ВЫСОКОЧАСТОТНОЕ ЭНЕРГОСНАБЖЕНИЕ НАГРУЗКИ БЕЗ СОГЛАСОВАНИЯ ИМПЕДАНСОВ
HIGH-FREQUENCY POWER SUPPLY LOAD WITHOUT MATCHING IMPEDANCES

Настоящее изобретение относится к энергоснабжению для нагрузки,
- причем устройство энергоснабжения имеет источник постоянного напряжения, некоторое число ступеней переключения и управляющее устройство,
- причем ступени переключения соединены с источником постоянного напряжения, нагрузкой и управляющим устройством, так что нагрузка является подключаемой на основе соответствующего управления ступенями переключения посредством управляющего устройства к источнику постоянного напряжения,
- причем ступени переключения содержат соответственно полевой транзистор и некоторое число безынерционных диодов, включенных встречно-параллельно соответствующему полевому транзистору,
- причем полевые транзисторы имеют предельную частоту, до которой они максимально могут эксплуатироваться,
- причем каждый безынерционный диод имеет время восстановления.
Подобные устройства энергоснабжения являются общеизвестными.
Предельная частота является той частотой, которую полевой транзистор еще может коммутировать. Безынерционный диод в рамках определения предельной частоты не принимается во внимание. Предельная частота является свойством, присущим полевому транзистору. Время восстановления безынерционного диода является временем, которое проходит после отключения напряжения, направленного в направлении пропускания, на безынерционном диоде, пока запирающее действие диода не будет восстановлено. Время восстановления является свойством, присущим безынерционному диоду.
В устройствах энергоснабжения, соответствующих уровню техники, в качестве полевого транзистора, как правило, применяется MOSFET (полевой транзистор со структурой металл - оксид - полупроводник). В случае нескольких параллельно включенных MOSFET дополнительно требуется высокочастотный объединитель.
Обычные MOSFET имеют в качестве безынерционного диода корпусной диод, то есть диод, интегрированный в MOSFET. Этот встроенный корпусной диод обладает, как правило, относительно большим временем восстановления. Это время, как правило, значительно больше, чем обратная величина граничной частоты MOSFET. Поэтому согласно уровню техники нужно заботиться о том, чтобы рабочая частота полевого транзистора оставалась такой малой, чтобы ее обратная величина лежала выше времени восстановления безынерционного диода. Альтернативно или дополнительно, посредством соответствующей схемы согласования (например, так называемого циркулятора) достигается то, что устраняется отражение мощности назад к ступеням переключения. В противном случае ступень переключения могла бы быть разрушена.
В случае когда несколько ступеней переключения включены параллельно, выполнение схемы согласования становится чрезвычайно сложным. Это особенно справедливо при импульсном режиме нагрузки, при котором необходимо избегать отражений в широком спектре частот. Соответственно сложным и дорогостоящим в таком случае является выполнение устройства энергоснабжения.
Задача настоящего изобретения состоит в том, чтобы создать устройство энергоснабжения, которое выполняется простым способом и все же может эксплуатироваться с высокой частотой - вплоть до диапазона вблизи предельной частоты.
Эта задача решается устройством энергоснабжения с признаками пункта 1 формулы изобретения. Предпочтительные дальнейшие развития соответствующего изобретению устройства энергоснабжения представлены в зависимых пунктах 2-11.
В соответствии с изобретением предусматривается усовершенствовать устройство энергоснабжения вышеназванного типа таким образом,
- что для каждой ступени переключения времена восстановления всех безынерционных диодов, включенных встречно-параллельно соответствующему полевому транзистору, приблизительно корреспондируются с обратной величиной предельной частоты соответствующего полевого транзистора, и
- что управляющее устройство управляет ступенями переключения, по меньшей мере временами, таким образом, что на основе неточного согласования мощность отражается назад в ступени переключения.
Может иметь место то, что в направлении к нагрузке за ступенью переключения включена схема согласования. Однако на основе соответствующего изобретению выполнения подобная схема согласования для устранения неточного согласования не является непременно необходимой. Также возможно, что между ступенями переключения и нагрузкой не требуется никакой схемы согласования для исключения неточного верного согласования.
Полевые транзисторы предпочтительно выполнены как JFET (полевой транзистор с управляющим p-n-переходом). Полевые транзисторы с управляющим p-n-переходом включают, в числе прочих, так называемые MOSFET (полевой транзистор со структурой металл - оксид - полупроводник). В качестве полупроводникового материала, в частности, используются карбид кремния (SiC) и нитрид галлия (GaN).
Ступени переключения могут быть, по меньшей мере частично, включены параллельно. В этом случае между параллельно включенными ступенями переключения и нагрузкой, как правило, включается сумматор мощности.
