генератор высоковольтных импульсов

Формула изобретения

1. Генератор высоковольтных импульсов, содержащий параллельно включенные первый реверсивно включаемый динистор и первый запускающий конденсатор, первый тиристор, первый отсекающий диод, первую катушку индуктивности, первый вывод которой подключен к катоду первого тиристора, анод которого подключен к аноду первого реверсивно включаемого динистора и дроссель насыщения, источник питания постоянного тока, подключенный к выводам коммутирующего конденсатора, и нагрузку, отличающийся тем, что дополнительно введены блок управления, включенные в параллель, вторые реверсивно включаемый динистор и запускающий конденсатор, второй тиристор, вторая катушка индуктивности, второй отсекающий диод, высоковольтный трансформатор, первый и второй, третий и четвертый управляющие выходы блока управления подключены соответственно к управляющему электроду и катоду первого тиристора и к управляющему электроду и катоду второго тиристора, катод первого отсекающего диода подключен к аноду первого реверсивно включаемого динистора, катод которого подключен к второму выводу первой катушки индуктивности и первому выводу дросселя насыщения, анод второго тиристора подключен к катоду второго отсекающего диода и аноду второго реверсивно включаемого динистора, катод которого подключен к второму выводу второй катушки индуктивности, первый вывод которой подключен к катоду второго тиристора, анод второго отсекающего диода подключен к второму выводу дросселя насыщения, положительный выход источника питания постоянного тока подключен к аноду первого отсекающего диода, а отрицательный - к катоду второго реверсивно включаемого динистора, причем дроссель насыщения и коммутирующий конденсатор выполнены со средней точкой, выводы средних точек коммутирующего конденсатора и дросселя насыщения подключены соответственно к первому и второму выводам первичной обмотки высоковольтного трансформатора, выводы вторичной обмотки которого подключены к нагрузке.

2. Генератор по п.1, отличающийся тем, что блок управления состоит из генератора прямоугольных импульсов, выход которого подключен к входу счетного триггера, инверсный и прямой выходы которого подключены соответственно к входам первого и второго формирователей импульсов, причем первый и второй выходы первого и первый и второй выходы второго формирователей импульсов являются соответственно первым, вторым, третьим и четвертым управляющими выходами блока управления.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к сильноточной полупроводниковой электронике и может быть использовано преимущественно для питания озонаторов, а также в электроэрозии и в электроимпульсном формообразовании и т.п.

Известны высоковольтные импульсные генераторы (см., например, авторское свидетельство СССР N 1 803 964, 1993 г., патент РФ N 2 019 905, 1994 г.).

Известные аналоги построены по принципу формирования импульса напряжения путем разряда сосредоточенной емкости, реализованные на вращающемся разряднике и тиристорах, позволяющих получить однополярные импульсы и регулировать величину энергии, передаваемую в нагрузку.

Однако указанные аналоги имеют недостатки. Известные схемы устройств маломощны и обладают невысокой скоростью нарастания фронтов выходных импульсов, что ограничивает область их применения.

Наиболее близким по технической сущности к заявленному является генератор высоковольтных импульсов по авторскому свидетельству СССР N 1 812 616, МПК 6 H 03 K 3/53, заявл. 18.04.91, опубл. 30.04.93. Известный генератор состоит из источника питания, коммутирующего конденсатора, дросселя насыщения, реверсивно включаемого динистора, отсекающего диода, цепи нагрузки, шунтирующего диода, тиристора, запускающего конденсатора, катушки индуктивности, зарядного устройства, резистора, дополнительного источника питания, первого трансформатора с насыщающимся сердечником, первого дополнительного диода, проходного конденсатора, второго и третьего дополнительных диодов, второго трансформатора.

