Генератор униполярных импульсов Советский патент 1993 года по МПК H03K3/53 

00

ю

Os

Изобретение относится к сильноточной полупроводниковой электронике и может быть использовано в лазерной и электроэрозионной технике. Генератор униполярных импульсов содержит источник питания 1, коммутирующий конденсатор 2, дроссель насыщения 3, реверсивно включаемый ди- нистор 4, отсекающий диод 5, цепь нагрузки 6, шунтирующий диод 7, тиристор 8, запускающий конденсатор 9, катушку индуктивности 10, зарядное устройство 11, 2 трансформатора 14, 19, 3 дополнительных диода 15,17,18, проходной конденсатор 16. ,2иЈ

Qs

Изобретение относится ic области силь- неточной полупроводниковой электроники и может быть использовано в лазерной и э.лектроэррзионной технике.

За прототип принят генератор унйпр- 5 лярных импульсов на базе нового полупроводникового прибора тиристорнрго типа - реверсивно включаемого диниетора (РВД), коммутационные возможности которого вследствие однородного переключения в 10 несколько раз превышают коммутационные

возможности тирйстора.

Генератор содержит (см, фиг. 2) источ- ник питания 1, коммутационный контур, со- стоящий из последовательно соединенных 15 коммутирующего конденсатора 2, дросселя насыщения 3, реверсивно включаемого ди- нистора 4, отсекающего диода 5 и цепи нагрузки б, а также шунтирующий диод 7, тиристор 8, запускающий конденсатор 9, ка- 20 тушку индуктивности 10, зарядный дроссель 20, зарядный тиристор 21 и резисторы

; 22,23.. - . ... . ...-. :: :.

Первый вывод конденсатора 2 соединен с анодом диода 7, с отрицательным полю- 25 сом источника 1 и с катодом диода 5. Конденсатор 9 подключен параллельно РВД 4. Анод тирйстора 8 соединен с анодом РВД 4, Начало обмотки катушки индуктивности 10 соединено с катодом тирйстора 8, резистор 30 23 включен между концом обмотки катушки индуктивности 10 и катодом РВД 4, Резистор 22 включен между катодом диода 7 и анодом РВД 4. Цепь нагрузки 6 включена между катодом РВД 4 и анодом диода 5. 35 Катод тирйстора 21 соединен со вторым йы- водом конденсатора 2. Дроссель насыщения 3 включен между анодом РВД 4 и . катодом тирйстора 21, Дроссель 20 включен между анодом тирйстора 21 и положитель- 40

; v ным полюсом источника 1.

При включении тирйстора 21 в схеме

; происходит заряд конденсаторов 2,9 от источника 1. Дроссель 20 ограничивает скорость нарастания тока через тиристор 21 и 4S обеспечиваетзаряд конденсаторов 2, 9 до

:/ напряжения, близкого к удвоенному напря- v женйю источника I. После окончания тока

заряда к тиристору 21 прикладывается обратное напряжение, обусловливающее его 50

...; . ёыключение,. .

При включении тирйстора 8 происходит

быстрый разряд конденсатора 9 через катушку 10 и резистор 23, носящий колеба тельный характер. В процессе разряда 55 конденсатора 9 дроссель 3, имеющий в исходном состоянии очень большую индуктивность,

блокирует напряжение заряда конденсатора 2 и фактически препятствует разряду конденсатора 2 по цепи нагрузки 6.

В момент изменения знака напряжения на конденсаторе 9 к РВД 4 прикладывается обратное напряжение, при этом РВД 4 шунтирует цепь разряда конденсатора 9, так как его электрическое сопротивление в обратном направлении очень мало. В результате через РВД 4 замыкается ток у, проходящий через .катушку 10 и в структуре РВД 4 начинает накапливаться заряд носителей, инициирующих его последующее переключение.

В процессе прохождения через РВД 4 тока управления 1У сердечник дросселя 3 перемагничивается под действием напряжения заряда конденсатора 2. Параметры сердечника дросселя 3 выбраны таким образом, что он насыщается в момент, когда в структуре РВД 4 накапливается заряд, достаточный для однородного переключения.

При насыщении сердечника индуктивность дросселя 3 резко уменьшается. В зультате к РВД 4 прикладывается прямое напряжение, он однородно переключается и коммутирует в цепь нагрузки 6 импульс тока разряда конденсатора 2. Вследствие однородного переключения РВД 4 коммутационные потери энергии в нем невелики и РВД. 4 практически не ограничивает скорость нарастания тока в цепи нагрузки б.

