СИСТЕМА ДЛЯ ЗАРЯДКИ КОНДЕНСАТОРА, ЦИФРОВОЙ УПРАВЛЯЮЩИЙ МОДУЛЬ И ИЗОЛИРОВАННЫЙ МОДУЛЬ ПОЛУЧЕНИЯ ДАННЫХ ДЛЯ ТАКОЙ СИСТЕМЫ
CAPACITOR CHARGING SYSTEM, DIGITAL CONTROL MODULE AND ISOLATED MODULE FOR OBTAINING DATA FOR SUCH SYSTEM

ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ
Настоящее изобретение в основном связано с системами для зарядки конденсатора, а в частности - с системами для зарядки конденсатора, имеющими высокую стабильность и/или точность, и с цифровым управляющим модулем и изолированным модулем получения данных для такой системы зарядки конденсатора.
ПРЕДПОСЫЛКИ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Использование систем для зарядки конденсатора является обычной практикой везде, где применяются короткие импульсы сильного тока. Примеры такого использования включают модуляторы мощности, ускорители, световые вспышки, системы формирования рентгеновских лучей и т.д. Когда конденсаторы разряжаются частично или полностью, возникает сильный ток. Стабильность тока напрямую зависит от напряжения, получаемого от системы зарядки конденсатора. Поэтому стабильное напряжение зарядки конденсатора будет производить стабильный ток импульсной системы. Так как возникновение больших скачков тока и наличие чувствительной электроники в этих же системах вполне обычно, достижение точности регулирования скорости зарядки и уровня выходного напряжения не является легкой задачей. Стабильность всей системы регулировки во многом зависит от точности измерения выходного напряжения, получаемого от системы зарядки конденсатора. Обычно выходное напряжение измеряется посредством резистивного делителя напряжения, и источником искажений, как правило, являются высокие токи, которые включают и выключают модуль зарядки конденсатора. Эти переключения создают искажения напряжения, как относительно общей земли, так и в качестве действительных изменений напряжения на выходе, зависящих от индуктивности провода, ведущего к заряжаемому конденсатору.
СУЩНОСТЬ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Настоящее изобретение устраняет эти и другие недостатки известного уровня техники.
Главная цель состоит в том, чтобы создать улучшенную систему зарядки конденсатора.
Отдельная цель состоит в том, чтобы создать модулятор мощности, построенный на основе системы зарядки конденсатора.
Дополнительная цель состоит в том, чтобы создать цифровой управляющий модуль для системы зарядки конденсатора.
Дополнительная цель состоит в том, чтобы создать изолированный модуль получения данных для системы зарядки конденсатора.
Эти и другие цели достигаются так, как указано в формуле изобретения.
В первом аспекте, изобретение относится к системе для зарядки конденсатора, включающей модуль зарядки конденсатора, изолированный модуль получения данных и цифровой управляющий модуль. Изолированный модуль получения данных предназначен для формирования отсчетов уровня выходного напряжения упомянутого модуля зарядки конденсатора. Цифровой управляющий модуль соединяется с изолированным модулем получения данных посредством двунаправленной линии и соединяется с модулем зарядки конденсатора посредством интерфейса управляющего сигнала. Цифровой управляющий модуль сконфигурирован для генерирования управляющей сигнальной информации и сигнальной информации синхронизации на основании отсчетов уровня выходного напряжения, получаемых через двунаправленную линию от изолированного модуля получения данных. Кроме этого цифровой управляющий модуль сконфигурирован для отправки управляющей сигнальной информации модулю зарядки конденсатора посредством интерфейса управляющего сигнала и отправки сигнальной информации синхронизации изолированному модулю получения данных посредством двунаправленной линии. Модуль зарядки конденсатора управляется с помощью управляющей сигнальной информации, получаемой от цифрового управляющего модуля, а изолированный модуль получения данных сконфигурирован для формирования отсчетов на основании сигнальной информации синхронизации.
