Импульсный модулятор

SU-A-111060 О.А. КОССОВ. Усилители мощности на транзисторах в режиме переключений. Москва. Изобретение относится к высоковольтным источникам питания и может быть использовано для получения на нагрузке стабилизированных по амплитуде импульсов напряжения в широком диапазоне изменения длительности и частоты формируемых импульсов. Заявленный импульсный модулятор решает задачу повышения надежности устройства в процессе его работы за счет уменьшения перенапряжений на его элементах, приводящих к отказам, и соответственно уменьшения вероятности отказов ключей и диодов из-за перенапряжений. В импульсном модуляторе, содержащем 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, в каждом модуле введен ограничитель напряжения, включенный между положительным и отрицательным выводами выпрямителя, и защитный диод, подключенный параллельно первому управляемому ключу и соединенный своим катодом с положительным выводом выпрямителя. Изобретение относится к высоковольтным источникам питания и может быть использовано для получения на нагрузке стабилизированных по амплитуде импульсов напряжения в широком диапазоне изменения длительности и частоты формируемых импульсов. Известен импульсный модулятор (патент США 5710520, кл. 330/10, МПК H03F 3/38, опубликован 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, а также недостаточная стабильность амплитуды формируемых импульсов при изменении входного напряжения и нагрузки. Известен импульсный модулятор (патент ЕР 0557599, МПК H03F 3/20, опубликован 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, низкая стабильность амплитуды формируемых импульсов напряжения при изменении в широких пределах длительности импульсов и частоты следования, а также недостаточное быстродействие при отключении нагрузки. 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, опубликован 27.08.2009), 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 управляемых ключа. Общий вывод источника задающего напряжения соединен с первым выводом нагрузки. Недостатком прототипа является ухудшение показателей надежности из-за возможных перенапряжений на ключах и диодах модулей в процессе работы. Задача изобретения - повышение надежности устройства в процессе его работы за счет уменьшения перенапряжений на его элементах, приводящих к отказам, таким образом, уменьшения вероятности отказов ключей и диодов из-за перенапряжений. Поставленная задача по варианту 1 решается тем, что в импульсном модуляторе, содержащем 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 Nго 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 и третьего управляемых ключей, общий вывод источника задающего напряжения соединен с первым выводом нагрузки, в каждом модуле введен ограничитель напряжения,включенный между положительным и отрицательным выводами выпрямителя, и защитный диод, подключенный параллельно первому управляемому ключу и соединенный своим катодом с положительным выводом выпрямителя. Задача также по варианту 2 решается тем, что в импульсном модуляторе, содержащем источник переменного напряжения, соединенный последовательно с трансформатором, и N последовательно соединенных модулей, каждый из которых включает вторичную обмотку трансформатора, соединенную с выпрямителем, положительный вывод которого соединен с первым выводом первого управляемого ключа,а отрицательный - с анодом диода, который зашунтирован вторым управляемым ключом, катод диода соединен со вторым выводом первого управляемого ключа, управляющие входы первых управляемых ключей соединены с выходом генератора управляющих импульсов, выход датчиков напряжения со 2-го по N модулей соединен с первым входом суммирующего устройства через третий управляемый ключ,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. Каждый модуль содержит ограничитель напряжения, включенный между положительным и отрицательным выводами выпрямителя, и защитный диод, подключенный параллельно первому управляемому ключу и соединенный своим катодом с положительным выводом выпрямителя, катод диода первого модуля соединен с первым выводом нагрузки,положительный вывод выпрямителя последнего модуля соединен со вторым выводом нагрузки, выход датчика напряжения N-го модуля соединен с первым входом суммирующего устройства через третий управляемый ключ, выход датчика напряжения первого модуля соединен с первым входом суммирующего устройства напрямую, положительный вывод выпрямителей с 1-го по (N-1) модулей соединен с катодом диода следующего модуля, каждый из N датчиков напряжения включен между отрицательным выводом выпрямителя и вторым выводом нагрузки, выход генератора управляющих импульсов соединен с управляющим входом третьего ключа, а общий вывод источника задающего напряжения соединен со вторым выводом нагрузки. Введение в каждом модуле ограничителя напряжения, включенного между положительным и отрицательным выводами выпрямителя, и защитного диода, подключенного параллельно первому управляемому ключу и соединенного своим катодом с положительным выводом выпрямителя, обеспечивает