Многомодульный импульсный модулятор

Изобретение относится к импульсным высоковольтным источникам питания и может быть использовано для получения на нагрузке, например на управляющем электроде клистрона, лампы бегущей волны и подобных им устройств, импульсов напряжения прямоугольной или ступенчатой формы в широком диапазоне изменения длительности и частоты формируемых импульсов. Задача изобретения - повышение надежности устройства в процессе его работы за счет уменьшения вероятности отказов ключей и диодов из-за перенапряжений, реализация возможности получения на нагрузке ступенчатого напряжения различной формы и существенное уменьшение потерь при перезаряде емкости нагрузки благодаря практически полной рекуперации энергии, накопленной в нагрузке, во входной источник при использовании квазирезонансного метода перезаряда емкости нагрузки. В многомодульном импульсном модуляторе, содержащем источник переменного напряжения, соединенный последовательно с трансформатором, имеющим N вторичных обмоток, каждая вторичная обмотка, соединенная с выпрямителем, образует N последовательно соединенных модулей, в каждом модуле первый управляемый ключ последовательно соединен с диодом, который зашунтирован вторым управляемым ключом, анод диода соединен с отрицательным выводом выпрямителя,катод диода первого модуля соединен с анодом диода последующего модуля, катод диода последнего модуля соединен со вторым выводом нагрузки, управляющие входы каждого ключа соединены с выходами генератора управляющих импульсов, в каждый модуль модулятора введены ограничитель напряжения, подключенный между положительным и отрицательным выводами выпрямителя, защитный диод, подключенный параллельно первому управляемому ключу и соединенный своим анодом с катодом диода, резистор, подключенный параллельно первому управляемому ключу, дополнительный источник постоянного напряжения, подключенный своим положительным выводом к катоду защитного диода,а отрицательным выводом - к положительному выводу выпрямителя, последовательно соединенные индуктивность и управляемый ключ с двусторонней проводимостью, подключенные между положительным выводом выпрямителя и катодом диода, в модулятор введен внешний источник постоянного напряжения,включенный между анодом диода первого модуля и первым выводом нагрузки, а генератор управляющих импульсов выполнен содержащим три группы выходных выводов, причем первая и вторая группы содержат по N выходных выводов каждая, третья группа содержит 2N выходных выводов, выходные выводы первой группы подключены к управляющим входам первых ключей согласно номерам модулей, выходные выводы второй группы подключены к управляющим входам вторых ключей согласно номерам модулей, а выходные выводы третьей группы подключены к управляющим входам ключей с двусторонней проводимостью согласно номерам модулей. В многомодульном импульсном модуляторе, содержащем источник переменного напряжения, соединенный последовательно с трансформатором, имеющим N вторичных обмоток, каждая вторичная обмотка, соединенная с выпрямителем, образует N последовательно соединенных модулей, в каждом модуле первый управляемый ключ последовательно соединен с диодом, который зашунтирован вторым управляемым ключом, анод диода соединен с отрицательным выводом выпрямителя, катод диода первого модуля соединен с анодом диода последующего модуля, катод диода последнего модуля соединен со вторым выводом нагрузки, управляющие входы каждого ключа соединены с выходами генератора управляющих импульсов, в каждый модуль введены ограничитель напряжения, подключенный между положительным и отрицательным выводами выпрямителя, защитный диод, подключенный параллельно первому управляемому ключу и соединенный своим анодом с катодом диода, дополнительный источник постоянного напряжения, подключенный своим положительным выводом к катоду защитного диода,а отрицательным выводом - к положительному выводу выпрямителя, последовательно соединенные индуктивность и управляемый ключ с двусторонней проводимостью, подключенные между положительным выводом выпрямителя и катодом диода, в модулятор дополнительно введены внешний источник постоянного напряжения, включенный между анодом диода первого модуля и первым выводом нагрузки, и резистор,включенный между вторым выводом нагрузки и анодом диода первого модуля, а генератор управляющих импульсов выполнен содержащим три группы выходных выводов, причем первая и вторая группы содержат по N выходных выводов