Магнитный генератор импульсов

 

Использование: в области сильноточной полупроводниковой техники в источниках питания мощных лазеров. Сущность изобретения: обеспечение регулирования выходного напряжения магнитного генератора импульсов и повышение надежности его работы достигается тем, что в магнитный генератор импульсов, содержащий цепь коммутации из последовательно соединенных первых диода (Д), конденсатора (K), дросселя насыщения (ДpH), реверсивно включаемого динистора (РВД) и первой обмотки первого трансформатора (Tp), входную цепь из первых источника постоянного напряжения (ИПН), тиристоров (Тир) и вторых ДpH и Д, выходную цепь из последовательно соединенных второго и третьего K и третьего ДpH, цепь нагрузки, подключенную параллельно выходной цепи, блок управления, третий и четвертый Д, резистор, второй Tp, генератор тока и блок запуска из пятого Д и цепи из последовательно соединенных четвертого K, второго Tир, первого индуктивного элемента (ИнЭ) и пятого K, во входную цепь введены второй и третий ИнЭ, датчик тока, третий Tир, второй ИПН, шестой K, а также введен четвертый ИнЭ. 1 ил.

Изобретение относится к области сильноточной полупроводниковой техники и может быть использовано в источниках питания мощных лазеров.

Известен магнитный генератор импульсов, содержащий два тиристора, источник постоянного напряжения, подключенный отрицательным полюсом к катоду первого тиристора, конденсатор, подключенный первым выводом к положительному полюсу источника, а вторым выводом к катоду второго тиристора, индуктивный элемент, включенный между катодом второго тиристора и анодом первого тиристора, резистор, включенный между анодом первого и анодом второго тиристора, дроссель насыщения, соединенный одним выводом с катодом второго тиристора, и цепь нагрузки, подключенную между вторым выводом дросселя и первым выводом конденсатора.

При включении первого тиристора происходит заряд конденсатора от источника постоянного напряжения через индуктивный элемент. При этом дроссель насыщения, имеющий большую исходную индуктивность, блокирует напряжение заряда конденсатора и препятствует его разряду в цепь нагрузки. Спустя некоторое время после окончания процесса заряда конденсатора происходит насыщение сердечника дросселя, при этом индуктивность дросселя насыщения резко уменьшается и осуществляется быстрый разряд конденсатора в цепь нагрузки. Параметры индуктивного элемента и дросселя насыщения подобраны таким образом, что время заряда конденсатора оказывается существенно больше времени его разряда, что позволяет использовать в цепи заряда тиристор, обладающий, как известно, достаточно малой допустимой скоростью нарастания коммутируемого тока.

Для изменения величины выходного напряжения используется демпфирующая цепь из резистора и второго тиристора, включающегося в процессе заряда конденсатора. При включении второго тиристора часть энергии, накопленной в индуктивном элементе, рассеивается на резисторе, что приводит к уменьшению напряжения заряда конденсатора. Таким образом, изменяя время задержки момента включения второго тиристора относительно момента включения первого тиристора, можно регулировать амплитуду выходного напряжения магнитного генератора импульсов.

Недостатком рассмотренного магнитного генератора импульсов является малая выходная мощность вследствие малой коммутационной возможности тиристоров в режиме коммутации коротких импульсов тока, которая обусловлена неоднородным по площади включением тиристора, начинающимся в узкой области у электрода управления, а затем медленно распространяющимся по всей рабочей площади. Кроме того, в процессе регулирования выходного напряжения значительная часть потребляемой мощности рассеивается на резисторе демпфирующей цепи, при этом низким оказывается КПД магнитного генератора импульсов.

За прототип принят магнитный генератор импульсов, в котором значительное увеличение выходной мощности происходит благодаря использованию для коммутации реверсивно включаемого динистора (РВД), коммутационные возможности которого существенно превышают коммутационные возможности тиристоров.