повышение надежности работы устройства за счет уменьшения перенапряжений на обоих ключах и диоде при форсированном разряде емкости нагрузки через вторые управляемые ключи. Перенапряжения возникают из-за разброса параметров вторых ключей, разброса временных задержек в цепях управления вторыми ключами или при возможных неисправностях цепей управления. В частном случае, при задержке включения второго ключа только в одном i-м модуле все высокое напряжение заряженной емкости нагрузки, равное сумме напряжений всех N выпрямителей, 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 и открытого защитного диода. В качестве ограничителей напряжения могут использоваться заряженные от выпрямителей конденсаторы требуемой емкости, устройства защиты с нелинейной вольтамперной характеристикой, электронные модули ограничителей напряжения или комбинации перечисленных элементов. В качестве устройств защиты с нелинейной вольтамперной характеристикой могут быть использованы воздушные или газонаполненные разрядники, варисторы, ограничительные диоды типа TRANSIL и т.д., стабилитроны или их комбинации. Для исключения перегрузки входного источника при отсутствии перенапряжений пороговый уровень напряжения срабатывания устройств защиты выбирается несколько больше максимально возможного напряжения на выходе выпрямителя. Работа импульсного модулятора иллюстрируется чертежами. На фиг. 1 представлена принципиальная схема импульсного модулятора по варианту 1. На фиг. 2 представлена принципиальная схема импульсного модулятора по варианту 2, обеспечивающего формирование на нагрузке импульсов напряжения отрицательной полярности относительно общего вывода устройства. Импульсный модулятор по варианту 1 (фиг. 1) содержит управляемый источник переменного напряжения 1, соединенный последовательно с трансформатором 2, имеющим N вторичных обмоток. Каждая вторичная обмотка, соединенная с выпрямителем 3, образует N последовательно соединенных модулей. Положительный вывод каждого выпрямителя 3 подключен к последовательно соединенным первому управляемому ключу 4 и диоду 5, который зашунтирован вторым управляемым ключом 7. Между положительным и отрицательным выводами каждого выпрямителя 3 включен ограничитель напряжения 13. Параллельно первому управляемому ключу 4 подключен диод 14, который соединен своим катодом с положительным выводом выпрямителя 3. Анод диода 5 соединен с отрицательным выводом выпрямителя 3. Катод диода 5 первого модуля соединен с анодом диода 5 второго модуля и т.д. Анод диода 5 первого модуля соединен с первым выводом нагрузки 6, а катод диода 5 последнего модуля соединен со вторым выводом нагрузки. Управляющие входы первых управляемых ключей 4 соединены с прямым выходом генератора управляющих импульсов 8. Каждый из N датчиков напряжения 9 включен между положительным выводом выпрямителя 3 и первым выводом нагрузки 6, а выход датчиков напряжения 9 с 1-го по (N-1) модулей соединен с первым входом суммирующего устройства 10 через третий управляемый ключ 11. Выход датчика напряжения 9 N-го модуля соединен с первым входом суммирующего устройства 10 напрямую. Второй вход суммирующего устройства 10 соединен с выходом источника задающего напряжения 12. Общий вывод источника задающего напряжения 12 соединен с первым выводом нагрузки. Выход суммирующего устройства 10 соединен с управляющим входом источника переменного напряжения 1. Инверсный выход генератора управляющих импульсов 8 соединен с управляющими входами вторых ключей 7 и третьего управляемых ключа 11. Импульсный модулятор по варианту 2 (фиг. 2) содержит управляемый источник переменного напряжения 1, соединенный последовательно с трансформатором 2, имеющим N вторичных обмоток. Каждая вторичная обмотка, соединенная с выпрямителем 3, образует N последовательно соединенных модулей. Положительный вывод каждого выпрямителя 3 подключен к последовательно соединенным первому управляемому ключу 4 и диоду 5, который зашунтирован вторым управляемым ключом 7. Между положительным и отрицательным выводами каждого выпрямителя 3 включен ограничитель напряжения 13. Параллельно первому управляемому ключу 4 подключен диод 14, который соединен своим катодом с положительным выводом выпрямителя 3. Анод диода 5 соединен с отрицательным выводом выпрямителя 3. Катод диода 14 первого модуля соединен с анодом диода 14 второго модуля и т.