Генератор униполярных импульсов

 

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 динистор 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

СОЮЗ СОВЕТСКИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ

РЕСПУБЛИК (я)5 Н 03 К 3/53

ГОСУДАРСТВЕННОЕ ПАТЕНТНОЕ

ВЕДОМСТВО СССР (ГОСПАТЕНТ СССР) ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ (, О

ЬЭ о с (, с

1 (21) 4927397/21 (22) 18.04.91 (46) 30.04,93, Бюл. М 16 (71) Физико-технический институт им. А.Ф.

Иоффе . (72) И.В. Грехов и С.В. Коротков (56) Ицхоки Я.С., Овчинников Н,И. Импульсные и цифровые устройства. M,: Советское радио, 1972, с. 143. . Туткевич В.M„Грехов И.В. Новые принципы коммутации больших мощностей полупроводниковыми приборами. Л.: Наука, 1988, с. 99.

Горбатюк А.В., Грехов И.В., Наливкин

А.В; Теория квазидиодного режима работы реверсивна включаемых динисторов. — Препринт ФТИ АН СССР, 1986, М 1071.

Бальян P.Х., Сиверс M.À. Тиристорные генераторы и инверторы. Л.; Энергоиздат, Ленинградское отд-е, 1982, с. 159.

Грехов И,В., Козлов А.К., Коротков С.В., Костина Л.C., Яковчек Н.С. Высокочастотные реверсивно включаемые динисторы."Электротехника", 1988, вып. 5.

„„ДЦ„„1812616 А1 (54) ГЕНЕРАТОР УНИПОЛЯРНЫХ ИМПУЛ6СОВ (57) Изобретение относится к сильноточной полупроводниковой электронике и может быть использовано в лазерной и электроэроэионной технике. Генератор униполярных импульсов содержит источник питания

1, коммутирующий конденсатор 2, дроссель насыщения 3, реверсивно включаемый динистор 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. ,2 и л.

3 f 812616 . 4

Изобретение относится k области силь- В момент изменения знака напряжения ноточной полупроводниковой злектройики на конденсаторе 9 к РВД 4 прикладывается и может быть использовано в лазерной и обратное напряжение, при этом РВД4 шунэлектрозрозиойной технике.. тирует цепь разряда конденсатора 9, так как

3а прототип принят генератор унипо- 5 его электрическое сопротивление в обратлярных импульсов на базе нового полупро- ном направлении очень мало, В результате водникового прибора тиристорного типа — -через РВД 4 замыкается ToK ly, проходяреверсивно включаемого динивтора (РВД), щий через. катушку 10 и в структуре РВД 4 коммутационные возможности которого начинает накапливаться заряд носителей, вследствие однородного переключения в 10 инициирующих его последующее переклюнесколько раз. превышают коммутационные чение. возможности тиристора, .": В процессе прохождения через РВД 4

Генератор содержит (см, фиг. 2) источ- . тока управления ly сердечник дросселя 3 ник питания 1, коммутационный контур, со- перемагничивается под действием напря-стоящий иэ последовательно соединенных 15 жения заряда конденсатора 2. Параметры коммутирующего конденсатора 2, дросселя сердечника дросселя 3 выбраны таким обра- .. насыщенйя 3, реверсивно включаемого ди- зом, что он насыщается в момент, когда в нистора 4, отсекающего диода 5 и цепи на- структуре РВД 4 накапливается заряд, догрузки 6, а также шунтирующий диод 7, статочныйдля однородного переключенйя. тиристор8, запускающий конденсатор 9, ка- 20 При насыщении сердечника индуктивтушку индуктивности 10, зарядный дрос- ностьдросселя3 резкоуменьшается. В ре сель 20, зарядный тиристор 21 и резисторы зультате к РВД 4 прикладывается прямое

