Ключевой каскодный умножитель напряжения постоянного тока высоковольтный ккунптвв

Умножитель напряжения постоянного тока ККУНПТВВ относится к электронике, может быть применен как синхронизируемый источник высокого напряжения с низким выходным сопротивлением, большой мощностью импульса и управляемым коэффициентом умножения. Последовательно-волновой способ коммутации секций умножения позволяет применять компоненты, рассчитанные только на исходное напряжение. Выходное напряжение может превышать в десятки и сотни раз исходное. Верхний предел выходного напряжения может достигать десятков киловольт. Принцип работы - параллельный заряд накопительных конденсаторов, затем включение их в последовательную цепь, синхронно с сигналом управления. Коэффициент умножения варьируется длительностью управляющего импульса и изменением исходного напряжения извне. Технический результат - преодоление зависимости высоковольтных ключевых конденсаторных умножителей от параметров компонентов. Изобретен технологичный, компактный, легко адаптируемый, универсальный, синхронизируемый, гибкий в управлении, мощный модуль умножения напряжения без индуктивности. 1 ил.

 

Ключевой каскодный высоковольтный умножитель напряжения постоянного тока ККУНПТВВ относится в основном к ЭЛЕКТРОНИКЕ и предназначен для решения проблем получения регулируемого и синхронизируемого импульса высокого напряжения широкого диапазона потенциалов и мощности, в течение одного импульса управления, без использования индуктивности. Умножитель найдет применение также и в других областях техники, а именно:

АВТОМОБИЛЕСТРОЕНИИ - конденсаторные стартерные системы, системы зажигания ДВС с кардинально лучшими показателями, чем основанные на трансформаторах Тесла, и т.д.,

АВИАЦИИ - источник питания реактивных двигателей ионолетов, системы зажигания, сигнальная светотехника и т.д.,

ВОЕННОЙ технике - электроразрядное оружие, электроразрядные системы боевого охранения объектов, боевые электрошокеры и т.д.,

ФУНДАМЕНТАЛЬНОЙ ФИЗИКЕ - узлы питания систем оптической накачки твердотельных лазеров, системы генерирования импульсов очень большой электрической мощности и т.д.,

СТАНКОСТРОЕНИИ - узлы питания электроэрозионных станков, электроэрозионные маркеры, системы поджига пламенных нагревателей, аппараты точечной сварки и т.д.,

ЭЛЕКТРОТЕХНИКЕ - замена механических умформеров, системы поджига люминесцентных приборов, приборы проверки электроизоляции оборудования и инструмента, управление коммутационной аппаратурой и т.д.,

ЭЛЕКТРОАКУСТИКЕ - решение проблемы управления электростатическими и ионными излучателями звука и т.д.,

БЫТОВОЙ ТЕХНИКЕ - ионизаторы и очистители воздуха и т.д.

Прототипом изобретения является умножитель напряжения постоянного тока по патенту №2295822 «УНПТ ВОРОБЬЕВА». Заявка от прототипа отличается тем, что:

- Резисторы ограничения тока заряда накопительных конденсаторов (в прототипе R6, R6.1,...R6.n) вынесены за пределы узла управления переключением ключей секции умножения (в заявке резисторы R5, R5.1,...R5.n).

- Отсутствуют резисторы балансировки равенства напряжения на секциях в режиме последовательного включения накопительных конденсаторов (в прототипе R4, R4.1...R4.n).

- Зарядные диоды накопительных конденсаторов (в прототипе VD7, VD7.1...VD7.n) заменены стабилитронами (в заявке VD4.1, VD4.2, VD4.n), выполняющими также функцию ограничения и балансировки напряжения на секциях, а также защиту от переполюсовки напряжения на секциях при коротких замыканиях в нагрузке.

- В заявке питание цепи управления ключом коммутации секций (по схеме VT2) производится от отдельного источника, состоящего из VD6 и С2, тогда как в прототипе питание цепи управления ключом коммутации секций умножения (VT2 в прототипе) осуществляется от накопительного конденсатора (С2 в прототипе).

- Питание цепей управления ключей последовательного включения накопительных конденсаторов (в заявке VT4, VT4.1,...VТ4.n) производятся от отдельных источников напряжения выполненных на VD7+С4, VD7.1+С4.1...VD7.n+C4.n, тогда как в прототипе питание производится от накопительных конденсаторов (C3+R5, С3.1+R5.1,...C3.n+R5.n).