Магнитный генератор импульсов содержит цепь коммутации из последовательно соединенных первого диода, первого конденсатора, первого дросселя насыщения и РВД, подключенную к первой обмотке первого трансформатора, входную цепь из последовательно соединенных первого источника постоянного напряжения, второго дросселя насыщения, первого тиристора и второго диода, подключенную параллельно первому конденсатору, выходную цепь из последовательно соединенных второго конденсатора, третьего дросселя насыщения и третьего конденсатора, а также цепь нагрузки, подключенную параллельно выходной цепи, первый резистор, подключенный параллельно третьему конденсатору, блок запуска РВД, включающий пятый диод, второй резистор и цепь из последовательно соединенных четвертого конденсатора, второго тиристора, первого индуктивного элемента и пятого конденсатора, блок управления, первый выход которого соединен с управляющим электродом первого тиристора, а второй выход с управляющим электродом второго тиристора, генератор тока, подключенный отрицательным полюсом к катоду первого тиристора и отрицательному полюсу источника напряжения, шестой диод, катод которого соединен с анодом первого тиристора и катодом второго диода, а анод с положительным полюсом генератора тока и блоком рекуперации, включающим третий диод, второй трансформатор и четвертый диод. Катод первого диода подключен к аноду второго диода и к первому выводу первого конденсатора, первый вывод второго дросселя насыщения подключен ко второму выводу первого конденсатора и ко второму выводу первого дросселя насыщения, первый вывод первого дросселя насыщения подключен к аноду РВД, катод РВД подключен к началу первой обмотки первого трансформатора, к аноду пятого диода, к первому выводу пятого конденсатора и ко второму выводу четвертого конденсатора, первый вывод четвертого конденсатора подключен к аноду второго тиристора, к аноду РВД и к катоду третьего диода, второй резистор включен между катодом пятого диода и вторым выводом пятого конденсатора, первый вывод второго конденсатора подключен к началу второй обмотки первого трансформатора и к первому выводу третьего конденсатора, второй вывод второго конденсатора подключен к концу второй обмотки первого трансформатора. Начало первой обмотки второго трансформатора подключено к катоду второго тиристора, конец второй обмотки второго трансформатора к отрицательному полюсу источника напряжения. Катод четвертого диода подключен к положительному полюсу источника напряжения и ко второму выводу второго дросселя насыщения, анод четвертого диода к началу второй обмотки второго трансформатора. Катод третьего диода соединен с первым выводом первого дросселя насыщения и с анодом второго тиристора, анод третьего диода подключен к концу первой обмотки второго трансформатора.

При включении первого тиристора происходит заряд первого конденсатора до удвоенного напряжения источника постоянного напряжения через второй дроссель насыщения. После окончания процесса заряда первого конденсатора включается второй тиристор в блоке запуска РВД, при этом происходит разряд четвертого конденсатора через индуктивный элемент и пятый конденсатор. Так как емкость пятого конденсатора существенно превосходит емкость четвертого конденсатора, то пятый конденсатор не оказывает заметного влияния на процесс формирования тока в блоке запуска РВД. При смене полярности напряжения на четвертом конденсаторе к РВД прикладывается обратное напряжение и через него замыкается ток индуктивного элемента, являющийся током управления РВД I_у. В процессе прохождения через РВД тока I_у в его структуре накапливается значительный включающий заряд, обеспечивающий последующее однородное переключение, при этом первый дроссель насыщения блокирует напряжение заряда первого конденсатора и препятствует ответвлению тока управления в цепь коммутации. В момент окончания тока I_у происходит насыщение сердечника первого дросселя, при этом к РВД прикладывается положительное напряжение, он однородно переключается и коммутирует в выходную цепь быстронарастающий импульс тока разряда первого конденсатора. Вследствие однородного по площади переключения процесс коммутации происходит с малыми потерями энергии в РВД и предельная амплитуда коммутируемого тока существенно превышает предельную амплитуду тока в магнитном генераторе импульсов на базе тиристора. Разряд первого конденсатора обусловливает заряд второго конденсатора до более высокого напряжения, определяемого коэффициентом трансформации первого трансформатора. При заряде второго конденсатора третий дроссель насыщения, имеющий в исходном состоянии достаточно большую индуктивность, препятствует разряду второго конденсатора в цепь нагрузки. После окончания процесса заряда второго конденсатора сердечник третьего дросселя насыщается, при этом индуктивность дросселя насыщения резко уменьшается и происходит быстрый разряд второго конденсатора через третий конденсатор, третий дроссель насыщения и цепь нагрузки. Так как емкость третьего конденсатора значительно больше емкости второго конденсатора, то третий конденсатор не оказывает существенного влияния на формирование тока в цепи нагрузки. После окончания тока в цепи нагрузки третий и пятый конденсаторы оказываются заряженными до небольшого напряжения. Блок рекуперации обеспечивает разряд пятого конденсатора через источник постоянного напряжения входной цепи. Первый резистор обусловливает разряд третьего конденсатора. Первый диод прерывает ток в цепи коммутации при наличии отраженной от цепи нагрузки волны напряжения. Цепь из пятого диода и второго резистора обеспечивает полное рассеяние энергии, остающейся в пятом конденсаторе после окончания тока рекуперации, проходящего через обмотки второго трансформатора. Генератор тока поддерживает первый тиристор во включенном состоянии после окончания тока заряда первого конденсатора. Второй дроссель насыщения обеспечивает задержку повторного нарастания тока заряда первого конденсатора, в течение которой происходит выключение РВД. Третий и четвертый диоды препятствуют прохождению тока цепи коммутации через блок рекуперации. Второй и шестой диоды разделяют входную цепь и цепь генератора тока. В процессе разряда третьего конденсатора к нелинейным элементам магнитного генератора импульсов прикладывается размагничивающее напряжение, стабилизирующее магнитное состояние сердечников этих элементов.