Также ступени переключения могут быть, по меньшей мере частично, включены последовательно. В этом случае парные группы соединены с нагрузкой через точку отвода, расположенную между обеими ступенями переключения обеих парных групп.
Также ступени переключения могут быть попарно скомпонованы в двухтактные усилители по типу циклотрона.
Является возможным, что для по меньшей мере одной из ступеней переключения (по меньшей мере) один из соответствующих безынерционных диодов, встречно включенных параллельно соответствующему полевому транзистору, по отношению к соответствующему полевому транзистору выполнен как расположенный внешним образом безынерционный диод. Эта мера является вынужденной, если соответствующий полевой транзистор не имеет интегрированного безынерционного диода. Однако она опционально может быть реализована и в том случае, если соответствующий полевой транзистор имеет интегрированный безынерционный диод.
Также является возможным, что для по меньшей мере одной из ступеней переключения, один из соответствующих безынерционных диодов, включенных встречно-параллельно соответствующим полевым транзисторам, интегрирован в соответствующий полевой транзистор. В этом случае внешним образом расположенный безынерционный диод не требуется. Однако он может иметься.
Как правило, с каждым полевыми транзистором параллельно встречно включен точно один безынерционный диод. Кроме того, как правило, все ступени переключения выполняются одинаково, то есть либо все с внешними безынерционными диодами, либо все с интегрированными безынерционными диодами. В принципе также возможны любые смешанные формы и комбинации.
Соответствующее изобретению выполнение устройства энергоснабжения имеет преимущество особенно в том случае, если нагрузка подключается управляющим устройством в импульсном режиме через ступени переключения к источнику постоянного напряжения.
Источник постоянного напряжения имеет, как правило, выпрямитель с сетевым питанием. В этом случае предпочтительным образом между выпрямителем и ступенями переключения размещено некоторое количество буферных конденсаторов.
Соответствующее изобретению устройство энергоснабжения в принципе может использоваться с любыми нагрузками. Однако предпочтительный случай применения возникает тогда, когда нагрузка выполнена как объемный резонатор ускорителя частиц (в особенности, линейного ускорителя).
Другие преимущества и особенности следуют из последующего описания примеров выполнения со ссылками на чертежи, на которых показано следующее:
Фиг.1 - устройство энергоснабжения и нагрузка,
Фиг.2 - ступень переключения с соединениями,
Фиг.3-5 - комбинации ступеней переключения с соединениями,
Фиг.6 - отдельная ступень переключения.
Согласно фиг.1 устройство энергоснабжения для нагрузки 1 содержит источник 2 постоянного напряжения, некоторое число ступеней 3 переключения и управляющее устройство 4. Ступени 3 переключения соединены с источником 2 постоянного напряжения, нагрузкой 1 и управляющим устройством 4. За счет этого нагрузка 1 на основе соответствующего управления ступенями 3 переключения посредством управляющего устройства 4 может подключаться к источнику 2 постоянного напряжения.
Число ступеней 3 переключения может выбираться по потребности. В некоторых случаях может быть достаточным наличие лишь одной единственной ступени 3 переключения. В этом случае (единственная) ступень 3 переключения соединяется предпочтительным образом согласно фиг.3.
В соответствии с фиг.2 ступень 3 переключения содержит полевой транзистор 5. Перед полевым транзистором 5 (в направлении источника 2 постоянного напряжения) включен буферный конденсатор 6. Линия 7 от источника 2 постоянного напряжения к полевому транзистору 5 содержит индуктивность 8. Эта индуктивность 8 может быть не только предусмотренной индуктивностью, но и уже имеющейся, ввиду линии 7, и неизбежной паразитной индуктивностью. По отношению к полевому транзистору 5, кроме того, встречно-параллельно включен внутренним образом (то есть интегрирован в полевой транзистор 5) безынерционный диод 9. В качестве альтернативы или дополнительно, встречно параллельно к полевому транзистору 5 безынерционный диод 9' мог бы быть включен внешним образом. Безынерционный диод 9' показан на фиг.2 пунктиром.
Альтернативно одной единственной ступени 3 переключения могли бы иметься несколько ступеней 3 переключения. Например, согласно представлению на фиг.3 возможно параллельно включить несколько ступеней 3 переключения. В этом случае между параллельно включенными ступенями 3 переключения и нагрузкой 1 размещен сумматор 10 мощности (см. также фиг.1). Сумматор 10 мощности может быть выполнен, например, как обычный 90°- или 180°-гибрид.
Если несколько ступеней 3 переключения включены параллельно, является возможным, что ступени 3 переключения одновременно управляются управляющим устройством 4. В качестве альтернативы, возможно смещенное по времени, в частности, ступенчатое управление ступенями 3 переключения.