22, 23, напряжение, он однородно переключается

Первыйвыводконденсатора2соединен и коммутирует в цепь нагрузки 6 импульс с анодом диода 7, с отрицательным полю- 25 тока разряда конденсатора 2. Вследствие сом источника 1 и с катодом диода 5. Кон-. однородного переключения РВД4 коммутаденсатор 9 подключен параллельно РВД 4. ционные потери энергии в нем невелики и . Анод тиристора 8 соединен с анодом РВД4. РВД4 практически не ограничивает скороНачало обмотки катушки индуктивности 10 сть нарастания тока s цепи нагрузки 6. соединено с катодом тиристора 8, резистор 30 Параметры элементов коммутационно23 включен между концом обмотки катушки го контура подобраны таким образом, что в индуктивности 10 и катодом РВД 4. Рези- процессе коммутации конденсатор 2 перестор 22 включен между катодом. диода 7 и .заряжается до небольшого обратного на- . анодом РВД 4. Цепь нагрузки 6 включена пряжения, Диод5обрыааетток повторного между катодом РВД 4 и анодом диода 5. 35 перезаряда конденсатора 2. При этом в цеКатод тиристора 21 соединен со вторым вы- пи РВД 4 создается "пауза" тока, необходиводом конденсатора 2, Дроссель насыще- мая для его выключения. В процессе ния 3 включен между анодом РВД 4 и выключения РВД 4 конденсатор 2 полнокатодом тиристора 21, Дроссель 20 включен стью разряжается по цепи диода 7, между анодом тиристора 21 и положитель-. 40 Резистор 23 обеспечивает рассеяние ным полюсом источника 1. энергии, запасенной в катушке 10 при форПри включении тиристора 21 в схеме мировании тока управления РВД 4. его вепроисходит заряд конденсаторов 2, 9 от ис- личина выбирается таким образом, чтобы точника 1, Дроссель 20 ограничивает скоро- после момента переключения РВД 4 ток Iy, сть нарастания тока через тиристор 21 и 4 проходящий через катушку 10, достаточно . обеспечивает заряд конденсаторов 2, 9.до быстро спадал до нуля и не препятствовал напряжения, близкого к удвоенному напря- выключению РВД 4. Резистор 22 осуществжению источника 1. После окончания тока ляет рассеяние энергии, запасенной в конэаряда к тиристору 21 прикладывается об- денсаторе 2 при его перезаряде. При этом ратное напряжение, обусловливающее его 50 исключается возможность "умножения" выключение, . напряжения на конденсаторе 2 вследствие

При включении тиристора 8 происходит его резонансного заряда от источника пибыстрый разряд конденсатора 9 через ка- тания 1. тушку 10 и резистор 23, носящий колеба- . Недостатком генератора устройства тельный характер. В процессе разряда 55 прототипа являются большие потери энерконденсатора 9 дроссель 3, имеющий в исход- гии в резисторах 22, 23 при демпфировании ном состоянии очень большую индуктивность, основного контура коммутации и контура блокирует напряжение заряда конденсато- системы управления РВД 4, а также больра 2 и фактически препятствует разряду кон- шие потери энергии в зарядном тиристоре денсатора 2 по цепи нагрузки 6. 21, возникающие при работе на высоких

1812616 частотах, когда скорость нарастания тока в до небольшого обратного, напряжения. Дизарядной цепи.велика. од 5 блокирует это напряжение и создает в

Цель изобретения -уменьшение потерь цепи РВД 4 паузу тока, необходимую для энергии. его выключения. Процесс выключения РВД

На фиг. 1 представлена схема предлага- 5 4 продолжается до момента приложения к емого импульсного генератора; на фиг. 2 — нему положительного напряжения вследстсхема прототипа. вие резонансного заряда конденсатора 2 от

На фиг. 1: 1 — источник питания, 2 — . источника питания 1 через первую обмотку коммутирующий конденсатор, 3 — дроссель трансформатора 14. насыщения,4- реверсивно включаемый ди- 10 Обмотки трансформатора 14 подключенистор(РВД),5- отсекающий диод, 6- цепь ны таким образом, что на этапе выключения нагрузки, 7 — шунтирующий диод; 8 — тири- РВД 4 вторая обмотка фактически не влияет стор, 9 — запускающий конденсатор, 10 — на процесс заряда конденсатора 2, так как катушка индуктивности, 11 — зарядное ус- возникающее на ней напряжение блокирует тройство, 12 — резистор, 13-допоанитель- 15 диод 7. f3 результате скорость заряда конный источник питания, .14 — первый денсатора2,аследовательноисхемноевретрансформатор с насыщакпцимся сердеч- мя выключения РВД 4 определяются в ником, 15 — первый дополнительный диод, основном величиной индуктивности первой

16 — проходной конденсатор, 17 — второй обмотки трансформатора 14. дополнительныйдиод,18-третийдополни- 20 Наличие обратного напряжения на контельный диод, 19 — второй трансформатор. денсаторе 2 приводит к увеличению тока