Недостатком устройства прототипа является отсутствие мер по обеспечению регулирования выходного напряжения и недостаточная надежность из-за возможности пробоя межобмоточной изоляции первого трансформатора, к которой в процессе коммутации прикладывается полное выходное напряжение, а также вследствие большого количества элементов в блоке рекуперации, каждый из которых имеет собственную вероятность отказа из-за возможности пробоя элементов цепи коммутации в результате неконтролируемого увеличения напряжения на первом конденсаторе при резком уменьшении сопротивления нагрузки. Последнее обстоятельство обусловлено тем, что при резком уменьшении сопротивления нагрузки происходит перезаряд второго конденсатора до значительного обратного напряжения. При этом остающаяся во втором конденсаторе избыточная энергия через первый трансформатор передается в цепь коммутации, приводя к увеличению обратного напряжения на первом конденсаторе, а затем во входную цепь, увеличивая ток заряда и напряжение заряда первого конденсатора. При следующих актах коммутации рассмотренный эффект усиливается, т.е. возрастает величина избыточной энергии, отраженной от цепи нагрузки, и может привести к резкому нарастанию напряжения на первом конденсаторе и к пробою элементов цепи коммутации.

Задачей изобретения является обеспечение регулирования выходного напряжения магнитного генератора импульсов и повышение надежности его работы.

Указанная задача решается в магнитном генераторе импульсов, содержащем цепь коммутации из последовательно соединенных первого диода, первого конденсатора, первого дросселя насыщения, реверсивно включаемого динистора и первой обмотки первого трансформатора, входную цепь, содержащую первый источник постоянного напряжения, первый тиристор, второй дроссель насыщения и второй диод, выходную цепь из последовательно соединенных второго и третьего конденсаторов и третьего дросселя насыщения; цепи нагрузки, подключенную параллельно выходной цепи, блок управления, третий и четвертый диоды, резистор, второй трансформатор, генератор тока и блок запуска, содержащий пятый диод и цепь из последовательно соединенных четвертого конденсатора, второго тиристора, первого индуктивного элемента и пятого конденсатора; причем анод первого диода соединен с концом первой обмотки первого трансформатора, анод второго тиристора соединен с анодом реверсивно включаемого динистора и первым выводом первого дросселя насыщения, общий вывод четвертого и пятого конденсаторов соединен с катодом реверсивно включаемого динистора и началом первой обмотки первого трансформатора; второй конденсатор подключен параллельно второй обмотке первого трансформатора; первый выход блока управления соединен с управляющим электродом первого тиристора, а второй с управляющим электродом второго тиристора.

Новым является то, что во входную цепь введены второй и третий индуктивные элементы, датчик тока, третий тиристор, второй источник постоянного напряжения и шестой конденсатор, а также введен четвертый индуктивный элемент; катод третьего тиристора соединен с анодом второго диода и катодом первого тиристора; второй диод, второй индуктивный элемент, шестой конденсатор и второй дроссель насыщения соединены последовательно, причем второй вывод второго дросселя насыщения соединен с катодом второго диода и анодом третьего тиристора; второй источник постоянного напряжения подключен параллельно шестому конденсатору и соединен положительным выводом с первым выводом второго дросселя насыщения, датчик тока подключен между отрицательным выводом первого источника постоянного напряжения и общим выводом второго индуктивного элемента и шестого конденсатора; выход датчика тока соединен с управляющим электродом и катодом третьего тиристора; третий индуктивный элемент, третий, четвертый диоды и резистор соединены последовательно, объединенный вывод катодов третьего и четвертого диодов соединен со вторым выводом первого конденсатора и вторым выводом первого дросселя насыщения; первый вывод первого конденсатора соединен с общим выводом резистора, третьего индуктивного элемента и положительным выводом первого источника постоянного напряжения, анод первого тиристора соединен с анодом третьего диода; четвертый индуктивный элемент включен между катодом реверсивно включаемого динистора и катодом пятого диода, анод которого соединен с общим выводом пятого конденсатора и первого индуктивного элемента; генератор тока подключен параллельно первой обмотке второго трансформатора и соединен положительным полюсом с ее началом, начало второй обмотки второго трансформатора соединено с началом второй обмотки первого трансформатора, конец второй обмотки второго трансформатора соединен с общим выводом третьего конденсатора и третьего дросселя насыщения и оба трансформатора выполнены в виде трансформаторов насыщения.