каждая, третья группа содержит 2N выходных выводов, выходные выводы первой группы подключены к управляющим входам первых ключей согласно номерам модулей, выходные выводы второй группы подключены к управляющим входам вторых ключей согласно номерам модулей, а выходные выводы третьей группы подключены к управляющим входам ключей с двусторонней проводимостью согласно номерам модулей. Изобретение относится к импульсным высоковольтным источникам питания и может быть использовано для получения на нагрузке, например на управляющем электроде клистрона, лампы бегущей волны и подобных им устройств, импульсов напряжения прямоугольной или ступенчатой формы в широком диапазоне изменения длительности и частоты формируемых импульсов. Известен импульсный модулятор (патент США 5710520, кл. 330/10, МПК H03F 3/38, опубл. 20.01.1998), содержащий источник переменного напряжения, соединенный с трансформатором, имеющим несколько вторичных обмоток, образующих несколько модулей, соединенных последовательно для получения выходного напряжения. Каждый модуль содержит выпрямитель, положительный вывод которого соединен с первым выводом ключа, а отрицательный - с анодом диода, катод которого соединен со вторым выводом ключа и с анодом диода следующего модуля. Анод диода первого модуля соединен с первым выводом нагрузки, а катод диода последнего модуля - со вторым выводом нагрузки. Недостатком устройства является низкая надежность из-за возможных перенапряжений на диодах и ключах модулей, вызванных разбросом параметров этих элементов и разбросом временных задержек в цепях управления каждым ключом. Известен импульсный модулятор (патент ЕР 0557599, МПК H03F 3/20, опубл. 01.09.1993), содержащий источник переменного напряжения, соединенный с трансформатором, имеющим N вторичных обмоток, образующих N модулей, соединенных последовательно для получения выходного напряжения. Каждый модуль содержит выпрямитель, положительный вывод которого соединен с первым выводом управляемого ключа, а отрицательный - с анодом диода, катод которого соединен со вторым выводом управляемого ключа и с анодом диода следующего модуля. Анод диода первого модуля соединен с первым выводом нагрузки, а катод диода последнего модуля - со вторым выводом нагрузки. Управляемые ключи управляются от генератора управляющих импульсов. Недостатками устройства являются низкая надежность из-за возможных перенапряжений на диодах и ключах модулей, недостаточное быстродействие при отключении нагрузки, а также сравнительно большие потери энергии в ключах. Наиболее близким техническим решением к заявляемому изобретению является импульсный модулятор (патент РФ 2366077, МПК H03F 3/217; Н 03 М 1/06; Н 04 В 14/02, опубл. 27.08.2009 - прототип), содержащий управляемый источник переменного напряжения, соединенный последовательно с трансформатором, имеющим N вторичных обмоток. Каждая вторичная обмотка, соединенная с выпрямителем,образует N последовательно соединенных модулей. Положительный вывод выпрямителя соединен с первым выводом первого управляемого ключа, а отрицательный - с анодом диода, катод которого соединен со вторым выводом первого управляемого ключа и анодом диода следующего модуля. Анод диода первого модуля соединен с первым выводом нагрузки, а катод диода последнего модуля соединен со вторым выводом нагрузки. Каждый второй управляемый ключ включен параллельно диоду соответствующего модуля. Управляющие входы первых управляемых ключей соединены с прямым выходом генератора управляющих импульсов. Каждый из N датчиков напряжения включен между положительным выводом выпрямителя и первым выводом нагрузки, а выход датчиков напряжения с 1-го по (N-1) модулей соединен с первым входом суммирующего устройства через третий управляемый ключ. Выход датчика напряжения N-го модуля соединен с первым входом суммирующего устройства напрямую. Второй вход суммирующего устройства соединен с выходом источника задающего напряжения, а выход - с управляющим входом источника переменного напряжения. Инверсный выход генератора управляющих импульсов соединен с управляющими входами вторых ключей и третьего управляемого ключа. Недостатками прототипа являются ухудшение показателей надежности из-за возможных перенапряжений на ключах и диодах модулей в процессе работы, отсутствие возможности формирования ступенчатой формы напряжения на нагрузке, а также сравнительно большие потери энергии при перезаряде емкости нагрузки. Задача изобретения - повышение надежности