- Изменена схема управления переключения ключей в секциях умножения.

Положительный эффект:

- Работа схемы стала более стабильной и сбалансированной из-за нового решения в схеме управления секцией.

- Уменьшилась мощность потребления в режиме ожидания (параллельное включение), что упрощает возможность микромодульного исполнения умножителя.

- Сократилось количество элементов схемы при сохранении основных параметров умножителя.

- Применение внутренних источников питания для цепей коммутации секций позволило изолировать цепь питания ключа последовательного включения от накопительных конденсаторов. Это исключает нарушение управляемости секции умножения при скачках напряжения на конденсаторах или переполюсовках в аварийных режимах.

- Появилась возможность более демократично допускать разброс параметров компонентов.

Конструктивное построение ККУНПТВВ

Умножитель постоянного напряжения ККУНПТВВ реализует принцип предварительного заряда конденсаторов в параллельном включении и последующее соединение заряженных конденсаторов в последовательную цепь по сигналу управления. При этом используется последовательно-волновой способ переключения секций умножения. Количество секций умножения может быть любым - то есть равно «N». Схема ККУНПТВВ представлена на чертеже.

Умножитель состоит из следующих каскадов (см. чертеж):

Отсекающий каскад, выполненный на транзисторе VT1 структуры MOSFET или MOOLFET, конденсаторе С1, диоде VD2, стабилитроне VD1, оптроне U1 и резисторе R1. Выполняет функцию отключения исходного источника напряжения от нагрузки при работе на разрядник и предотвращает возникновение электрической дуги.

Ключ управления состоянием секций умножителя, выполненный на транзисторе VT2 структуры MOSFET или MOOLFET, конденсаторе С2, диоде VD6, стабилитроне VD3, оптроне U2 и резисторе R2.

Промежуточная секция умножения, выполнена на транзисторах VT3 и VТ4 структуры MOSFET или MOOLFET, стабилитронах VD4.1 (VD4.2, VD4.3...VD4.n), VD8 (VD8.1,...VD8.n), VD9 (VD9.1, VD9.2...VD9.n), диодах VD7 (VD7.1, VD7.2,...VD7.n), VD10 (VD10.1,...VD10.n), конденсаторах С4 (С4.1, C4.2,...C4.n) и С5 (С5.1, C5.2,...C5.n), резисторах R3 (R3.1, R3.2,...R3.n), R4 (R4.1, R4.2,...R4.n), R6.1 (R5.2, R5.3,...R5.n).

Оконечная секция умножения, выполнена (для конкретно представленной схемы) на транзисторе VT4.2, диоде VD7.2, стабилитронах VD4.3, VD9.2, конденсаторах С4.2, С5.2 и резисторах R3.2, R4.2, R5.3. Она является усеченной копией промежуточной секции умножения и не отличается принципом работы. Отсутствует только ключ параллельного включения со своим защитным стабилитроном для следующей секции. Так как число секций умножения может быть любым, то в общем понимании все элементы оконечной секции умножения можно воспринимать с расширением n. То есть VT4.n, VD4.n... и т.д.

Вспомогательный набор выполнен на диоде VD4, стабилитроне VD5, конденсаторе С3 и резисторе R5.

Работа умножителя ККУНПТВВ

Схема умножителя ККУНПТВВ представлена на чертеже.

Работа умножителя происходит как поочередное переключение с параллельного заряда накопительных конденсаторов на последовательное соединение уже заряженных конденсаторов. Переключение происходит по сигналу управления извне, поступающего на вход +IN, в виде токового импульса.

Фаза параллельного включения накопительных конденсаторов. Это исходное состояние умножителя. В схеме происходит следующее:

Ток управления на входе +IN отсутствует. Исходное питающее напряжение подключено к клеммам +U и -U. Транзисторы оптронов U1 и U2 закрыты. Через диод VD2 заряжается конденсатор С1, питающий цепь управления отсекающего каскада. Ток, протекая по цепи: плюс С1, резистор R1, стабилитрон VD1, минус С1, формирует напряжение открывания на затворе ключевого транзистора и транзистор VT1 открывается, «минус» исходного питающего напряжения оказывается подключенным к «минусу» умножителя. Исходное напряжение подано. Через диод VD4, резистор R5, заряжается конденсатор С3 и далее через диод VD6 заряжается конденсатор С2. Ток, протекая по цепи: плюс С2, резистор R2, стабилитрон VD3, минус С2, формирует напряжение открывания на ключевом транзисторе VT2 и транзистор открывается. Ключ управления секциями умножения VT2 запускает последовательно-волновое переключение секций умножения - на параллельный заряд.