Конденсатор 2, дроссель 3, РВД 4, диод заряда, проходящего через первую обмотку

5 и цепь нагрузки 6 соединены последова- трансформатора 14 и к накоплению избытельно. Первый вывод конденсатора 2 сое- точной энергии в индуктивности этой обмотдинен с анодом диода 7 и отрицательными 25 ки. При этом создается возможность заряда полюсами источников питания 1, 13. Кон- конденсатора 2 до напряжения, превышаюденсатор 9 подключен параллельно РВД 4. щего удвоенное напряжение источнйка пиАнодтиристора 8 соединен с анодом РВД 4, тания 1, что явно нежелательно, так как при катод тиристора 8 — с началом обмотки ка- последующихвключенияхРВД4можетпритушки индуктивности 10. Конденсатор 16 30 вести к неконтролируемомуувеличению навключен между концом обмотки катушки пряжения на конденсаторе 2 и к пробою индуктивности 10 и катодом РВД 4. Катод РВД 4. Возможность "умножения" напрядиода 15 соединен со вторым выводом кон- .. жения на конденсаторе 2 исключает введенденсатора2,кзтоддиода18-сположитель- ная в схему генератора цепь диода 7, ным полюсом источника 1, анод диода 17 — 35 обеспечйвзющзя рекуперзцию избыточной. с концом обмотки катушки индуктивности энергии в источник 1 при достижении на

10. Резистор12 включен между положитель- вторичной обмотке трансформатора 14 наным полюсом источника 13 и вторым выво- пряжения, превышающего величину выходдом конденсатора 2. Начало первой ного напряжения источника питания 1. обмотки и конец второй обмотки трансфор- 40 Величина избыточной энергии, возвращаематора 14 соединены между собой и под- мой в источник 1, а следовательно и максиключены к положительному полюсу мальная величина напряжения заряда источника питания 1. Конец первой обмотки конденсатора 2 определяются магнитной трансформатора 14 соединен с анодом дио- - связью между обмотками трансформатора да 15, начало второй обмотки — c катодом 45 14 и коэффициентом трансформации этого диода 7. Начало первой обмотки трансфор- трансформатора. матора 19 соединено с катодом диода 17, Параметры сердечника трансформатоконец — с катодом РВД 4 и с анодом диода ра 14 выбраны таким образом, что на этапе

5. Начало второй обмотки трансформатора выключения РВД 4 он не насыщается, при

19 соединено с отрицательным полюсом ис- 50 этом индуктивность первой обмотки трансточника питания 1, конец — с анодом диода форматорз14 велика и скорость переззряда

18, конденсатора 2 мала. Спустя некоторое вре-Предлагаемый генератор работает сле- мя после окончания тока через РВД 4, додующим образом. статочное для его надежного выключения, При включении РВД 4 происходит рзз- 55 происходит насыщение сердечника трансряд конденсатора 2 и коммутация импульса . форматора 14. При этом индуктивность пертока в цепь нагрузки 6. Параметры элемен- ВоА обмотки трансформатора 14 резко тов контура разряда конденсатора 2 подо- . уменьшается, ток в цепи диода 15 резко браны таким образом, что в процессе нарастает и конденсатор 2 быстро заряжзкоммутации конденсатор 2 перезаряжзется ется до рабочего напряжения, В результате

1812616 8

20

35

45

$ If )dt=A dl! dt, 50

55 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 ly.

В процессе перезаряда конДенсатора 9 дроссель насыщения 3, имеющий в исходном состоянии очень большую индуктивность, блокирует напряжение заряда конденсатора 2 и препятствует разряду этого конденсатора по цепи тиристора 8. Спустя некоторое время после возникновения в цепи РВД 4 обратного тока ly происходит насыщение сердечника дросселя 3 и индуктивность дросселя резко уменьшается, В результате ток через РВД 4 резко нарастает, к РВД4 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: .

0 ь где ty — длительность тока управления; д1/dt — скорость нарастания коммутируемого тока;

А — коэффициент, определяемый конструктивными и электрофизическими характеристиками РВД 4: А - (0,5-1,5) 10 ñ . Одновременно с процессом коммутации тока в цепь нагрузки 6 в схеме происходит заряд конденсатора 16 током катушки индуктивности 10 до некоторого напряже+ ния О, 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 О «U+. Избыточная энергия сбрасывается через вторую обмотку трансформатора 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 первой и второй обмоток трансформатора

19, Характерной особенностью рассмотренного генератора является наличие магнитных элементов с насыщающимися сердечниками, время перемагничивания которых, как известно, пропорционально ве личине приложенного напряжения.

Последнее обстоятельство оказывает достаточно сильное влияние на работу генератора, особенно в режиме запуска, когда величины напряжения на элементах схемы невысоки.

Для осуществления надежного запуска генератора в схему введено маломощное зарядное устройство 11, состоящее из дополнительного источника питания 13 и резистора 12. С помощью этого устройства осуществляется предварительный заряд конденсаторов 2, 9 до напряжения соответствующего напряжению заряда этих конденсаторов в установившемся режиме работы генератора. При этом переходные процессы в схеме в момент запуска генератора и в установившемся режиме его работы 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 быть вообще отключен.