Предпочтительно, чтобы изолированный модуль получения данных был сконфигурирован для формирования отсчетов на основе сигнальной информации синхронизации в управляемой временной зависимости от выходных импульсов модуля зарядки конденсатора.
К примеру, может возникнуть необходимость реализовать модуль зарядки конденсатора в виде модуля зарядки конденсатора с широтно-импульсной модуляцией (ШИМ), в котором цифровой управляющий модуль сконфигурирован для генерирования управляющей сигнальной информации в форме управляющих сигналов ШИМ, включающих управляющие импульсы ШИМ. Предпочтительно, в данном случае, чтобы изолированный модуль получения данных был сконфигурирован для формирования отсчетов уровня выходного напряжения модуля зарядки конденсатора вблизи от последующего управляющего импульса ШИМ, перед ним, так, чтобы искажения выходного напряжения модуля зарядки конденсатора от предыдущего выходного импульса были снижены до приемлемого уровня.
Например, частота выходных импульсов модуля зарядки конденсатора может быть выше 10 кГц, и предпочтительно составляет приблизительно 25 кГц, а частота формирования отсчетов предпочтительно по меньшей мере равна частоте выходных импульсов.
При выборе частоты формирования отсчетов данного порядка, количество информации, передаваемой посредством двунаправленной линии, может быть достаточно велико, и поэтому может быть выгодной реализация двунаправленной линии в виде цифровой оптической линии. Для этого изолированный модуль получения данных и цифровой управляющий модуль могут иметь оптические интерфейсы ввода/вывода.
Во-вторых, в данном изобретении рассматривается цифровой управляющий модуль для системы зарядки конденсатора. Система для зарядки конденсатора включает модуль зарядки конденсатора и изолированный модуль получения данных для формирования отсчетов выходного напряжения упомянутого модуля зарядки конденсатора. Цифровой управляющий модуль соединяется с изолированным модулем получения данных посредством двунаправленной линии и соединяется с модулем зарядки конденсатора посредством интерфейса управляющего сигнала. Цифровой управляющий модуль сконфигурирован для генерирования управляющей сигнальной информации и сигнальной информации синхронизации на основании отсчетов уровня выходного напряжения, получаемых через двунаправленную линию от изолированного модуля получения данных. Кроме этого цифровой управляющий модуль сконфигурирован для отправки управляющей сигнальной информации модулю зарядки конденсатора посредством интерфейса управляющего сигнала для управления выходными импульсами модуля зарядки конденсатора, а также для отправки сигнальной информации синхронизации изолированному модулю получения данных посредством двунаправленной линии для управления операцией формирования отсчетов, выполняемой изолированным модулем получения данных.
В-третьих, в данном изобретении рассматривается изолированный модуль получения данных для системы зарядки конденсатора. Система зарядки конденсатора включает модуль зарядки конденсатора и цифровой управляющий модуль. Изолированный модуль получения данных соединяется с цифровым управляющим модулем посредством двунаправленной линии и конфигурирован для формирования отсчетов уровня выходного напряжения модуля зарядки конденсатора в управляемой временной зависимости от выходных импульсов модуля зарядки конденсатора, на основе сигнальной информации синхронизации от цифрового управляющего модуля.
Различные аспекты данного изобретения включают систему для зарядки конденсатора, модулятор мощности, включающий систему для зарядки конденсатора, а также цифровой управляющий модуль и изолированный модуль получения данных для системы зарядки конденсатора.
Другие преимущества данного изобретения будут понятны при дальнейшем прочтении описания вариантов осуществления изобретения.
КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ
Изобретение, вместе с его объектами и целями, будет лучше понятно при рассмотрении нижеследующего описания совместно с чертежами.
На фиг.1 представлена принципиальная схема, иллюстрирующая пример осуществления изобретения, включающий систему для зарядки конденсатора.
На фиг.2 представлен пример изменения напряжения конденсатора во времени.