На чертеже представлена электрическая схема магнитного генератора импульсов, где 1 первый источник постоянного напряжения, 2 блок управления, 3 третий индуктивный элемент, 4 первый тиристор, 5 третий диод, 6 четвертый диод, 7 резистор, 8 первый конденсатор, 9 первый диод, 10 первый дроссель насыщения, 11 реверсивно включаемый динистор, 12 блок запуска реверсивно включаемого динистора, 13 четвертый конденсатор, 14 второй тиристор, 15 первый индуктивный элемент, 16 пятый конденсатор, 17 пятый диод, 18 четвертый индуктивный элемент, 19 первый трансформатор, 20 второй конденсатор, 21 третий конденсатор, 22 - генератор тока, 23 второй трансформатор, 24 третий дроссель насыщения, 25 цепь нагрузки, 26 третий тиристор, 27 второй диод, 28 второй дроссель насыщения, 29 второй индуктивный элемент, 30 шестой конденсатор, 31 второй источник постоянного напряжения, 32 датчик тока, 33 измерительный трансформатор датчика тока, 34 переменный резистор датчика тока, 35 выходной конденсатор датчика тока, 36 выходной резистор датчика тока, 37 - динистор датчика тока, 38 выходной трансформатор датчика тока, 39 - конденсатор цепи нагрузки, 40 дроссель насыщения цепи нагрузки, 41 - нагрузка.

Предлагаемое устройство работает следующим образом.

В исходном состоянии шестой конденсатор 30 заряжен от второго источника 31 до напряжения, незначительно превышающего величину выходного напряжения первого источника 1, остальные конденсаторы полностью разряжены, а через первую обмотку второго трансформатора 23 проходит небольшой постоянный ток от генератора тока 22, при этом сердечник второго трансформатора 23 находится в состоянии насыщения.

При включении первого тиристора 4 импульсом управления от блока 2 через третий и второй индуктивные элементы 3, 29 и первую обмотку трансформатора 33 датчика тока 32 проходит медленно нарастающий входной ток, формируемый первым источником 1. При этом в третьем и втором индуктивных элементах 3, 29 накапливается энергия, пропорциональная индуктивностям этих элементов. На последующих этапах работы энергия, накопленная в третьем индуктивном элементе 3 передается в первый конденсатор 8, а затем в нагрузку 41. Энергия, накопленная во втором индуктивном элементе 29 передается в шестой конденсатор 30, а затем используется для выключения первого тиристора 4. При нарастании входного тока через обмотку трансформатора 33 проходит ток заряда конденсатора 35 датчика тока 32. В момент заряда конденсатора 35 до напряжения срабатывания динистора 37 датчика тока 32 происходит переключение этого динистора и разряд конденсатора 35 через первую обмотку трансформатора 38 датчика тока 32. При этом на второй обмотке этого трансформатора возникает сигнал, включающий третий тиристор 26. Резистор 36 датчика тока 32 ограничивает ток разряда конденсатора 35.

При включении третьего тиристора 26 осуществляется перезаряд шестого конденсатора 30 через второй дроссель насыщения 28 и второй индуктивный элемент 29, обусловливающий выключение первого тиристора 4. На начальном этапе процесса перезаряда второй дроссель насыщения 28, имеющий в исходном состоянии большую индуктивность, ограничивает скорость нарастания тока через третий тиристор 26. При этом в структуре третьего тиристора 26 происходит увеличение токопроводящей области за счет распространения включенного состояния, приводящее к возрастанию его коммутационных возможностей. После насыщения сердечника второго дросселя 28 его индуктивность резко уменьшается и ток через третий тиристор 26 резко нарастает вплоть до момента достижения величины входного тока, проходящего через второй индуктивный элемент 29. В дальнейшем скорость нарастания тока через третий тиристор 26 ограничивается величиной индуктивности второго элемента 29, которая значительно превосходит индуктивность второго дросселя насыщения 28 после насыщения его сердечника. При этом ко второму элементу 29 прикладывается фактически все напряжение заряда шестого конденсатора 30, являющееся обратным по отношению к первому тиристору 4.