Конденсатор С5 заряжается по цепи: +U, диод VD4, стабилитрон VD4.1 в варианте «диод», резистор R5.1, плюс С5, минус С5, стабилитрон VD9 в варианте «диод», стабилитрон VD8 в варианте «стабилитрон», сток VT2, -U. При этом открытый «диод» VD9 закорачивает затвор транзистора VT4 на исток VT4 и дополнительно подпирает его своим падением напряжения. Транзистор VT4 надежно закрыт. Ток заряда протекает через VD8 в варианте «стабилитрон» и формирует отпирающее напряжение на электродах исток - затвор транзистора VT3. Транзистор VT3 открывается, и через открытый переход исток - сток, а также диод VD10 в прямом включении подключает «-U пит» к следующей секции умножителя. Далее начинается заряд С5.1 по цепи: +U, VD4, VD4.1, R5.2 и далее VD9.1 (как диод), V8.1 (как стабилитрон), открытый VD10, открытые VT3, VT2, -U. При этом VT4.1 надежно закрыт, a VT3.1 открывается напряжением на стабилитроне VD8.1. При этом создается цепь заряда для следующей секции умножения (по схеме это С5.2). Заряд последнего конденсатора умножителя происходит по цепи: +U, открытый диод VD4, стабилитроны VD4.1, VD4.2, VD4.3 (как диод), резистор R5.3, плюс конденсатора С5.2, минус С5.2, стабилитрон VD9.2 (как диод), открытый диод VD10.1, сток - исток VT3.1, открытый VD10, сток - исток VT3, сток - исток VT2, - U. При этом VT4.2 надежно закрыт. Одновременно происходит заряд конденсаторов внутренних источников питания в каждой секции умножения. Конденсатор С4 заряжается по цепи: +U, VD4, R5, R3, VD7, плюс С4, минус С4, VD9 (как диод), VD8 (как стабилитрон), сток - исток VT2, -U. Конденсатор С4.1 заряжается по цепи: +U, VD4, VD4.1, R5.1, R3.1, VD7.1, плюс С4.1, минус С4.1, VD9.1 (как диод), VD8.1 (как стабилитрон), VD10, сток - исток VT3, сток-исток VT2, -U. Конденсатор С4.2 заряжается по цепи: +U, VD4, VD4.1, VD4.2, R5.2, R3.2, VD7.2, плюс С4.2, минус С4.2, стабилитрон VD9.2 (как диод), VD10.1, сток - исток VT3.1, VD10, сток - исток VT3, сток - исток VT2, -U. Умножитель находится в состоянии «параллельное соединение конденсаторов». Все конденсаторы заряжены. Умножитель готов к формированию импульса высокого напряжения синхронно с сигналом управления. Когда конденсаторы зарядятся, то секции остаются включенными на параллельное соединение за счет естественных утечек конденсаторов и транзисторов последовательного включения. Микротоки через стабилитроны стабилизируются отрицательной обратной связью транзисторов последовательного включения.

Старение конденсаторов и увеличение утечки транзисторов при разогреве только стабилизируют состояние параллельного включения.

Задержка включения транзисторов (эффект Миллера) параллельного соединения способствует последовательно-волновому переключению, что облегчает токовую нагрузку на ключевой транзистор (в схеме VT2).

Фаза умножения напряжения.