Коммутирующий конденсатор, дроссель насыщения, реверсивно включаемый динистор, отсекающий диод и цепь нагрузки соединены последовательно. Первый вывод коммутирующего конденсатора соединен с анодом шунтирующего диода и отрицательными полюсами источника питания и дополнительного источника питания. Запускающий конденсатор подключен параллельно реверсивно включаемому динистору. Анод тиристора соединен с анодом реверсивно включаемого динистора, катод тиристора - с началом обмотки катушки индуктивности. Проходной конденсатор включен между концом обмотки катушки индуктивности и катодом реверсивно включаемого динистора. Катод первого дополнительного диода соединен с вторым выводом коммутирующего конденсатора, катод третьего дополнительного диода - с положительным полюсом источника питания, анод второго дополнительного диода - с концом обмотки катушки индуктивности. Резистор включен между положительным полюсом дополнительного источника питания и вторым выводом коммутирующего конденсатора. Начало первой обмотки и конец второй обмотки первого трансформатора с насыщающимся сердечником соединены между собой и подключены к положительному полюсу источника питания. Конец первой обмотки первого трансформатора с насыщающимся сердечником соединен с анодом первого дополнительного диода, начало второй обмотки - с катодом шунтирующего диода. Начало первой обмотки второго трансформатора соединено с отрицательным полюсом источника питания, конец - с анодом третьего дополнительного диода.

Генератор-прототип по открытии реверсивно включаемого динистора формирует однополярный импульс с высокой скоростью нарастания переднего фронта импульса.

Недостатком прототипа является однополярность его выходных импульсов, что также ограничивает область его использования. В частности, при питании с его помощью озонаторной установки резко снижается ее КПД.

Целью изобретения является разработка генератора высоковольтных импульсов, обеспечивающего формирование на выходе биполярных импульсов с крутым фронтом нарастания.

Указанная цель достигается тем, что в известном генераторе высоковольтных импульсов, содержащем параллельно включенные первый реверсивно включаемый динистор и первый запускающий конденсатор, первый тиристор, первый отсекающий диод, первую катушку индуктивности, первый вывод которой подключен к катоду первого тиристора, анод которого подключен к аноду первого реверсивно включаемого динистора, и дроссель насыщения, подключенный к выводам коммутирующего конденсатора, и нагрузку, дополнительно введены блок управления, включенные в параллель вторые реверсивно включаемый динистор и запускающий конденсатор, второй тиристор, вторая катушка индуктивности, второй отсекающий диод, высоковольтный трансформатор. Первый и второй, третий и четвертый управляющие выходы блока управления подключены соответственно к управляющему электроду и катоду первого тиристора и к управляющему электроду и катоду второго тиристора, катод первого отсекающего диода подключен к аноду первого реверсивно включаемого динистора, катод которого подключен к второму выходу первой катушки индуктивности и первому выводу дросселя насыщения.

Анод второго тиристора подключен к катоду второго отсекающего диода и аноду второго реверсивно включаемого динистора, катод которого подключен к второму выводу второй катушки индуктивности. Первый вывод второй катушки индуктивности подключен к катоду второго тиристора. Анод второго отсекающего диода подключен к второму выводу дросселя насыщения. Положительный выход источника питания постоянного тока подключен к аноду первого отсекающего диода, а отрицательный - к катоду второго реверсивно включаемого динистора. Причем дроссель насыщения и коммутирующий конденсатор выполнены со средней точкой. Выводы средних точек коммутирующего конденсатора и дросселя насыщения подключены соответственно к первому и второму выводам первичной обмотки высоковольтного трансформатора, выводы вторичной обмотки которого подключены к нагрузке.

Блок управления состоит из генератора прямоугольных импульсов, выход которого подключен к входу счетного триггера, инверсный и прямой выходы которого подключены соответственно к входам первого и второго формирователей импульсов. Первый и второй выходы первого и первый и второй выходы второго формирователей импульсов являются соответственно первым, вторым, третьим и четвертым управляющими выходами блока управления.

Благодаря новой совокупности существенных признаков за счет введения управляющего блока и поочередного разряда коммутирующего конденсатора через реверсивно включаемый динистор формируются биполярные импульсы при сохранении в них крутых передних фронтов. Эти достигается возможность расширения области применения заявленного устройства, в частности, для питания высокопроизводительных озонаторов.