Параметры элементов коммутационного контура подобраны таким образом, что в процессе коммутации конденсатор 2 перезаряжается до небольшого обратного напряжения. Диод 5 обрывает ток повторного перезаряда конденсатора 2. При этом в цепи РВД 4 создается пауза тока, необходимая для его выключения. В процессе выключения РВД 4 конденсатор 2 полностью разряжается по цепи диода 7.

Резистор 2.3 обеспечивает рассеяние энергии, запасенной в катушке 10 при формировании тока управления РВД 4. Его величина выбирается таким образом, чтобы после момента переключения РВД 4 ток 1У, проходящий через катушку 10, достаточно быстро спадал до нуля и не. препятствовал выключению РВД 4. Резистор 22 осуществляет рассеяние энергии, запасенной в конденсаторе 2 при его перезаряде. При этом исключается возможность умножения напряжения на конденсаторе 2 вследствие его резонансного заряда от источника питания .

Недостатком генератора устройства прототипа являются большие потери энергии в резисторах 22,23 при демпфировании основного контура коммутации и контура системы управления РВД 4, а также большие потери энергии в зарядном тиристоре 21, возникающие при работе на высоких

частотах, когда скорость нарастания тока в зарядной цепи велика.

Цель изобретения -уменьшение потерь энергий.

На фиг. 1 представлена схема предлагаемого импульсного генератора; на фиг. 2 - схема прототипа.

На фиг. 1: 1 - источник питания, 2 - коммутирующий конденсатор, 3 - дроссель насыщения, 4 - реверсивно включаемый ди- нистор(РВД), 5 - отсекающий диод, 6 - цепь нагрузки, 7 - шунтирующий диод, 8 - тири- стор, 9 - запускающий конденсатор, 10 - катушка индуктивности, 11 - зарядное устройство, 12 - резистор, 13 -дополнительный источник питания, .14 - первый трансформатор с насыщающимся сердечником, 15 - первый дополнительный диод, 16 - проходной конденсатор, 17 - второй дополнительный диод, 18-третий дополнительный диод, 19 - второй трансформатор.

Конденсатор 2, дроссель 3, РВД 4, диод 5 и цепь нагрузки 6 соединены последовательно. Первый вывод конденсатора 2 соединен с анодом диода 7 и отрицательными полюсами источников питания 1, 13. Конденсатор 9 подключен параллельно РВД 4. Анод тиристора 8 соединен с анодом РВД 4, катод тиристора 8 - с началом обмотки катушки индуктивности 10. Конденсатор 16 включен между концом обмотки катушки индуктивности 10 и катодом РВД 4. Катод диода 15 соединен со вторым выводом конденсатора 2, катод диода 18 - с положительным полюсом источника 1, анод диода 17 - с концом обмотки катушки индуктивности 10. Резистор 12 включен между положительным полюсом источника 13 и вторым выводом конденсатора 2. Начало первой обмотки и конец второй обмотки трансформатора 14 соединены между собой и подключены к положительному полюсу источника питания 1. Конец первой обмотки трансформатора 14 соединен с анодом диода 15, начало второй обмотки - с катодом диода 7. Начало первой обмотки трансформатора 19 соединено с катодом диода 17, конец - с катодом РВД 4 и с анодом диода 5. Начало второй обмотки трансформатора 19 соединено с отрицательным полюсом источника питания 1, конец -с анодом диода 18.

Предлагаемый генератор работает следующим образом.

При включении РВД 4 происходит разряд конденсатора 2 и коммутация импульса тока в цепь нагрузки 6. Параметры элементов контура разряда конденсатора 2 подобраны таким образом, что в процессе коммутации конденсатор 2 перезаряжается

до небольшого обратного, напряжения. Диод 5 блокирует это напряжение и создаете цепи РВД 4 паузу тока, необходимую для его выключения. Процесс выключения РВД 5 4 продолжается до момента приложения к нему положительного напряжения вследствие резонансного заряда конденсатора 2 от источника питания 1 через первую обмотку трансформатора 14.

0 Обмотки трансформатора 14 подключены таким образом, что на этапе выключения РВД 4 вторая обмотка фактически не влияет на процесс заряда конденсатора 2, так как возникающее на ней напряжение блокирует

5 диод 7. В результате скорость заряда конденсатор, а следовательно и схемное время выключения РВД 4 определяются в основном величиной индуктивности первой обмотки трансформатора 14.