Альтернативно параллельному включению, в случае нескольких ступеней 3 переключения, ступени переключения согласно фиг.4 могут быть включены парными группами последовательно (так называемая двухтактная конфигурация). В этом случае парная группа через точку 11 отвода соединена с нагрузкой 1. Точка 11 отвода размещена между обеими ступенями 3 переключения парной группы.
Согласно фиг.4, кроме того, имеется пара буферных конденсаторов 6, которые аналогично ступеням 3 переключения включены последовательно. Между обоими буферными конденсаторами 6 размещена дополнительная точка 11' отвода, через которую последовательная схема буферных конденсаторов 6 также соединена с нагрузкой 1.
И при выполнении согласно фиг.4 ступени 3 переключения имеют соответствующий полевой транзистор 5, встречно параллельно которому включен безынерционный диод 9. На фиг 4, аналогично фиг.2, представлен внутренний безынерционный диод 9. Аналогично фиг.2, альтернативно или дополнительно к внутренним безынерционным диодам 9, также могли бы иметься внешние безынерционные диоды 9'. Внешние безынерционные диоды 9' показаны на фиг.4 пунктиром.
Аналогично фиг.3 могли бы иметься несколько парных групп, причем парные группы включены параллельно друг другу. Это выполнение не показано на чертежах. В этом случае, аналогично фиг.3, имеет сумматор мощности, который размещен между точками 11, 11' отвода и нагрузкой 1. Сумматор мощности может быть выполнен аналогично фиг.3. Кроме того, аналогично фиг.3 парные группы в этом случае могут управляться управляющим устройством 4 одновременно или со сдвигом во времени, в частности ступенчато.
Вновь альтернативно последовательному соединению, согласно фиг.5 две ступени 3 переключения могут быть скомпонованы в двухтактный усилитель по типу циклотрона. Фиг.5 показывает предпочтительное выполнение подобного двухтактного усилителя, при котором ступени 3 переключения двухтактного усилителя соединены через (в противоположность фиг.2, физически существующие) индуктивности 12.
Также при выполнении по фиг.5 имеются буферные конденсаторы 6, которые размещены перед ступенями 3 переключения. Кроме того, также при выполнении по фиг.5 ступени 3 переключения имеют полевые транзисторы 5, к которым встречно-параллельно включены безынерционные диоды 9. Безынерционные диоды 9 согласно фиг.5 выполнены как внутренние безынерционные диоды. Альтернативно или дополнительно, также могут иметься внешние безынерционные диоды 9'. Внешние безынерционные диоды 9' показаны на фиг.5 пунктиром.
Аналогично фиг.3, также могут несколько двухтактных усилителей по типу циклотрона, например, как показано на фиг.7, быть включены параллельно друг другу. В этом случае вновь имеется сумматор мощности, который размещен между двухтактными усилителями и нагрузкой 1. Аналогично форме выполнения по фиг.3, в этом случае может осуществляться одновременный или смещенный по времени (в частности, ступенчатым образом) режим работы двухтактного усилителя.
На фиг.6 еще раз представлена отдельная ступень переключения, то есть без соответствующего подсоединения. Следующие выводы для фиг.6 справедливы для каждой из ступеней 3 переключения по фиг.1-5.
Согласно фиг.6 каждый полевой транзистор 5 имеет предельную частоту fG. Предельная частота fG полевого транзистора 5 - это та частота, до которой он максимально может эксплуатироваться. Более высокие частоты соответствующий полевой транзистор 5 не может больше коммутировать. Предельная частота fG определяется тем, что в случае, когда поданный на полевой транзистор 5 управляющим устройством 4 управляющий сигнал S является синусоидальным и имеет предельную частоту fG, корреспондирующееся с изменением уровня управляющего сигнала S изменение уровня выходного сигнала полевого транзистора 5 осуществляется еще на 63% (=1-1/е; е = число Эйлера = 2,718…). Как 100% в этом случае обозначается соответствующее изменение уровня выходного сигнала, которое осуществляется при низкочастотном, но в остальном подобном изменении управляющего сигнала S.
rr
Кроме того, каждый диод - это справедливо также для безынерционных диодов 9, 9' ступеней 3 переключения - имеет время Т восстановления. Время Т восстановления - это то время, которое исходя из проводящего состояния диода проходит от отключения напряжения, направленного в направлении пропускания, до того, как pn-переход диода 9 вновь будет обеднен зарядами, то есть pn-переход вновь создается. Время Т восстановления согласно уровню техники обычно также обозначается как время переключения, время задержки запирания или как время запирания-восстановления. В англоязычных документах применяется термин «время обратного восстановления» или сокращенно t.