Заявленное устройство поясняется чертежами, на которых:

на фиг. 1 изображена функциональная схема устройства; на фиг. 2 - схема формирователя импульсов; на фиг. 3 - эпюры сигналов на выходах элементов устройства.

Генератор высоковольтных импульсов, показанный на фиг. 1, состоит из первого 1 и второго 2 реверсивно включаемых динисторов (РВД), блока управления 3, источника питания постоянного тока 4 (ИППТ), высоковольтного трансформатора 5, к вторичной обмотке которого подключена нагрузка 6, дросселя насыщения 7 первого 8 и второго 9 тиристоров, первого 10 и второго 11 отсекающих диодов, первого 12 и второго 13 запускающих конденсаторов, коммутирующего конденсатора 14, первой 15 и второй 16 катушки индуктивности.

Первый 3₁, второй 3₂, третий 3₃ и четвертый 3₄ управляющие выходы блока управления 3 подключены соответственно к управляющему электроду и катоду первого тиристора 8, к управляющему электроду и катоду второго тиристора 9.

Анод первого тиристора 8 подключен одновременно к первому выводу первого запускающего конденсатора 12, аноду первого РВД 1 и катоду первого отсекающего диода 10. Катод первого тиристора 8 подключен к первому выводу первой катушки индуктивности 15, второй вывод которой подключен одновременно к катоду первого РВД 1, первому выводу дросселя насыщения 7 и второму выводу первого запускающего конденсатора 12. Анод первого отсекающего диода 10 подключен одновременно к первому выводу коммутирующего конденсатора 14 и положительному выходу ИППТ 4. Отрицательный вывод ИППТ 4 подключен одновременно к второму выводу коммутирующего конденсатора 14 и к катоду второго РВД 2, второму выводу второго запускающего конденсатора 13 и второму выводу второй катушки индуктивности 16. Анод второго РВД 2 подключен одновременно к катоду второго отсекающего диода 11, первому выводу второго отсекающего конденсатора 13 и к аноду второго тиристора 9. Анод второго отсекающего диода 11 подключен к второму выводу дросселя насыщения 7. Первый вывод второй катушки индуктивности 16 подключен к катоду второго тиристора 9. Дроссель насыщения 7 и коммутирующий конденсатор 14 выполнены со средней точкой, выводы от которого подключены к соответствующим выводам первичной обмотки высоковольтного трансформатора 5.

Блок управления 3 состоит из генератора прямоугольных импульсов 3.1, счетного триггера 3.2, первого 3.3 и второго 3.4 формирователей импульсов. Выход генератора прямоугольных импульсов 3.1 подключен к входу счетного триггера 3.2, инверсный и прямой выходы которого подключены соответственно к выводам первого 3.3 и второго 3.4 формирователей импульсов. Первый и второй управляющие выходы первого формирователя импульсов 3.3 и первый и второй управляющие выходы второго формирователя импульсов 3.4 являются соответственно первым, вторым, третьим и четвертым управляющими выходами блока управления 3.

Первый 3.3 и второй 3.4 формирователи импульсов идентичны и предназначены для формирования импульсов включения первого 8 и второго 9 тиристоров. Вариант построения формирователя импульсов представлен на фиг. 2. Он состоит из последовательно соединенных ячейки дифференцирования 3.3.1, одновибратора 3.3.2, усилителя импульсов 3.3.3 и дополнительного источника питания постоянного тока 3.3.4. Вход ячейки дифференцирования является входом формирователя импульсов, а выходы усилителя являются управляющими выходами формирователя импульсов.