0 Наличие обратного напряжения на конденсаторе 2 приводит к увеличению тока заряда, проходящего через первую обмотку трансформатора 14 и к накоплению избыточной энергии в индуктивности этой обмот5 ки, При этом создается возможность заряда конденсатора 2 до напряжения, превышающего удвоенное напряжение источника питания 1, что явно нежелательно, так как при последующих включениях РВД 4 можетлри0 вести к неконтролируемому увеличению напряжения на конденсаторе 2 и к пробою РВД 4. Возможность умножения напряжения на конденсаторе 2 исключает введенная в схему генератора цепь диода 7,

5 обеспечивающая рекуперацию избыточной, энергии в источник 1 при достижении на вторичной обмотке трансформатора 14 напряжения, превышающего величину выходного напряжения источника питания 1.

0 Величина избыточной энергии, возвращаемой в источник 1, а следовательно и максимальная величина напряжения заряда конденсатора 2 определяются магнитной связью между обмотками трансформатора

5 14 и коэффициентом трансформации этого трансформатора.

Параметры сердечника трансформатора 14 выбраны таким образом, что на этапе выключения РВД 4 он не насыщается, при

0 этом индуктивность первой обмотки трансформатора 14 велика и скорость перезаряда конденсатора 2 мала. Спустя некоторое время после окончания тока через РВД 4, достаточное для его надежного выключения,

5 происходит насыщение сердечника трансформатора 14. При этом индуктивность первой обмотки трансформатора 14 резко

уменьшается, ток в цепи диода 15 резко нарастает и конденсатор 2 быстро заряжа- ется до рабочего напряжения, В результате

удается получить достаточно быстрый заряд конденсатора 2 и достаточно, большое схемное время выключения РВД 4 при малом обратном напряжении на конденсаторе 2. Уменьшение обратного напряжения на конденсаторе 2, приводит к уменьшению контурных токов в цепи заряда и разряда этого конденсатора и к уменьшению потерь энергии на элементах схемы генератора. .

Формирование тока управления РВД 4 в предлагаемом генераторе осуществляется при включении тиристора 8. В результате через катушку индуктивности 10 и проходной конденсатор 16 замыкается ток перезаряда запускающего конденсатора 9, заряд которого осуществляется одновременно с зарядом конденсатора 2.

При смене полярности на конденсаторе 9 к РВД 4 прикладывается отрицательное напряжение. При этом РВД 4 шунтирует цепь конденсатора 9 и через него проходит ток катушки индуктивности 10, являющийся током управления 1у.

В процессе перезаряда конденсатора 9 дроссель насыщения 3, имеющий в исходном состояний очень большую индуктивность, блокирует напряжение заряда конденсатора 2 и препятствует разряду этб- го конденсатора по цепи тиристора 8. Спустя некоторое время после возникновения в цепи РВД 4 обратного тока 1У происходит насыщение сердечника дросселя 3 и индуктивность дросселя резко уменьшается. В результате ток через РВД 4 резко нарастает, к РВД 4 прикладывается положительное напряжение, он переключается и коммутирует в цепь нагрузки 6 мощный импульс тока разряда конденсатора 2.

Для обеспечения однородного переключения РВД 4 с малыми коммутационными потерями энергии параметры элементов 3,9.10,16 выбираются таким образом, чтобы выполнялось соотношение:

.flyWdt Adl/dt,

где ty-длительность тока управления;

dl/dt- скорость нарастания коммутируемого тока;

А - коэффициент, определяемый конструктивными и электрофизическими характеристиками РВД 4 : А (0,5-1,5) .

Одновременно с процессом коммутации тока в цепь нагрузки 6 в схеме происходит заряд конденсатора 16 током катушки индуктивности 10 до некоторого напряже- )ия U, которое является обратным для тиристора 8 и обеспечивает его выключение.