д. Анод диода 14 первого модуля соединен с первым выводом нагрузки 6, а катод диода 14 последнего модуля соединен со вторым выводом нагрузки. Управляющие входы первых ключей 4 и третьего ключа 11 соединены с прямым выходом генератора управляющих импульсов 8. Каждый из N датчиков напряжения 9 включен между отрицательным выводом выпрямителя 3 и вторым выводом нагрузки 6, а выход датчиков напряжения 9 со 2-го по N модулей соединен с первым входом суммирующего устройства 10 через третий управляемый ключ 11. Выход датчика напряжения 9 первого модуля соединен с первым входом суммирующего устройства 10 напрямую. Второй вход суммирующего устройства 10 соединен с выходом источника задающего напряжения 12. Общий вывод источника задающего напряжения 12 соединен со вторым выводом нагрузки. Выход суммирующего устройства 10 соединен с управляющим входом источника переменного напряжения 1. Инверсный выход генератора управляющих импульсов 8 соединен с управляющими входами вторых ключей 7. Импульсный модулятор по варианту 1 работает следующим образом. В исходном состоянии управляемые ключи 4 разомкнуты, а управляемые ключи 7 замкнуты. При этом напряжение на нагрузке отсутствует. Так как через замкнутые ключи 7 отрицательные выводы всех выпрямителей подключены к первому выводу нагрузки, датчики напряжения 9 будут измерять истинное напряжение на выходе каждого из соответствующих выпрямителей. Управляемый ключ 11 замкнут и сигналы с выходов всех датчиков 9 напряжения поступают на первый вход суммирующего устройства 10, на второй вход которого подается напряжение с выхода источника 12 задающего напряжения. Сигнал ошибки, вырабатываемый суммирующим устройством 10, поступает на вход регулируемого источника 1 переменного напряжения и воздействует на него так, чтобы сумма всех измеренных напряжений на выходах выпрямителей 3 была равна напряжению задания. Это состояние может поддерживаться сколь угодно долго, независимо от длительности паузы между импульсами, колебаний напряжения сети, прочих дестабилизирующих воздействий. При подаче с прямого выхода генератора 8 управляющих импульсов сигнала на включение управляемых ключей 4 и с инверсного выхода генератора 8 - на выключение управляемых ключей 7 и 11, все выпрямители 3 оказываются включенными последовательно, и на нагрузку поступает напряжение, равное сумме напряжений всех N выпрямителей. При этом в суммирующем устройстве 10 будет производиться сравнение напряжения задания с сигналом с выхода датчика 9 напряжения только последнего модуля, подключенного при замкнутом ключе 4 к нагрузке. Таким образом, обеспечивается стабилизация амплитуды напряжения на нагрузке в течение всего времени формирования полки импульса, независимо от его длительности. При снятии сигнала с прямого выхода генератора 8 управляющих импульсов управляемые ключи 4 размыкаются, ключи 7 замыкаются, обеспечивая форсированный разряд емкости нагрузки. Устройство возвращается в исходное состояние. В случае возникновения перенапряжения на ключе 7 i-го модуля во время форсированного разряда открывается защитный диод 14 i-го модуля и тем самым ограничивает напряжение на обоих ключах и диоде модуля. На первом ключе 4 напряжение ограничивается по уровню напряжения на открытом защитном диоде 14, а на втором ключе 7 и диоде 5 - по уровню суммарного напряжения ограничителя напряжения 13 и открытого защитного диода 14. В качестве ограничителей напряжения 13 могут использоваться заряженные от выпрямителей 3 конденсаторы требуемой емкости, устройства защиты с нелинейной вольтамперной характеристикой, электронные модули ограничителей напряжения или комбинации перечисленных элементов. Импульсный модулятор по варианту 1 (фиг. 1) обеспечивает формирование на нагрузке 6 импуль-3 019770 сов напряжения положительной полярности относительно общего вывода устройства, который гальванически связан с первым выводом нагрузки 6, соединенным с анодом диода 5 первого модуля, с общими выводами датчиков напряжения 9 и с общим выводом источника задающего напряжения 12. Импульсный модулятор по варианту 2 работает следующим образом. В исходном состоянии управляемые ключи 7 разомкнуты, а управляемые ключи 4 замкнуты. При этом напряжение на нагрузке отсутствует. Так как через замкнутые ключи 4 положительные выводы всех выпрямителей 3 подключены ко второму выводу нагрузки, датчики 9 напряжения будут измерять истинное напряжение на выходе каждого из соответствующих выпрямителей. Управляемый ключ 11 замкнут и сигналы с выходов всех датчиков 9 напряжения поступают на первый вход суммирующего устройства 10, на второй вход которого подается напряжение с выхода источника 12 задающего напряжения. Сигнал ошибки, вырабатываемый суммирующим устройством 10, поступает на вход регулируемого источника 1 переменного напряжения и воздействует на него так, чтобы сумма всех измеренных напряжений на выходах выпрямителей 3 была равна напряжению задания. Это состояние может поддерживаться сколь угодно долго, независимо от длительности паузы между импульсами, колебаний напряжения сети, прочих дестабилизирующих воздействий. При подаче с инверсного выхода генератора 8 управляющих импульсов сигнала на включение управляемых ключей 7 и с прямого выхода генератора 8 - на выключение управляемых ключей 4 и 11,все выпрямители 3 оказываются включенными последовательно, и на нагрузку поступает напряжение,равное сумме напряжений всех N выпрямителей. При этом в суммирующем устройстве 10 будет производиться сравнение напряжения задания с сигналом с выхода датчика 9 напряжения только первого модуля, подключенного при замкнутом ключе 7 к нагрузке. Таким образом, обеспечивается стабилизация амплитуды напряжения на нагрузке в течение всего времени формирования отрицательной полки