В результате приложения к первому тиристору 4 обратного напряжения его цепь обесточивается, при этом проходящий через третий индуктивный элемент 3 ток переключается в цепь третьего диода 5 и первого конденсатора 8, обусловливая заряд конденсатора 8. По мере заряда первого конденсатора 8 величина напряжения на третьем индуктивном элементе 3 медленно нарастает, а величина обратного напряжения на первом тиристоре 4 убывает. Спустя некоторое время, достаточное для выключения тиристора 4, напряжение на нем меняет знак. Процесс заряда конденсатора 8 заканчивается после передачи в него всей энергии , накопленной в индуктивном элементе 3, при этом конечная величина напряжения заряда конденсатора может существенно превосходить величину выходного напряжения первого источника постоянного напряжения 1 (здесь C емкость конденсатора 8, L индуктивность элемента 3, I ток через элемент 3). Третий диод 5, РВД 11, четвертый конденсатор 13 и второй тиристор 14 блокируют напряжение заряда первого конденсатора 8 и устраняют возможность его разряда через третий индуктивный элемент 3 и первую обмотку первого трансформатора 19.

В процессе выключения первого тиристора 4 энергия, запасенная во втором индуктивном элементе 29 передается в шестой конденсатор 30, обусловливая увеличение обратного напряжения на этом конденсаторе в конце процесса его перезаряда. Параметры шестого конденсатора 30 и второго индуктивного элемента 29 выбираются таким образом, что дополнительная энергия, передаваемая в конденсатор 30 от элемента 29 примерно равна энергии потерь в элементах цепи перезаряда этого конденсатора. В результате после повторного перезаряда конденсатора 30 через второй диод 27 напряжение на его обкладках фактически равно исходному напряжению заряда от второго источника постоянного напряжения 31 и при следующем акте коммутации энергия от второго источника постоянного напряжения 31 практически не отбирается. При этом мощность второго источника постоянного напряжения 31 минимальна.

Регулирование величины напряжения заряда первого конденсатора 8, а следовательно, и величины выходного напряжения магнитного генератора импульсов осуществляется с помощью переменного резистора 34 датчика тока 32. При увеличении сопротивления этого резистора повышается величина напряжения на конденсаторе 35 датчика тока 32 и момент включения динистора 37 датчика тока 32 происходит при меньшем значении входного тока. В результате уменьшается величина энергии, накопленной в третьем индуктивном элементе 3 к моменту включения третьего тиристора 26, а следовательно, и величина напряжения заряда первого конденсатора 8 при выключении первого тиристора 4.

Спустя некоторое время после окончания тока заряда первого конденсатора 8 блок управления 2 включает второй тиристор 14 блока запуска 12. При этом осуществляется быстрый перезаряд четвертого конденсатора 13 через первый индуктивный элемент 15, пятый конденсатор 16 и цепь рекуперации из последовательно соединенных пятого диода 17 и четвертого индуктивного элемента 18. Так как емкость пятого конденсатора 16 и индуктивность четвертого элемента 18 существенно превышает емкость четвертого конденсатора 13 и индуктивность первого элемента 15, то пятый конденсатор 16 и цепь рекуперации не оказывают заметного влияния на процесс формирования импульса тока в контуре перезаряда четвертого конденсатора 13. В процессе перезаряда четвертого конденсатора 13 первый дроссель насыщения 10, имеющий в исходном состоянии большую индуктивность, блокирует напряжение заряда первого конденсатора 8 и препятствует его разряду через цепь второго тиристора 14. В момент изменения полярности четвертого конденсатора 13, который вследствие малых потерь энергии в контуре перезаряда практически совпадает с моментом максимума тока через первый индуктивный элемент 15, к РВД 11 прикладывается обратное напряжение. При этом ток первого индуктивного элемента 15 замыкается через РВД 11, являясь током его управления I_у. При прохождении через РВД 11 обратного тока I_у в его структуре накапливается значительный включающий заряд, необходимый для последующего однородного переключения. Через некоторое время после возникновения тока I_у насыщается сердечник первого дросселя насыщения 10, при этом индуктивность дросселя резко уменьшается, к РВД 11 прикладывается положительное напряжение, он переключается и коммутирует в первую обмотку первого трансформатора 19 мощный быстронарастающий импульс тока разряда первого конденсатора 8. Вследствие однородного по площади переключения РВД 11 потери энергии при коммутации незначительны.