устройства в процессе его работы за счет уменьшения вероятности отказов ключей и диодов из-за перенапряжений, реализация возможности получения на нагрузке ступенчатого напряжения различной формы и существенное уменьшение потерь при перезаряде емкости нагрузки благодаря практически полной рекуперации энергии, накопленной в нагрузке, во входной источник при использовании квазирезонансного метода перезаряда емкости нагрузки. Поставленная задача (вариант 1) решается тем, что в многомодульном импульсном модуляторе, содержащем источник переменного напряжения, соединенный последовательно с трансформатором, имеющим N вторичных обмоток, каждая вторичная обмотка, соединенная с выпрямителем, образует N последовательно соединенных модулей, в каждом модуле первый управляемый ключ последовательно соединен с диодом, который зашунтирован вторым управляемым ключом, анод диода соединен с отрицательным выводом выпрямителя, катод диода первого модуля соединен с анодом диода последующего модуля, катод диода последнего модуля соединен со вторым выводом нагрузки, управление ключами модулей производится от генератора управляющих импульсов, в каждый модуль введены ограничитель напряжения, подключенный между положительным и отрицательным выводами выпрямителя, защитный диод,подключенный параллельно первому управляемому ключу и соединенный своим анодом с катодом диода, резистор, подключенный параллельно первому управляемому ключу, дополнительный источник по-1 019173 стоянного напряжения, подключенный своим положительным выводом к катоду защитного диода, а отрицательным выводом - к положительному выводу выпрямителя, последовательно соединенные индуктивность и управляемый ключ с двусторонней проводимостью, подключенный между положительным выводом выпрямителя и катодом диода, введен внешний источник постоянного напряжения, включенный между анодом диода первого модуля и первым выводом нагрузки, генератор управляющих импульсов выполнен с тремя группами выходных выводов, содержащих в сумме 4N выходных выводов, причем первая группа из N выходных выводов генератора управляющих импульсов подключена к управляющим входам первых ключей согласно номерам модулей, вторая группа из N выходных выводов подключена к управляющим входам вторых ключей согласно номерам модулей, а третья группа из 2N выходных выводов подключена к управляющим входам ключей с двусторонней проводимостью согласно номерам модулей. Также (вариант 2) задача может быть решена тем, что в многомодульном импульсном модуляторе,содержащем источник переменного напряжения, соединенный последовательно с трансформатором,имеющим N вторичных обмоток, каждая вторичная обмотка, соединенная с выпрямителем, образует N последовательно соединенных модулей, в каждом модуле первый управляемый ключ последовательно соединен с диодом, который зашунтирован вторым управляемым ключом, анод диода соединен с отрицательным выводом выпрямителя, катод диода первого модуля соединен с анодом диода последующего модуля, катод диода последнего модуля соединен со вторым выводом нагрузки, управление ключами модулей производится от генератора управляющих импульсов, в каждый модуль введены ограничитель напряжения, подключенный между положительным и отрицательным выводами выпрямителя, защитный диод, подключенный параллельно первому управляемому ключу и соединенный своим анодом с катодом диода, резистор, подключенный параллельно первому управляемому ключу, дополнительный источник постоянного напряжения, подключенный своим положительным выводом к катоду защитного диода, а отрицательным выводом - к положительному выводу выпрямителя, последовательно соединенные индуктивность и управляемый ключ с двусторонней проводимостью, подключенный между положительным выводом выпрямителя и катодом диода, введены внешний источник постоянного напряжения,включенный между анодом диода первого модуля и первым выводом нагрузки, и резистор, включенный между вторым выводом нагрузки и анодом диода первого модуля, генератор управляющих импульсов выполнен с тремя группами выходных выводов, содержащих в сумме 4N выходных выводов, причем первая группа из N выходных выводов генератора управляющих импульсов подключена к управляющим входам первых ключей согласно номерам модулей, вторая группа из N выходных выводов подключена к управляющим входам вторых ключей согласно номерам модулей, а третья группа из 2N выходных выводов подключена к управляющим входам ключей с двусторонней проводимостью