Схемное время выключения тиристора 8 определяется временем перезаряда конденсатора 16 через первую обмотку трансформатора 19. Коэффициент трансформатора 19 выбран таким образом, что величина напряжения перезаряда конденсатора 16 стабилизируется на некотором уровне . Избыточная энергия сбрасывается через вторую обмотку трансфор0 матора 19 в источник 1. Оставшийся в конденсаторе 16 заряд используется для формирования тока управления РВД 4 при последующих включениях тиристора 8. Диоды 17, 18 служат для разделения цепей

5 первой и второй обмоток трансформатора 19. , v . .. :. .- .. . . - ;. Характерной особенностью рассмотренного генератора является наличие магнитных элементов с насыщающимися

0 сердечниками, время перемагничивания которых, как известно, пропорционально личине приложенного напряжения. Последнее обстоятельство оказывает достаточно сильное влияние на работу генерато5 ра, особенно в режиме запуска, когда величины напряжения на элементах схемы невысоки.

Для осуществления надежного запуска генератора в схему введено маломощное

0 зарядное устройство 11, состоящее из дополнительного источника питания 13 и резистора 12. С помощью этого устройства осуществляется предварительный заряд конденсаторов 2, 9 до напряжения соответ5 ствующего напряжению заряда этих конденсаторов в установившемся режиме работы генератора. Лри этом переходные процессы в схеме в момент запуска генератора и в установившемся режиме его работы

0 практически совпадают. Так как величина сопротивления 12 выбирается достаточно большой, то после момента запуска влиянием устройства 11 можно пренебречь. Источник 13 после запуска генератора может

5 быть вообще отключен.

В схеме на фиг. 1 размагничивание сердечников нелинейных элементов 3, 14, осуществляется обратным током, проходящим через диоды 5,15, в процессе восстановле0 ния их запирающих свойств. Более глубокое размагничивание можно получить путем введения в эти элементы дополнительных обмоток током размагничивания.

Таким образом, благодаря введению в

5 схему генератора трех дополнительных диодов, двух трансформаторов и проходного конденсатора энергия, остающаяся в цепи управления РВД ив коммутирующем конденсаторе цепи нагрузки не рассеивается на демпфирующих резисторах, как в устройствё прототипа, а рекупирируется в источ- . ник питания и используется при последующих циклах коммутации. Кроме того,-в результате введения этих элементов, а также маломощного зарядного устройства на, дежная работа генератора на высокой частоте обеспечивается без использования зарядного тиристора, обладающего большими потерями энергии при быстром заря- ,де коммутирующегб конденсатора.

Так как й устройстве прототипа потери энергий на демпфирующих резисторах и зарядном тиристоре соизмеримы с потерями энергии на остальных элементах схемы, то общие потери энергии в предлагаемом генераторе уменьшаются не менее, чем в 1,5- 2 раза. . . : :. : ./; . .-.

Новизна совокупности существенных признаков предлагаемого устройства заключается в следующем.

Известно применение трансформаторов рекупирации в инверторе на базе тири- сторов. Однако они использовались в режиме без насыщения сердечников и имели постоянную индуктивность зарядной об- йотки. В результате при работе на высокой частоте, когда время заряда коммутируку- щих конденсаторов инвертора мало, чрезмерно высокой становилась начальная скорость их заряда. При этом для получения достаточно большого схемного времени выключения тиристоров требовалась большая величина обратного напряжения на коммутирующих конденсаторах после окончания процесса коммутации тока в нагрузку. Следствием этого: являлось возрастание контурных токов в цепях инвертора и потерь Энергии на его элементах.

Использование в зарядной цепи генератора трансформатора с насыщающимся сердечником и резко меняющейся индуктивностью зарядной обмотки позволяет получить очень малую начальную скорость нарастания напряжения на коммутирующем конденсаторе. При этом даже при малом обратном напряжении на этом конденсаторе обеспечивается Достаточно большое схемное время выключения полупроводниковых приборов силовой цепи генератора.

Уменьшение обратного напряжения на коммутирующем конденсаторе приводит к более полному использованию накапливаемой в нем энергии, а следовательно, к уменьшению контурных токов в цепях генератора и к уменьшению потерь энергии на его элементах.

В целях управления РВД рекупмрация энергии ранее не использовалась. Для осуществления рекупирации избыточной энергии из цепи управления РВД в источник питания в схему генератора включены два дополнительных диода, трансформатор и проходной конденсатор. При этом совокуп- 5 ная связь введенных элементов обеспечивает не только уменьшение потерь энергии в цепи управления, но и повышение надежности работы запускающего тиристора, так как к нему после окончаний тока управления

0 в течение достаточнодлйтельного времени прикладывается отрицательное напряжение. В результате условия выключения тиристора существенно улучшаются.