В процессе запуска РВД 11 пятый конденсатор 16 заряжается до небольшого напряжения, которое после окончания тока в контуре перезаряда четвертого конденсатора 13 прикладывается ко второму тиристору 14 в обратном направлении, способствуя его выключению. В процессе выключения второго тиристораа 14 пятый конденсатор 16 медленно перезаряжается через цепь рекуперации из пятого диода 17 и четвертого индуктивного элемента 18. Индуктивность четвертого элемента 18 выбирается таким образом, что момент изменения полярности пятого конденсатора 16 наступает после полного выключения второго тиристора 14. После окончания процесса перезаряда пятого конденсатора 16 возникающее на его обкладках обратное напряжение блокируется пятым диодом 17 и вторым тиристором 14. При следующем включении тиристора 14 пятый конденсатор 16 разряжается через РВД 11, увеличивая ток его управления. При этом надежность работы РВД 11 возрастает.

Разряд первого конденсатора 8 обусловливает заряд равновеликих второго и третьего конденсаторов 20 и 21 до более высокого напряжения, определяемого коэффициентом трансформации первого трансформатора 19. Заряд второго конденсатора 20 осуществляется непосредственно через вторую обмотку первого трансформатора 19, а заряд третьего конденсатора 21 через вторую обмотку первого трансформатора 19 и вторую обмотку второго трансформатора 23. Для выравнивания токов заряда второго и третьего конденсаторов 20 и 21 через первую обмотку второго трансформатора 23 предварительно пропускается ток размагничивания, формируемый генератором тока 22. В результате в процессе заряда третьего конденсатора 21 сердечник второго трансформатора 23 находится в насыщенном состоянии, при этом индуктивность его второй обмотки невелика и практически не ограничивает скорость нарастания тока заряда третьего конденсатора 21.

После окончания процесса заряда второго и третьего конденсаторов 20 и 21 происходит насыщение сердечника первого трансформатора 19 и быстрый перезаряд второго конденсатора 20 через вторую обмотку этого трансформатора, имеющую после насыщения сердечника очень малую индуктивность. При этом ко второй обмотке второго трансформатора 23 прикладывается напряжение с полярностью, обратной по отношению к полярности напряжения при заряде третьего конденсатора 21. При возникновении на второй обмотке второго трансформатора 23 обратного напряжения сердечник этого трансформатора выходит из состояния насыщения, индуктивность второй обмотки резко возрастает и препятствует разряду третьего конденсатора 21 через вторую обмотку первого трансформатора 19. После окончания процесса перезаряда второго конденсатора 20 к третьему дросселю насыщения 24, имеющему в исходном состоянии значительную индуктивность, прикладывается суммарное напряжение заряда конденсатора 20 и 21, при этом сердечник третьего дросселя 24 насыщается, его индуктивность резко уменьшается и в цепь нагрузки коммутируется короткий импульс тока разряда последовательно включенных конденсаторов 20 и 21. В процессе коммутации напряжение в цепи нагрузки в два раза превышает выходное напряжение цепи коммутации, возникающее на второй обмотке первого трансформатора 19.

Величина индуктивности третьего дросселя 24 при насыщении его сердечника выбирается таким образом, что длительность импульса тока, коммутируемого в цепь нагрузки, оказывается существенно меньше длительности импульса тока заряда конденсаторов 20 и 21. Еще больше "сжатие" импульса тока можно получить, используя в цепи нагрузки дополнительное звено магнитного сжатия, состоящее из конденсатора 39 и дросселя насыщения 40 цепи нагрузки 25.

После окончания процесса коммутации цепь из последовательно соединенных четвертого диода 6 и резистора 7 обеспечивает рассеяние энергии, остающейся в первом конденсаторе 8 вследствие рассогласования параметров этого конденсатора с параметрами конденсаторов выходной цепи или по причине возникновения обратной волны напряжения, отраженной от нагрузки при уменьшении ее электрического сопротивления. В обоих случаях осуществляется перезаряд первого конденсатора 8, при этом первый диод 9 блокирует возникающее на первом конденсаторе 8 обратное напряжение и первый конденсатор 8 медленно разряжается через резистор 7 и четвертый диод 6.

В рассмотренном магнитном генераторе импульсов возвращение сердечника нелинейных элементов в исходное магнитное состояние осуществляется путем пропускания тока размагничивания через дополнительные обмотки этих элементов, не изображенные на схеме.