согласно номерам модулей. Устройства (варианты 1 и 2) обеспечивают формирование на нагрузке прямоугольного или ступенчатого напряжения, форма которого определяется законом управления, задаваемым генератором управляющих импульсов. При этом снижаются перенапряжения на ключах и диодах модулей, а также происходит уменьшение потерь энергии в устройстве за счет применения квазирезонансного ступенчатого заряда емкости нагрузки и за счет рекуперации большей части энергии, накопленной в емкости нагрузки,при ее ступенчатом квазирезонансном разряде во входной источник. Перенапряжения на ключах и диодах модулей возникают из-за разброса параметров ключей, разброса временных задержек в цепях управления ключами, при возможных пробоях в потребителях электроэнергии, связанных с нагрузкой, или при возможных неисправностях цепей управления. В частном случае при задержке включения второго ключа только в одном i-м модуле высокое напряжение заряженной емкости нагрузки прикладывается ко второму ключу i-го модуля. Однако при этом открывается защитный диод i-го модуля и тем самым ограничивает напряжение на обоих ключах и диоде модуля. На первом ключе напряжение ограничивается по уровню напряжения на открытом защитном диоде, а на втором ключе и диоде - по уровню суммарного напряжения ограничителя напряжения, напряжения дополнительного источника и открытого защитного диода. В качестве ограничителей напряжения могут использоваться заряженные от выпрямителей конденсаторы требуемой емкости или параллельно соединенные конденсаторы и устройства защиты с нелинейной вольтамперной характеристикой, в качестве которых могут быть использованы воздушные или газонаполненные разрядники, варисторы, ограничительные диоды типа TRANSIL и т.д., стабилитроны или их комбинации. Пороговый уровень напряжения срабатывания (ограничения) устройств защиты выбирается несколько больше максимального напряжения заряженного конденсатора на выходе выпрямителя. Работа многомодульного импульсного модулятора иллюстрируется чертежами. На фиг. 1 представлена принципиальная схема многомодульного импульсного модулятора, выполненного согласно варианту 1. На фиг. 2 представлена принципиальная схема многомодульного импульсного модулятора, выполненного согласно варианту 2, позволяющего исключить влияние источников напряжений модулей на формирование первоначального уровня заряда емкости нагрузки. Многомодульный импульсный модулятор (вариант 1) работает следующим образом. В исходном состоянии все управляемые ключи всех N модулей разомкнуты путем подачи соответствующих сигналов с выходных выводов генератора 8. При этом происходит первоначальный заряд емкости нагрузки через высокоомные резисторы 10 модулей до напряжения, равного разности напряжения внешнего источника 15 и суммарного напряжения выпрямителей 3 и дополнительных источников постоянного напряжения 11 всех модулей. При управлении ключами каждого модуля в генераторе управляющих импульсов 8 реализованы следующие условия. Управляемые ключи с односторонней проводимостью 4 и 7 каждого модуля в любой момент времени не должны одновременно находиться в замкнутом состоянии. При замкнутом состоянии ключа с двусторонней проводимостью 14 остальные ключи модуля должны быть разомкнуты. Замыкание ключа 14 производится на время, равное четверти периода свободных колебаний резонансного контура, образованного последовательно соединенными индуктивностями модулей, в которых включены ключи 14, и эквивалентной емкостью нагрузки. Возможно состояние, когда все ключи модуля разомкнуты в течение заданного времени. Для управляемых ключей с двусторонней проводимостью 14 всех модулей используется группа из 2N выходных выводов генератора 8. Увеличение в два раза количества управляющих сигналов для этих ключей вызвано наличием у каждого из них двух управляющих входов. Один из них управляет состоянием ключа при протекании тока одного направления, а другой при протекании тока противоположного направления. Кроме того, для каждого модуля значение напряжения дополнительного источника 11 выбирается примерно равным выходному напряжению выпрямителя 3. Рассмотрим процесс ступенчатого разряда предварительно заряженной емкости нагрузки при условии, что сумма напряжений выпрямителей 3 и дополнительных источников постоянного напряжения 11 всех модулей больше напряжения внешнего источника 15. При подаче сигнала на требуемый управляющий вход ключа 14 i-го модуля происходит резонансный разряд емкости нагрузки