Схема одновибраторов известны и описаны, например, в книге А.С.Партина, В.Г.Борисова, Введение в цифровую технику. "Радио и связь" 1987, с. 14, рис. 13a, и, в частности, такая схема может быть реализована на микросхемах серии 155. В качестве ячейки дифференцирования может быть использована одна из известных схем, например, приведенная в книге У.Титце, К.Шенк, Полупроводниковая схемотехника. Москва, "Мир", 1982, с. 16, рис. 2.5. В качестве усилителя может быть использован любой импульсный усилитель с трансформаторным выходом, схема таких усилителей показана, например, в книге У.Титце, К. Шенк, Полупроводниковая схемотехника. Москва, "Мир", 1982, с. 248, рис. 5.18. В качестве генератора прямоугольных импульсов может использоваться одна из известных схем, например, приведенная в книге У.Титце, К.Шенк, Полупроводниковая схемотехника. Москва, "Мир", 1982, с. 307, рис. 18.26. Схемы триггера известны и показаны, например, в книге В.В.Стрыгин, Л.С.Щарев. Основы вычислительной микропроцессорной техники и программирования. Москва, Высшая школа, 1989, с. 83, рис. 5.10 и может быть выполнена на микросхемах К551ТМ2.

Устройство работает следующим образом. Импульсы (фиг. 3, а) с выхода генератора прямоугольных импульсов 3.1 поступают на счетный триггер 3.2. По передним фронтам этих импульсов счетный триггер 3.2 изменяет свое состояние на противоположное, тем самым формируя на прямом (фиг. 3, б) и инверсном (фиг. 3, в) импульсы противоположных знаков.

Импульсы с выходов счетного триггера 3.2 поступают на входы первого 3.3 и второго 3.4 формирователей импульсов. Формирование импульсов формирователей импульсов 3.3.3.4 производится по передним фронтам импульсов счетного триггера 3.2. Например, при появлении высокого потенциала на прямом выходе счетного триггера 3.2 происходит заряд емкости ячейки дифференцирования 3.3.1, в результате чего на резисторе формируется короткий импульс, поступающий через диод на вход одновибратора 3.3.2, который увеличивает длительность импульса с выхода ячейки дифференцирования 3.3.1 до значения, достаточного для включения первого тиристора 8.

Выходной импульс одновибратора 3.3.2 усиливается транзисторным усилителем и поступает на управляющий электрод первого тиристора 8. Аналогичным образом производится формирование импульса включения второго тиристора 9 вторым формирователем импульсов 3.4 с обеспечением необходимых параметров длительности и амплитуды тока импульса включения второго тиристора 9.

При поступлении импульса с выхода первого формирователя импульса 3.3 на управляющий электрод первого тиристора 8 (фиг. 3, г) первый тиристор 8 (фиг. 1) открывается и предварительно заряженный первый запускающий конденсатор 12 разряжается через первый тиристор 8 и первую катушку индуктивности 15. Через некоторое время ток разряда первого запускающего конденсатора 12 достигает максимального значения, а затем начинает уменьшаться, в результате чего ЭДС самоиндуктивности первой катушки индуктивности 15 изменяет свою полярность на обратную и к катоду реверсивно включаемого динистора 1 прикладывается положительный потенциал, под действием которого через реверсивно включаемый динистор 1 протекает импульс тока накачки (фиг. 3, е) по цепи: второй вывод первой катушки индуктивности 15, реверсивно включаемый динистор 1, первый тиристор 8, второй выход первой катушки индуктивности 15 , под действием которого происходит включение реверсивно включаемого динистора 1. В процессе включения реверсивно включаемый динистор 1 напряжение левой части 14.1 коммутирующего конденсатора 14 блокируется дросселем насыщения 7. К моменту окончания импульса накачки реверсивно включаемого динистора 1 дроссель насыщения 7 насыщается, его индуктивное сопротивление уменьшается и реверсивно включаемый динистор 1 полностью открывается. Через первичную обмотку высоковольтного трансформатора 5 протекает ток заряда правой части 14.2 коммутирующего конденсатора 14 и ток разряда левой части 14.1 коммутирующего конденсатора 14. В результате чего по первичной обмотке трансформатора 5 протекает импульс тока, длительность которого зависит от резонансной частоты, определяемой индуктивностью и емкостью последовательного контура, образованного левой частью 14.1 коммутирующего конденсатора 14, первый отсекающим диодом 10, реверсивно включаемым динистором 1, обмоткой дросселя насыщения 7 первичной обмоткой высоковольтного трансформатора 5. Напряжение (фиг. 3, з) с вторичной обмотки высоковольтного трансформатора 5 прикладывается к нагрузке 6.