Таким образом, благодаря введению во входную цепь магнитного генератора импульсов дополнительных второго и третьего индуктивных элементов, третьего тиристора, шестого конденсатора, второго источника постоянного напряжения и датчика тока, а также вследствие изменения электрических связей второго и третьего диодов стало возможным регулирование величины выходного напряжения. При этом глубокое регулирование выходного напряжения осуществляется при малых потерях энергии во входной цепи и КПД магнитного генератора импульсов в процессе регулирования существенно выше по сравнению с ранее рассмотренным магнитным генератором импульсов.

Выполнение первого и второго трансформаторов в виде трансформаторов насыщения изменения электрических связей второго трансформатора и подключение генератора тока к первой обмотке второго трансформатора позволило сформировать в выходной цепи магнитного генератора короткий импульс напряжения с амплитудой в два раза превышающей амплитуду напряжения на второй обмотке первого трансформатора. При этом уменьшилась возможность пробоя изоляции первого трансформатора и повысилась надежность этого трансформатора и всего устройства в целом.

Вследствие введения в схему четвертого индуктивного элемента и изменения электрических связей третьего диода, резистора и пятого диода уменьшилось количество элементов, осуществляющих рекуперацию избыточной энергии блока запуска РВД, увеличился ток управления РВД и исключилась возможность неконтролируемого роста напряжения на первом конденсаторе цепи коммутации. При этом повысилась надежность работы блока запуска РВД, самого РВД и элементов цепи коммутации, а следовательно, и всего магнитного генератора импульсов.

По предлагаемой схеме (см. чертеж) был собран магнитный генератор импульсов для питания эксимерного лазера. В качестве РВД использовались опытные образцы, разработанные в ФТИ им. А.Ф. Иоффе РАН. Приборы имели рабочую площадь 4 см² и рабочее напряжение 1500 В. Блок РВД 11 состоял из двух последовательно включенных динисторов, параллельно каждому из которых подключен варистор СН2-2А-1200В для выравнивания напряжения в статическом режиме. Сердечники дросселей насыщения 10, 24, 40 и трансформаторов 19, 23 были изготовлены из набора кольцевых магнитопроводов размером 125·80·25 мм. В качестве материала сердечников использовалась лента и пермалоя 50 НП толщиной 20 мкм. Дроссель насыщения 10 состоял из одного магнитопровода и имел 4 витка, дроссель насыщения 24 из двух магнитопроводов и имел 7 витков, дроссель насыщения 40 из трех магнитопроводов и имел один объемный виток. Трансформатор 19 состоял из пяти магнитопроводов и имел один виток в первой обмотке и 8 витков во второй обмотке, трансформатор 23 состоял из одного магнитопровода и имел 7 витков в первой обмотке и 21 виток во второй обмотке. Дроссель насыщения 28 и трансформатор 33 были собраны на ферритовых кольцах НМС 2500 45·30·20 мм. Дроссель насыщения 28 состоял из двух колец и имел 14 витков, трансформатор 33 состоял из трех колец и имел один виток в первой обмотке и 400 витков во второй обмотке. Трансформатор 38 был собран из трех ферритовых колец НМ 2000 20х12х6 мм и имел по 10 витков в первой и во второй обмотке. В качестве резистора 34 использовался переменный резистор СП5-IВIА 100 Ом, в качестве динистора 37 КН 102А. Сопротивление резистора 36 5,6 Ом, резистора 7 0,5 Ом. Индуктивность элемента 3 3,7 мГн, элемента 29 380 мкГн, элемента 15 2 мкГн, элемента 18 250 мкГн. Емкость конденсатора 30 14 мкФ, конденсатора 35 0,47 мкФ, конденсатора 8 - 10 мкФ, конденсатора 20 и 21 80 нФ, конденсатора 39 40 нФ, конденсатора 16 -4 мкФ, конденсатора 13 0,1 мкФ. В качестве тиристора 26 и тиристоров блоков 4 и 14 использовались тиристоры ТЧ-40-374-9. Блоки 4 и 14 состояли из трех последовательно включенных тиристоров. Диодные блоки 5 и 6 состояли из двух последовательно включенных диодов ДЛ-132-50-12. В качестве диодов 9 и 27 использовались диоды ДЧ-151-80-10, в качестве диода 17 ДЛ-112-25-12. Блок управления 2 содержал два выходных канала, собранные на логических микросхемах. Первый канал блока 2 формировал импульсы тока длительностью 30 мкс с амплитудой 1 A, второй канал импульсы тока длительностью 3 мкс с амплитудой 2,5 A, задержка между первым и вторым каналом составляла 3 мс. Первый источник постоянного напряжения 1 питался от трехфазной сети 3х380 В, 50 Гц и содержал диодный однополупериодный выпрямитель и выходную конденсаторную батарею. Величина выходного напряжения первого источника постоянного напряжения составляла около 300 В. Второй источник постоянного напряжения 31 питался от однофазной сети 220 В, 50 Гц и содержал повышающий сетевой трансформатор, диодный двухполупериодный выпрямитель, выходной конденсатор и балластный резистор. Выходное напряжение источника 31 постоянного напряжения 900 В. Генератор тока 22 питался от однофазной сети 220 В, 50 Гц и содержал понижающий сетевой трансформатор, диодный двухполуопериодный выпрямитель, выходную конденсаторную батарею, разделительный линейный дроссель и балластный резистор. Величина выходного тока генератора 22 2,5 А.