Умножитель находится в положении «параллельное соединение конденсаторов». На вход управления +IN подается токовый импульс. Транзисторы оптронов U2 и U1 открываются, и транзисторы VT1 и VT2 закрываются, так как их затворы замыкаются накоротко с их истоками. Обрывается цепь для транзисторов VT3, VT3.1. Начинается процесс переключения всех секций умножения умножителя в положение «последовательное соединение конденсаторов». Внутренние источники питания секций умножения открывают транзисторы последовательного соединения VТ4, VT4.1, VT4.2 и закрывают (дополнительно) транзисторы параллельного соединения VT3, VT3.1. Конденсатор С4 (внутр. ист. пит. первой секции) разряжается по цепи: плюс С4, резистор R4 (сотни килоом), стабилитрон VD8 (как диод), стабилитрон VD9 (как стабилитрон), минус С4. На стабилитроне VD9 формируется открывающее напряжение затвор - исток транзистора VT4 и он открывается. Аналогично и одновременно открываются транзисторы VT4.1 (от источника С4.1), VТ4.2 (от источника С4.2). Конденсаторы С3, С5, С5.1, С5.2 соединены последовательно через открытые транзисторы и отдают сформированный высоковольтный импульс в нагрузку. При этом ток выходного импульса ограничивается резисторами R3, R3.1, R3.2, сопротивление которых выбирается из расчета максимального импульсного тока транзисторов последовательного соединения VT4, VT4.1, VT4.2 (единицы - десятки Ом). Закрытые транзисторы параллельного соединения VT2, VT3, VT3.1 не перегружаются напряжением, так как сбалансированы конденсаторами и стабилитронами: VT2 сбалансирован С3 и VD5, VT3 сбалансирован С5 и VD4.1, VT3.1 соответственно С5.1 и VD4.2. Диоды VD10, VD10.1 защищают транзисторы параллельного включения от переполюсовок при высоковольтном разряде в нагрузку из-за разницы времени включения транзисторов последовательного соединения. Умножитель формирует на выходных клеммах напряжение, равное Uвх, умноженное на n, где n - это число накопительных конденсаторов или число секций умножения +Uвх.

При большом количестве секций, порядка десятков, коэффициент умножения приближается к числу секций, так как U на С3 расходуется на полупроводниковых переходах схемы.

Так как транзисторы последовательного включения однотипны, то разница во времени включения минимальна, но все же существует. Перераспределение потенциалов уравнивается за счет стабилитронов VD5, VD4.1, VD4.2, VD4.3 и резисторов R5, R5.1, R5.2, R5.3.

Рекомендации

1. Очень желательно в качестве накопительных конденсаторов применять керамические.

2. Желательно в качестве R4...R4.n применить стабилизаторы тока.

3. Наилучшим источником исходного напряжения, будет источник линейно нарастающего напряжения. В этом случае резисторы R5...R5.n можно исключить из схемы или их номинал минимизировать. Транзисторы параллельного включения могут быть применены на небольшой ток сток-исток. Намного проще изготавливать секции умножения в виде микросхем. КПД умножителя приблизится к максимальному. Упрощается управление уровнем выходного напряжения по изменению входного напряжения электронными методами.

4. Предпочтительный режим работы - постоянно включен режим параллельного включения, а в нужный момент генерация высоковольтного импульса и снова параллельный режим как дежурный.

Практика

Макетный вариант был изготовлен с коэффициентом умножения n=27, при входном напряжении 350 В. Амплитуда выходного импульса достигала 9000 В. Максимальный ток через разрядник достигал 10 А. Все транзисторы на максимальное напряжение сток - исток равное 400 В. Благодаря низкому выходному сопротивлению умножителя и продолжительному существованию высоковольтного напряжения (зависит от параметров внутренних источников питания секций) разряд на свече зажигания не зависел от ее состояния. Испытывались новые свечи, старые зашлакованные, замоченные в воде, а также с обломанным боковым электродом. Наблюдался устойчивый мощный разряд. Испытания проводились при атмосферном давлении.