К концу первого полупериода колебательных процессов контура правая часть 14.2 коммутирующего конденсатора 14 заряжается до напряжения источника питания постоянного тока 4, а знак напряжения на левой части 14.1 коммутирующего конденсатора 14 изменяется на противоположный. Положительный потенциал с обмотки левой части 14.1 коммутирующего конденсатора 14 через вторую и первую обмотки дросселя насыщения 7, открытый, реверсивно включаемый динистор 1 прикладывается к катоду первого отсекающего диода 10 и он закрывается. При этом ток в цепи контура прекращается и реверсивно включаемый динистор 1 начинает закрываться. Время выключения мощных реверсивно включаемых динисторов достигает 100-150 мкс. После включения реверсивно включаемого динистора 1 при поступлении высокого потенциала (фиг. 3, в) с инверсного выхода счетного триггера 3.2 на вход второго формирователя импульсов 3.4 на его выходе появляется импульс (фиг. 3, д) включения второго тиристора 9, формирующего импульс накачки (фиг. 3, ж) второго реверсивно включаемого динистора 2. Второй реверсивно включаемый динистор 2 включается и через первичную обмотку высоковольтного трансформатора 5 в противоположном направлении протекает ток заряда левой части 14.1 коммутирующего конденсатора 14 и ток разряда правой части 14.2 коммутирующего конденсатора 14. При этом во вторичной обмотке высоковольтного трансформатора 5 индуцируется импульс противоположной полярности (фиг. 3, з вычислительной микропроцессорной техники). Импульс отрицательной полярности вторичной обмотки высоковольтного трансформатора 5 прикладывается к нагрузке 6.

Использование двухполярных симметричных импульсов высокого напряжения упрощает конструкцию высоковольтного трансформатора 5, так как исключается возможность насыщения его магнитного сердечника.

Подбором параметров резонансного контура: емкостей коммутирующего конденсатора 14 и индуктивностей обмоток высоковольтного трансформатора 5 и обмоток дросселя насыщения 7 обеспечивается существенное превышение собственной резонансной частоты последовательного контура максимальной частоты переключения реверсивно включаемых динисторов 1, 2. Это увеличивает время, представляемое для выключения реверсивно включаемых динисторов, и увеличивает надежность работы устройства.

В устройстве не требуется дополнительное время на установку потенциалов конденсаторов 12-14 в исходное состояние перед очередным циклом работы устройства, так как запускающие конденсаторы 12, 13 устанавливаются в исходное состояние при работе соответствующей противоположной половины схемы устройства, а установка коммутирующего конденсатора 14 не требуется, так как токи заряда-разряда левой 14.1 и правой 14.2 частей коммутирующего конденсатора 14 являются рабочими токами формирования высоковольтных импульсов 3.3, 3.4 высоковольтного трансформатора 5. В результате чего повышается быстродействие устройства.

Теоретические предпосылки были проведены на опытном образце заявленного устройства питающей схемы озонаторной установки.

В качестве РВД 1, 2 и отсекающих диодов 10,11 использованы полупроводниковые приборы, разработанные в ФТИ АН РФ, с рабочей площадью 6 см, рабочим напряжением 600-1000 В, способные коммутировать импульсы тока со скоростью нарастания 1000 А/мкс. Высоковольтный трансформатор 5 выполнен на ферритовых кольцах марки 2000 НЦ, коэффициент трансформации 30, напряжение на первичной обмотке 500 В, на вторичной обмотке 15 кВ. Дроссель насыщения 7 с ферритовым сердечником марки НМС 2500 имеет 6 витков. В качестве тиристоров использовались тиристоры ТЧИ100. В качестве запускающих 12, 13 и коммутирующего 14 конденсаторов использовались конденсаторы марки К78-2, емкости которых соответственно 0,06 мкФ, 2 мкФ. Катушки индуктивности 15, 16 имели 17 витков.

Генератор высоковольтных импульсов формирует импульсы тока частотой 8 кГц, длительностью 1,5-2 мкс, амплитудой 15 кВ, с амплитудой тока по 2 кА.