через индуктивность 13, ограничитель напряжения 12 i-го модуля, диоды 9, источники 11 и ограничители напряжения 12 остальных модулей. Разряд емкости нагрузки через четверть периода свободных колебаний произойдет на почти удвоенное значение напряжения источника 11, так как при резонансном заряде или разряде емкости напряжение на ней через четверть периода свободных колебаний изменяется на величину, равную почти удвоенному значению напряжения, приложенного к LC-контуру, где С - эквивалентная емкость нагрузки, L - эквивалентная индуктивность цепи заряда или разряда. В этот момент времени ключ 14 i-го модуля размыкается, а ключ 7 i-го модуля замыкается, фиксируя тем самым первую ступень разряда. Такое состояние может продолжаться сколь угодно долго. Таким образом, напряжение на конденсаторе изменилось на величину, примерно равную удвоенному значению выходного напряжения выпрямителя 3i-го модуля. Далее включается ключ 14 другого модуля, и процессы повторяются, при этом формируется вторая ступень разряда и т.д. В ходе таких процессов в некоторый момент времени полярность напряжения на емкости нагрузки изменится на противоположную, а при замыкании ключа 7 последнего модуля величина напряжения зафиксируется на уровне напряжения внешнего источника 15. Процесс ступенчатого заряда емкости нагрузки начинается с размыкания ключей 7 всех модулей. Затем, через относительно небольшую паузу замыкается ключ 14 выбранного модуля и происходит резонансный заряд емкости через диоды 5 других модулей на почти удвоенное значение выходного напряжения выпрямителя 3 этого модуля. Фиксация уровня напряжения теперь будет происходить ключом 4 модуля. Далее процессы повторяются. Включение ключа 4 последнего модуля зафиксирует первоначальный уровень заряда. Возможно управление с одновременным включением ключей 14 в двух и более модулях. При этом в цепи заряда или разряда будут находиться соответственно две или более последовательно включенные индуктивности этих модулей. В этом случае длительность управляющих импульсов ключей 14 должна быть увеличена, так как период свободных колебаний резонансного контура увеличивается при увеличении его эквивалентной индуктивности. При управлении с одновременным включением ключей 14 всех модулей на нагрузке формируются прямоугольные импульсы, у которых длительности фронта и спада будут равны четверти периода свободных колебаний контура с индуктивностью, равной сумме индуктивностей всех модулей. Устройства, в которых полезно используется только часть периода свободных колебаний резонансных контуров, принято называть квазирезонансными. В данном случае используется четвертая часть периода свободных колебаний при заряде и разряде емкости нагрузки. В заявленном устройстве достигается существенное уменьшение потерь благодаря практически полной рекуперации энергии, накопленной в нагрузке, во входной источник и применению квазирезонансного метода перезаряда емкости нагрузки. Изменяя алгоритм управления ключами и выбирая требуемые напряжения источников модулей,можно чередовать ступенчатые резонансные заряды и разряды емкости нагрузки, промежуточно фиксируя различные уровни напряжения ступеней. Таким образом, возможно формирование ступенчатых напряжений различной формы при устранении перенапряжений на ключах и диодах модулей. В случае возникновения перенапряжений на ключе 7i-го модуля открывается защитный диод 9 i-го модуля и, тем самым, ограничивает напряжение на обоих ключах и диоде 5 модуля. На первом ключе 4 напряжение ограничивается по уровню напряжения на открытом защитном диоде 9, а на втором ключе 7 и диоде 5 - по уровню суммарного напряжения ограничителя напряжения 12, дополнительного источника напряжения 11 и открытого защитного диода 9. В качестве ограничителей напряжения 12 могут использоваться заряженные от выпрямителей 3 конденсаторы требуемой емкости или параллельно соединенные конденсаторы и устройства защиты с нелинейной вольтамперной характеристикой. Многомодульный импульсный модулятор (вариант 2) работает аналогично устройству, показанному на фиг. 1. Отличие состоит только в том, что первоначальный заряд емкости нагрузки 6 при разомкнутых ключах модулей происходит через высокоомный резистор 10 только от одного внешнего источника постоянного напряжения 15. При этом выходные напряжения выпрямителей 3 модулей и дополнительные источники постоянного напряжения 11 модулей не принимают участия в формировании первоначального уровня заряда