По предлагаемой схеме был собран ге5 нератор ультразвукового диапазона со средней мощностью 3 кВт.

В качестве РВД 4 и диода 5 использовались опытные образцы, разработанные в ФТИ АН СССР. Приборы имели рабочую

0 .площадь А смг и повторяющееся напряжение 1000 В. Время выключения РВД 4-10 мкс, время восстановления диода 5 - 0,3 мкс. В качестве тиристора 8 использовался тиристор ТЧИ 100, в качестве диодов 7,15 5 ВЧ 200, в качестве диодов 17, 18 - КД 210 Г. Дроссель 3 был собран на шести феррито- вых кольцах марки НМС 2500 размером 45x30x20 мм и имел 3 витка. Трансформатор 19 был выполнен с воздушным сердечни0 ком, Индуктивность его первой обмотки 200 мкГн, число витков первой и второй обмоток соотносилось как 1:12, Трансформатор 14 был собран на десяти ферритовых кольцах марки ИМИ 1600 размером 80x50x11 мм и

5 имел 30 витков в первой обмотке и 20 витков, во второй обмотке. В качестве конденсаторов 2, 9, 16 использовались конденсаторы марки К 78-2, Емкость конденсатора 2-1 мкФ, конденсатора 9 - 0,047 мкФ, конден0 сатора 16 - 2 мкФ. Сопротивление резистора 12 - 20 кОм. Индуктивность катушки 10 - 2,5 мкГн. Источник 1 состоял из мостового диодного выпрямителя, питающегося от се- ; ти 220 В, 50 Гц, индуктивности фильтра 3000

5 мкГн и емкости фильтра 3000 мкФ. Источ- . ник 13 состоял из мостового диодного выирямитёля, питающегося от сети 220 В, 50 Гц, повышающего трансформатора и емкости фильтра 10 мкФ. Выходное напряжение

O источника 13 - 800 В. Элементы.схемы охлаждались посредством обдува воздухом. В процессе испытаний генератор уе- пешно работал на частотах до 10 кГц при различных величинах сопротивления на 5 грузки. Величина потерь энергии на элементах генератора не превышала 10% от величины энергии, коммутируемой в цепь., нагрузки, что примерно в 1,5 раза меньше, чем в генераторе-прототипе. Длительность выходных импульсов тока составляла 2 мкс

при работе на малоиндуктивный резистор и 0,1 мкс при использовании в цепи нагрузки двухзвенной системы магнитного сжатия.

Полученные электрические характеристики позволяют использовать предлагаемый генератор в качестве источника питания лазеров и электроэрозионных станков, .. .... ../

Ф о р мул а изобретения Генератор униполярных импульсов, содержащий последовательно соединенные коммутирующий конденсатор, дроссель насыщения, реверсивно включаемый дини- стор, отсекающий диод и цепь нагрузки, а также источник питания, катушку индуктивности, запускающий конденсатор, подключенный параллельно реверсивно включаемому динистору, шунтирующий диод, соединенный анодом с первым выводом коммутирующего конденсатора и с отрицательным полюсом источника питания, и ти- ристор. подключенный анодом к аноду реверсивно включаемого динистора, а катодом - к началу обмотки катушки индуктивности, о т л и чающийся тем, что, с целью уменьшения потерь энергии, в генератор введены три дополнительных диода, два трансформатора, проходной конденсатор и зарядное устройство, первый трансформатор имеет насыщающийся сердечник, начало его первой обмотки и конец второй обмотки подключены к положительному полюсу источника питания, конец первой

обмотки соединен с анодом первого дополнительного диода, начало второй обмотки - с катодом шунтирующего диода, зарядное устройство подключено параллельно коммутирующему конденсатору и соединено

отрицательным выводом с первым выводом этого конденсатора, катод первого дополнительного диода подключен к второму выводу коммутирующего конденсатора, анод второго дополнительного диода соединен с

концом обмотки катушки индуктивности и с первым выводом проходного конденсатора, второй вывод проходного конденсатора и анод отсекающего диода подключены к катоду реверсивно включаемого динистора,

начало первой обмотки второго трансформатора соединено с катодом второго допол нитёльного диода, начало второй обмотки - с отрицательным полюсом источника питания, конец первой обмотки соединен с катодом реверсивно включаемого динистора, конец второй обмотки - с анодом третьего дополнительного диода, катод третьего дополнительного диода подключен к положительному полюсу источника питания.