Ключевой каскодный умножитель напряжения постоянного тока высоковольтный ККУНПТВВ, реализующий принцип параллельного заряда конденсаторов, с последующим последовательно-волновым включением заряженных конденсаторов в последовательное соединение, используя транзисторы структуры MOSFET, MOOLFET, и составлен из секции управления, в которую входит ключ управления на транзисторе VT2, ключ отключения исходного напряжения на транзисторе VT1, ограничительные стабилитроны VD1 и VD3, резисторы смещения R1 и R2, оптроны внешнего управления U1 и U2, конденсаторы питания цепи смещения С1, С2, отсекающие диоды VD2, VD6, накопительный конденсатор С3, резистор R5, зарядный диод V04, клеммы исходного напряжения +U, -U, причем исток транзистора VT2, сток транзистора VT1, анод стабилитрона VD3, эмиттер транзистора оптрона U2, минус конденсатора С2, минус конденсатора С3, анод стабилитрона VD5 соединены в одной точке с клеммой "ноль", а плюс конденсатора С2 соединен с резистором смещения R2 и катодом диода VD6 в одной точке, тогда как анод диода VD6 соединен с плюсом конденсатора С3, резисторами R3, R5 в одной точке, а второй конец резистора R2 соединен с затвором ключа на транзисторе VT2, катодом стабилитрона VD3 и коллектором транзистора оптрона U2 в одной точке, тогда как катод диода VD2 соединен с плюсом конденсатора С1 и одним концом резистора R1 в одной точке, а анод VD2 соединен с анодом VD4 и клеммой +Uвх, тогда как второй конец резистора R1 соединен с затвором ключа транзистора VT1, катодом стабилитрона VD1 и коллектором транзистора оптрона U1 в одной точке, а эмиттер транзистора оптрона U1 соединен с анодом стабилитрона VD1, истоком транзистора VT1, минусом конденсатора С1 и клеммой -Uисх в одной точке, тогда как светодиоды оптронов U1 и U2 соединены последовательно в цепь внешнего управления умножителем, а также умножитель состоит из набора каскодно включенных секций умножения, причем число секций умножения в умножителе может быть N, и первая секция умножения состоит из ключа на транзисторе VT3, ключа на транзисторе VT4, ограничительно-коммутационных стабилитронов VD8 и VD9, резистора ограничения тока заряда R5.1, резистора ограничения тока разряда R3, резистора коммутации R4, диода VD7, накопительного конденсатора С5, конденсатора внутреннего питания С4 и зарядного стабилитрона VD4.1, причем второй конец резистора R3 соединен со стоком транзистора VT4 и анодом диода VD7 в одной точке, а катод диода VD7 соединен с плюсом конденсатора С4 и одним концом резистора R4 в одной точке, тогда как второй конец R4 соединен со стоком VT2, истоком VT3 и анодом стабилитрона VD8 в одной точке, а катод VD8 соединен с катодом стабилитрона VD9, затвором транзистора VT3 и с затвором транзистора VT4 в одной точке, тогда как анод VD9 соединен с минусом С4, истоком транзистора VT4 и минусом накопительного конденсатора С5 в одной точке, а плюс С5 соединен с резисторами R5.1 и R3.1 в одной точке, тогда как второй конец резистора R5.1 соединен с анодом зарядного стабилитрона VD4.2 и катодом зарядного стабилитрона VD4.1 в одной точке, тогда как анод VD4.1 соединен с катодом диода VD4 катодом стабилитрона VD5 и вторым концом резистора R5 в одной точке, а второй конец ограничительного резистора R3.1 второй секции умножения соединен со стоком транзистора VT4.1 и анодом диода VD7.1 в одной точке, тогда как катод диода VD7.1 соединен с плюсом конденсатора С4.1 и одним концом резистора R4.1 в одной точке, а второй конец R4.1 соединен с истоком VT3.1 анодом диода VD10 и анодом стабилитрона VD8.1 в одной точке, тогда как катод VD8.1 соединен с катодом стабилитрона VD9.1, затвором транзистора VT3.1 и с затвором транзистора VT4.1 в одной точке, а анод VD9.1 соединен с минусом С4.1, истоком транзистора VT4.1 и минусом накопительного конденсатора С5.1 в одной точке, тогда как плюс С5.1 соединен с резисторами R5.2 и R3.2 в одной точке, а второй конец резистора R5.2 соединен с анодом зарядного стабилитрона VD4.3 и катодом зарядного стабилитрона VD4.2 в одной точке, тогда как катод диода VD10 соединен со стоком транзистора VT3, а второй конец ограничительного резистора R3.2 оконечной секции умножения соединен со стоком транзистора VT4.2 и анодом диода VD7.2 в одной точке, тогда как катод диода VD7.2 соединен с плюсом конденсатора С4.2 и одним концом резистора R4.2 в одной точке, а второй конец R4.2 соединен с затвором VT4.2, анодом диода VD10.1 и катодом стабилитрона VD9.2 в одной точке, тогда как анод VD9.2 соединен с минусом С4.2, истоком транзистора VT4.2 и минусом накопительного конденсатора С5.2, в одной точке, а плюс С5.2 соединен с резистором R5.3 и выходной клеммой умножителя +U*N в одной точке, тогда как второй конец резистора R5.3 соединен с катодом зарядного стабилитрона VD4.3, а катод диода VD10.1 соединен со стоком транзистора VT3.1, причем клеммы +IN и «ноль» умножителя являются входами управления, клеммы +U, -U подключения исходного напряжения, а клеммы +U*N и «ноль» умножителя -U*N являются выходными.