На фиг.3 представлена принципиальная схема системы для зарядки конденсатора в соответствии с одним из вариантов осуществления изобретения.
На фиг.4A-D изображены схематические диаграммы сигналов в соответствии с рассматриваемым примером.
На фиг.5 представлена принципиальная схема, изображающая частный пример системы для зарядки конденсатора в соответствии с одним из вариантов осуществления изобретения.
На фиг.6 представлена принципиальная схема, иллюстрирующая частный пример цифрового управляющего модуля для системы зарядки конденсатора.
На фиг.7 представлена принципиальная схема, иллюстрирующая частный пример изолированного модуля или платы получения данных для системы зарядки конденсатора.
ПОДРОБНОЕ ОПИСАНИЕ ВАРИАНТОВ ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ ИЗОБРЕТЕНИЯ
На всех чертежах используются одни и те же ссылочные наименования одинаковых или схожих элементов.
На фиг.1 представлена принципиальная схема, иллюстрирующая пример осуществления изобретения, включающий систему для зарядки конденсатора. Все устройство, представленное на фиг.1, по существу соответствует модулятору мощности и изображает завершенную систему 100 для зарядки конденсатора и то, как она соединяется с конденсатором 200 и далее с опциональным повышающим импульсным трансформатором 300. Выходной сигнал конденсатора 200 подается на первичную обмотку повышающего трансформатора 300. Переключатель 400, который разряжает конденсатор 200, по существу замыкает накоротко выход системы зарядки конденсатора.
На фиг.2 представлен пример зависимости напряжения на конденсаторе от времени. Разряд конденсатора происходит в форме импульса, а затем конденсатор заряжается снова, сначала быстро, затем, как правило, медленнее, до тех пор пока не будет полностью заряжен и готов к новому разряду.
В соответствии с приведенным графиком, значение напряжения выходных импульсов модуля зарядки конденсатора более 500 В, но менее 2500 В, и, предпочтительно, составляет 900-1500 В.
Примерами подходящего переключателя для использования в модуляторе мощности, изображенном на фиг.1, могут быть переключатели на основе биполярных транзисторов с изолированным затвором (IGBT) или аналогичные переключатели, работой которых управляют электронным способом.
Разумеется, существуют и другие применения, как уже было сказано в разделе «Предпосылки изобретения».
На фиг.3 представлена принципиальная схема системы для зарядки конденсатора в соответствии с одним из вариантов осуществления изобретения. Система 100 для зарядки конденсатора в основном включает модуль 110 зарядки конденсатора, изолированный модуль 120 получения данных и цифровой управляющий модуль 130. Изолированный модуль 120 получения данных предназначен для формирования отсчетов уровней выходного напряжения модуля 110 зарядки конденсатора. Цифровой управляющий модуль 130 соединяется с изолированным модулем 120 получения данных посредством двунаправленной линии и с модулем 110 зарядки конденсатора посредством интерфейса управляющего сигнала. Цифровой управляющий модуль 130 сконфигурирован для генерирования управляющей сигнальной информации и сигнальной информации синхронизации на основании сформированных отсчетов уровня выходного напряжения, получаемых через двунаправленную линию от изолированного модуля 120 получения данных. Кроме этого цифровой управляющий модуль 130 сконфигурирован для отправки управляющей сигнальной информации модулю 110 зарядки конденсатора посредством интерфейса управляющего сигнала и отправки сигнальной информации синхронизации изолированному модулю 120 получения данных посредством двунаправленной линии. Модуль 110 зарядки конденсатора управляется с помощью управляющей сигнальной информации, получаемой от цифрового управляющего модуля, а изолированный модуль 120 получения данных сконфигурирован для формирования отсчетов на основании сигнальной информации синхронизации.
В частности, желательно изолировать измерения от общей земли и создать возможность измерять выходное напряжение, или производить формирование отсчетов выходного напряжения, когда искажения от переключений незначительны или равны нулю.