импульса, независимо от его длительности. При снятии сигнала включения с инверсного выхода генератора 8 управляющих импульсов управляемые ключи 7 размыкаются, ключи 4 замыкаются, обеспечивая форсированный разряд паразитной емкости нагрузки. Устройство возвращается в исходное состояние. В случае возникновения перенапряжения на ключе 4 i-го модуля во время форсированного разряда открывается диод 5 i-го модуля и тем самым ограничивает напряжение на обоих ключах и защитном диоде модуля. На втором ключе 7 напряжение ограничивается по уровню напряжения на открытом диоде 5, а на первом ключе 4 и диоде 14 - по уровню суммарного напряжения ограничителя напряжения 13 и открытого диода 5. Таким образом, заявленный импульсный модулятор дает возможность повышения надежности устройства в процессе его работы за счет уменьшения перенапряжений на его элементах, приводящих к отказам, и соответственно уменьшения вероятности отказов ключей и диодов из-за перенапряжений. ФОРМУЛА ИЗОБРЕТЕНИЯ 1. Импульсный модулятор, содержащий источник переменного напряжения, соединенный последовательно с трансформатором, и N последовательно соединенных модулей, каждый из которых включает вторичную обмотку трансформатора, соединенную с выпрямителем, положительный вывод которого соединен с первым выводом первого управляемого ключа, а отрицательный - с анодом диода, который зашунтирован вторым управляемым ключом, катод диода соединен со вторым выводом первого управляемого ключа и анодом диода следующего модуля, причем анод диода первого модуля соединен с первым выводом нагрузки, а катод диода последнего модуля соединен со вторым выводом нагрузки, управляющие входы первых управляемых ключей соединены с 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 выходомисточника задающего напряжения, а выход - с управляющим входом источника переменного напряжения, инверсный выход генератора управляющих импульсов соединен с управляющими входами вторых ключей и управляющим входом третьего управляемого ключа, общий вывод источника задающего напряжения соединен с первым выводом нагрузки, отличающийся тем, что каждый модуль содержит ограничитель напряжения, включенный между положительным и отрицательным выводами выпрямителя, и защитный диод, подключенный параллельно первому управляемому ключу и соединенный своим катодом с положительным выводом выпрямителя. 2. Импульсный модулятор по п.1, отличающийся тем, что в качестве ограничителя использован конденсатор. 3. Импульсный модулятор по п.1, отличающийся тем, что в качестве ограничителя использовано устройство защиты с нелинейной вольтамперной характеристикой. 4. Импульсный модулятор по п.1, отличающийся тем, что в качестве ограничителя использованы параллельно соединенные конденсатор и устройство защиты с нелинейной вольтамперной характеристикой. 5. Импульсный модулятор, содержащий источник переменного напряжения, соединенный последо-4 019770 вательно с трансформатором, и N последовательно соединенных модулей, каждый из которых включает вторичную обмотку трансформатора, соединенную с выпрямителем, положительный вывод которого соединен с первым выводом первого управляемого ключа, а отрицательный - с анодом диода, который зашунтирован вторым управляемым ключом, катод диода соединен со вторым выводом первого управляемого ключа, управляющие входы первых управляемых ключей соединены с выходом генератора управляющих импульсов, выход датчиков напряжения со 2-го по N модулей соединен с первым входом суммирующего устройства через третий управляемый ключ, 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, отличающийся тем, что каждый модуль содержит ограничитель напряжения,включенный между положительным и отрицательным выводами выпрямителя, и защитный диод, подключенный параллельно первому управляемому ключу и соединенный своим катодом с положительным выводом выпрямителя, катод диода первого модуля соединен с первым выводом нагрузки, положительный вывод выпрямителя N-го модуля соединен со вторым выводом нагрузки, выход датчика напряженияN-го модуля соединен с первым входом суммирующего устройства через третий управляемый ключ, выход датчика напряжения первого модуля соединен с первым входом суммирующего устройства напрямую, положительный вывод выпрямителей с 1-го по (N-1) модулей соединен с катодом диода следующего модуля, каждый из N датчиков напряжения включен между отрицательным выводом выпрямителя и вторым выводом нагрузки, выход генератора управляющих импульсов соединен с управляющим входом третьего ключа, а общий вывод источника задающего напряжения соединен со вторым выводом нагрузки. 6. Импульсный модулятор по п.5, отличающийся тем, что в качестве ограничителя использован конденсатор. 7. Импульсный модулятор по п.5, отличающийся тем, что в качестве ограничителя использовано устройство защиты с нелинейной вольтамперной характеристикой. 8. Импульсный модулятор по п.5, отличающийся тем, что в качестве ограничителя использованы параллельно соединенные конденсатор и устройство защиты с нелинейной вольтамперной характеристикой.