжения, второй вывод блока инверсии напряжения является вторым выводом каскада, посредством блока инверсии напряжения в качестве фронта импульса проводят прямую квазирезонансную инверсию напряжения между вторым выводом первого конденсатора и вторым выводом каскада так, чтобы модуль выходного напряжения каскада стал равным сумме модулей напряжений на обоих конденсаторах, отличающийся тем, что в состав силовой генераторной части каждого каскада вводят блок коммутации второго конденсатора, содержащий не менее одного ключа, обеспечивающий подключение второго конденсатора требуемой полярностью между вторым выводом первого конденсатора и вторым выводом каскада согласно алгоритму работы генератора.