В соответствии с изобретением для каждой ступени 3 переключения полевой транзистор 5 и безынерционный диод 9 (или 9') таким образом согласованы друг с другом, что время Т восстановления безынерционного диода 9, 9' по меньшей мере приближенно корреспондируется с обратной величиной предельной частоты fG полевого транзистора 5. Таким образом, справедливо, по меньшей мере приближенно, соотношение:
T=1/fG или fG·T=1
Вышеуказанное соотношение справедливо для всех безынерционных диодов 9, 9', включенных встречно-параллельно соответствующему полевому транзистору 5.
Небольшие отклонения от вышеуказанных соотношений допустимы. Коэффициент 3, лучше коэффициент 2, не должен превышаться, по меньшей мере в направлении повышения (то есть в направлении больших времен Т восстановления).
Способ, которым достигаются вышеуказанные соотношения, может выбираться по потребности. Например, полевые транзисторы 5 могут выполняться согласно фиг.6 как JFET. JFET включают в себя, в том числе, так называемые MESFET. JFET имеют либо внутренний безынерционный диод 9 с крайне малым временем Т восстановления, либо вообще не имеют внутреннего безынерционного диода. В первом указанном случае в соответствии с изобретением может применяться внутренний безынерционный диод 9. Во втором указанном случае должен применяться достаточно быстродействующий внешний безынерционный диод 9'. В качестве полупроводникового материала для полевых транзисторов 5 и/или безынерционных диодов 9, 9' предпочтительно используются карбид кремния (SiC) и нитрид галлия (GaN).
На основе вышеописанного со ссылкой на фиг.6 выполнения ступени 3 переключения является возможным, что управляющее устройство 4 управляет ступенями 3 переключения, по меньшей мере отчасти, таким образом, что на основе неточного согласования мощность в ступенях 3 переключения отражается назад. Ввиду наличия безынерционных диодов 9, 9' отраженная мощность возвращается на сторону постоянного напряжения (то есть к источнику 2 постоянного напряжения). Ввиду чрезвычайно короткого времени Т восстановления безынерционных диодов 9, 9', однако, не существует опасности режима короткого замыкания безынерционных диодов 9, 9', который привел бы к разрушению устройства энергоснабжения.
Мощность может, например, отражаться назад от нагрузки 1. Возможная причина для подобного отражения мощности состоит в том, что между ступенями 3 переключения и нагрузкой 1 не имеется никакой схемы согласования, которая служила бы для устранения подобного отражения мощности. В качестве альтернативы, подобная схема согласования может иметься. Однако в этом случае все же может возникать отражение мощности в некоторых рабочих состояниях нагрузки 1. Альтернативно или дополнительно, в случае наличия сумматора мощности, например, сумматора 10 мощности по фиг.3, там может отражаться мощность. И здесь отражение мощности может иметь те же причины, то есть отсутствие схемы согласования или неполное действие схемы согласования в некоторых рабочих состояниях.
Тот случай, когда несмотря на наличие схемы согласования мощность в ступенях 3 переключения отражается назад, может, в частности, возникать тогда, когда нагрузка 1 управляющим устройством 4 подключается через ступени 3 переключения в импульсном режиме к источнику 2 постоянного напряжения. Импульсное подключение показано на фиг.2 символически. Импульсное подключение, разумеется, возможно и для форм выполнения по фиг.3, 4 и 5, а также при параллельном включении нескольких парных групп и параллельном включении нескольких двухтактных усилителей по типу циклотрона.
Источник 2 постоянного напряжения может выполняться согласно потребности. Как правило, источник 2 постоянного напряжения согласно фиг.1 имеет питаемый от сети выпрямитель 13. Между выпрямителем 13 и ступенями 3 переключения, как правило, размещено некоторое число буферных конденсаторов 14. Буферные конденсаторы 14, которые подключены непосредственно за питаемым от сети выпрямителем 13, могут быть идентичными буферным конденсаторам 6 по фиг.2-5. В качестве альтернативы это могут быть дополнительные конденсаторы.
Нагрузка 1 может также выполняться в зависимости от потребности. Согласно фиг.1, нагрузка 1 выполнена как объемный резонатор ускорителя частиц (в частности, линейного ускорителя).
Предложенное изобретение имеет множество преимуществ. В частности, устройство энергоснабжения может изготавливаться с более высокой плотностью мощности и более высокой полной мощностью.
Приведенное выше описание служит исключительно пояснению предложенного изобретения. Объем защиты предложенного изобретения должен, напротив, определяться исключительно приложенными пунктами формулы изобретения.
ПЕРЕЧЕНЬ ССЫЛОЧНЫХ ПОЗИЦИЙ
1 нагрузка
2 источник постоянного напряжения
3 ступени переключения
4 управляющее устройство
5 полевые транзисторы
6, 14 буферные конденсаторы
7 линия
8, 12 индуктивности
9, 9' безынерционные диоды
10 сумматор мощности
11, 11' точки вывода
13 выпрямитель
fG предельная частота
S управляющий сигнал
T время восстановления