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

Таким образом, благодаря введению в схему генератора трех дополнительных диодов, двух. трансформаторов и проходного конденсатора энергия, остающаяся в цепй. управления РВД и в коммутирующем конденсаторе цепи нагрузки не рассеивается на демпфирующих резисторах, как в устрой9

1812616

10 стве прототипа, а рекупирируется в источ.. ник питания и используется при последующих циклах коммутации. Кроме того, в результате введения этих элементов, а также маломощното зарядного устройства надежная работа генератора на высокой частоте обеспечивается без использования зарядного тиристора, обладающего большими потерями энергии при быстром заряТак как в устройстве прототипа потери энергии на демпфирующих резисторах и зарядном тйристоре соизмеримы с потерями . энергии на остальных элементах схемы, то. общие потери энергии в предлагаемом ге. нераторе уменьшаются не менее, чем в 1,52 раза.

Новизна совокупности существенных признэкбв предлагаемого устройства зэ20 ключается в следующем.

Известно применение трансформаторов рекупирации в инверторе на базе тиристоров. Однако они использовались в режиме без насыщения сердечников и имели постоянную индуктивность зарядной об- 25 мотки. В"результате при работе нэ высокой частоте; когда время заряда коммутйрующих конденсаторов инвертора мало; черезмерно высокой. становилась начальная скорость йх заряда. При этом для получения достаточно большого схемного времени выключения тиристоров требовалась большая величина обратного напряжения на коммутирующих конденсаторах после окойчания процесса коммутации тока в нагрузку. След- 35 ствием этого являлось возрастание контурных токов .в цепях инверторэ и потерь энергии на его элементах.

Использование в зарядной цепи гене40 рэтора 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 рекупирация энергии ранее не использовалась, Для осуществления рекупирэции избыточной энерде коммутирующего конденсатора. 10 гии из цепи управления РВД в источник питания в схему генератора включены два дополнительных диода, трансформатор и проходной конденсатор. При этом совокупная связь введенных элементов обеспечивает не только уменьшение потерь энергии в цепи управления, но и повышение надежности работы запускающего тиристора, так кэк к нему после окончаний тока управления в течение достаточно длительного времени прикладывается отрицательное напряжение. В результате условия выключения тиристора существенно улучшаются.

По предлагаемой схеме был собран генератор 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, площадь 4 сМ и повторяющееся напряжение 1000 Б. 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—

ВЧ 200, в качестве Ä 17, 18 — КД 210 Г.

Дроссель 3 был собран на шести ферритовых кольцах марки НМС 2500 размером

45х30х20 мм и имел 3 витка. Трансформатор

19 был выполнен с воздушным сердечником. 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 НМИ 1600 размером 80х50х11 мм и 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 Q — 0,047 мкФ, конденсатора 16 — 2 мкФ. Сопротивление резистора 12 — 20 кОм. Индуктивность катушки 102,5 мкГн. Источник 1 состоял из мостового диодного выпрямителя, питающегося от сети 220 В, 50 Гц, индуктивности фильтра 3000 мкГн и емкости фильтра 3000 мкФ. Источник 13 состоял из мостового диодного выпрямителя, питающегося от сети 220 В, 50

Гц, повышающего трансформатора и емкости фильтра 10 мкФ. Выходное напряжение источника 13 — 800 В, Злементы. схемы охлаждались посредством обдува воздухом.

В процессе испытаний генератор успешно работал на частотах до 10 кГц при различных величинах сопротивления на грузки. Величина потерь энергии на элементэх генератора не превышалэ 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 .

1812616

ИР.2

Составитель И. Грехов

Редактор А. Егорова Техред М. Моргентал Корректор 0, Густи

Заказ 1579 Тираж Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ СССР

113035, Москва, Ж-35, Раушская наб., 4/5

Производственно-издательский комбинат "Патент", г. Ужгород, ул.Гагарина, 101

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

Полученные электрические характеристики позволяют использовать предлагае- 5 мый генератор в качестве источника питания лазеров и электроэрозионных станков.

Формула изобретения . Генератор униполярных импульсов, со- 10 держащий последовательно соединенные коммутирующий конденсатор, дроссель насыщения, реверсивно включаемый динистор, отсекающий диод и цепь нагрузки, а также источник питания, катушку индук- 15 тивности, запускающий конденсатор, подключенный параллельно реверсивно включаемому динистору, шунтирующий диод, соединенный анодом с первым выводом коммутирующего конденсатора и с отрица- 20 тельным полюсом источника питания, и тиристор, подключенный анодом к аноду . реверсивно включаемого динистора, а катодом — к началу обмотки катушки индуктивности. отличающийся тем,что,сцелью 25 уменьшения потерь энергии, в генератор введены три дополнительных диода, два трансформатора, проходной конденсатор и зарядное устройство, первый трансформачл тор имеет насыщающийся сердечник, начапо 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 дополнительного 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.