емкости нагрузки 6. Таким образом, заявленные варианты изготовления многомодульного импульсного модулятора дают возможность получения на нагрузке ступенчатого напряжения с различной формой огибающей. Они позволяют существенно уменьшить потери энергии в устройстве и повысить надежность его работы за счет уменьшения перенапряжений на ключевых элементах и диодах. ФОРМУЛА ИЗОБРЕТЕНИЯ 1. Многомодульный импульсный модулятор, содержащий источник переменного напряжения, соединенный последовательно с трансформатором, имеющим N вторичных обмоток, каждая вторичная обмотка, соединенная с выпрямителем, образует N последовательно соединенных модулей, в каждом модуле первый управляемый ключ последовательно соединен с диодом, который зашунтирован вторым управляемым ключом, анод диода соединен с отрицательным выводом выпрямителя, катод диода первого модуля соединен с анодом диода последующего модуля, катод диода последнего модуля соединен со вторым выводом нагрузки, управляющие входы каждого ключа соединены с выходами генератора управляющих импульсов, отличающийся тем, что каждый модуль модулятора дополнительно содержит ограничитель напряжения, подключенный между положительным и отрицательным выводами выпрямителя, защитный диод, подключенный параллельно первому управляемому ключу и соединенный своим анодом с катодом диода, резистор, подключенный параллельно первому управляемому ключу, дополнительный источник постоянного напряжения, подключенный своим положительным выводом к катоду защитного диода, а отрицательным выводом - к положительному выводу выпрямителя, последовательно соединенные индуктивность и управляемый ключ с двусторонней проводимостью, подключенные между положительным выводом выпрямителя и катодом диода, модулятор дополнительно содержит внешний источник постоянного напряжения, включенный между анодом диода первого модуля и первым выводом нагрузки, а генератор управляющих импульсов выполнен содержащим три группы выходных выводов,причем первая и вторая группы содержат по N выходных выводов каждая, третья группа содержит 2N выходных выводов, выходные выводы первой группы подключены к управляющим входам первых ключей согласно номерам модулей, выходные выводы второй группы подключены к управляющим входам вторых ключей согласно номерам модулей, а выходные выводы третьей группы подключены к управляющим входам ключей с двусторонней проводимостью согласно номерам модулей. 2. Многомодульный импульсный модулятор, содержащий источник переменного напряжения, соединенный последовательно с трансформатором, имеющим N вторичных обмоток, каждая вторичная обмотка, соединенная с выпрямителем, образует N последовательно соединенных модулей, в каждом модуле первый управляемый ключ последовательно соединен с диодом, который зашунтирован вторым управляемым ключом, анод диода соединен с отрицательным выводом выпрямителя, катод диода первого модуля соединен с анодом диода последующего модуля, катод диода последнего модуля соединен со вторым выводом нагрузки, управляющие входы каждого ключа соединены с выходами генератора управляющих импульсов, отличающийся тем, что каждый модуль дополнительно содержит ограничитель напряжения, подключенный между положительным и отрицательным выводами выпрямителя, защитный диод, подключенный параллельно первому управляемому ключу и соединенный своим анодом с катодом диода, дополнительный источник постоянного напряжения, подключенный своим положительным выводом к катоду защитного диода, а отрицательным выводом - к положительному выводу выпрямителя, последовательно соединенные индуктивность и управляемый ключ с двусторонней проводимостью, подключенные между положительным выводом выпрямителя и катодом диода, модулятор дополнительно содержит внешний источник постоянного напряжения, включенный между анодом диода первого модуля и первым выводом нагрузки, и резистор, включенный между вторым выводом нагрузки и анодом диода первого модуля, а генератор управляющих импульсов выполнен содержащим три группы выходных выводов, причем первая и вторая группы содержат по N выходных выводов каждая, третья группа содержит 2N выходных выводов, выходные выводы первой группы подключены к управляющим входам первых ключей согласно номерам модулей, выходные выводы второй группы подключены к управляющим входам вторых ключей согласно номерам модулей, а выходные выводы третьей группы подключены к управляющим входам ключей с двусторонней проводимостью согласно номерам модулей.