В процессе испытаний на физическую нагрузку 41 в виде эксимерного лазера магнитный генератор импульсов надежно работал в диапазоне частот 1-100 Гц. При этом амплитуда выходного напряжения регулировалась в пределах 15-20 кВ. Длительность фронта нарастания выходного напряжения составляла менее 100 нс.

Формула изобретения

Магнитный генератор импульсов, состоящий из цепи коммутации из последовательно соединенных первого диода, первого конденсатора, первого дросселя насыщения, реверсивно включаемого динистора и первой обмотки первого трансформатора, входной цепи из первого источника постоянного напряжения, первого тиристора, второго дросселя насыщения и второго диода, выходной цепи из последовательно соединенных второго и третьего конденсаторов и третьего дросселя насыщения, цепи нагрузки, подключенной параллельно выходной цепи, блока управления, третьего и четвертого диодов, резистора, второго трансформатора, генератора тока и блока запуска из пятого диода и цепи из последовательно соединенных четвертого конденсатора, второго тиристора, первого индуктивного элемента и пятого конденсатора, причем анод первого диода соединен с концом первой обмотки первого трансформатора, анод второго тиристора соединен с анодом реверсивно включаемого динистора и первым выводом первого дросселя насыщения, объединенный вывод четвертого и пятого конденсаторов соединен с катодом реверсивно включаемого динистора и началом первой обмотки первого трансформатора, второй конденсатор подключен параллельно второй обмотке первого трансформатора, первый выход блока управления соединен с управляющим электродом первого тиристора, а второй с управляющим электродом второго тиристора, отличающийся тем, что во входную цепь введены второй и третий индуктивные элементы, датчик тока, третий тиристор, второй источник постоянного напряжения и шестой конденсатор, а также введен четвертый индуктивный элемент, катод третьего тиристора соединен с анодом второго диода и катодом первого тиристора, второй диод, второй индуктивный элемент, шестой конденсатор и второй дроссель насыщения соединены последовательно, причем второй вывод второго дросселя насыщения соединен с катодом второго диода и анодом третьего тиристора, второй источник постоянного напряжения подключен параллельно шестому конденсатору и соединен положительным выводом с первым выводом второго дросселя насыщения, датчик тока подключен между отрицательным выводом первого источника постоянного напряжения и общим выводом второго индуктивного элемента и шестого конденсатора, выход датчика тока соединен с управляющим электродом и катодом третьего тиристора, третий индуктивный элемент, третий, четвертый диоды и резистор соединены последовательно, объединенный вывод катодов третьего и четвертого диодов соединен с вторым выводом первого конденсатора и вторым выводом первого дросселя насыщения, первый вывод первого конденсатора соединен с общим выводом резистора, третьего индуктивного элемента и положительным выводом первого источника постоянного напряжения, анод первого тиристора соединен с анодом третьего диода, четвертый индуктивный элемент включен между катодом реверсивно включаемого динистора и катодом пятого диода, анод которого соединен с общим выводом пятого конденсатора и первого индуктивного элемента, генератор тока подключен параллельно первой обмотке второго трансформатора и соединен положительным полюсом с ее началом, начало второй обмотки второго трансформатора соединено с началом второй обмотки первого трансформатора, конец второй обмотки второго трансформатора соединен с общим выводом третьего конденсатора и третьего дросселя насыщения и оба трансформатора выполнены в виде трансформаторов насыщения.

РИСУНКИ

Рисунок 1