Предпочтительно, чтобы изолированный модуль 120 получения данных был сконфигурирован для формирования отсчетов на основе сигнальной информации синхронизации в управляемой временной зависимости от выходных импульсов модуля 110 зарядки конденсатора, для того чтобы гарантировать низкий уровень искажений выходного напряжения.
К примеру, может возникнуть необходимость реализовать модуль зарядки конденсатора в виде модуля зарядки конденсатора с широтно-импульсной модуляцией (ШИМ), в котором цифровой управляющий модуль сконфигурирован для генерирования управляющей сигнальной информации в форме управляющих сигналов ШИМ, включающих управляющие импульсы ШИМ. В данном примере предпочтительно, чтобы изолированный модуль получения данных был сконфигурирован для формирования отсчетов уровня выходного напряжения модуля зарядки конденсатора вблизи от последующего управляющего импульса ШИМ, перед ним, для того, чтобы искажения выходного напряжения модуля зарядки конденсатора от предыдущего выходного импульса были снижены до приемлемого уровня. Это связано с тем, что желательно осуществлять формирование отсчетов выходного напряжения в моменты времени, когда импульс ШИМ отсутствует, а уровень искажений от переключений и прочих искажений в целом становится ниже заданного порога.
Здесь в качестве примера можно обратиться к иллюстративным диаграммам сигналов, представленным на фиг.4A-D. На фиг.4А представлен пример структуры управляющих импульсов ШИМ. На фиг.4В представлены импульсы выходного напряжения на выходе модуля зарядки конденсатора. Фиг.4С изображает пример импульсов управления отсчетами в АЦП изолированного модуля получения данных. Из представленного графика видно, что импульсы управления отсчетами находятся в управляемой временной зависимости от импульсов выходного напряжения модуля зарядки конденсатора, и, соответственно, в аналогичной зависимости от импульсов ШИМ, для обеспечения процесса формирования отсчетов в моменты времени, когда искажения выходного напряжения незначительны или равны нулю. Благодаря этому гарантируется высокая точность и/или стабильность регулировки ШИМ, так как измерения, используемые как основа этой регулировки, будут более точно представлять выходное напряжение модуля зарядки конденсатора. На фиг.4D представлено изменение напряжения между нулевой линией напряжения и землей. Масштабы графиков приблизительны.
На фиг.5 представлена принципиальная схема, иллюстрирующая частный пример системы для зарядки конденсатора в соответствии с иллюстративным вариантом осуществления изобретения. В этом частном примере модуль 110 зарядки конденсатора применяется в качестве зарядного устройства конденсатора с использованием ШИМ. Измерение выходного напряжения осуществляется в данном примере через резистивный делитель напряжения. Напряжение с делителя напряжения считывается или определяется посредством модуля 120 получения данных. Модуль 120 получения данных в данном случае состоит из усилителя (дифференциального) 122, аналого-цифрового преобразователя (АЦП) 124, модуля 126 цифровой обработки сигнала и оптического интерфейса ввода/вывода 128. Напряжение, получаемое с делителя напряжения, проходит через дифференциальный усилитель 122 и затем попадает на АЦП 124. Выход АЦП 124 соединяется с модулем 126 цифровой обработки сигнала, в котором данные отсчетов могут быть преобразованы согласно стандарту последовательного протокола, используемому в оптической линии. Оптическая линия, являясь двунаправленной, передает данные в цифровой управляющий модуль 130. Цифровой управляющий модуль включает оптический интерфейс ввода/вывода 132, модуль 134 цифровой обработки сигнала и усилитель 136. Данные от модуля 120 получения данных принимаются оптическим интерфейсом ввода/вывода 132 и затем передаются в модуль 134 цифровой обработки сигнала. В данном примере модуль 134 генерирует структуру управляющих импульсов ШИМ. Как правило, такие импульсы усиливаются в усилительном каскаде 136 перед подачей на модуль 110 зарядки конденсатора с ШИМ.
В данном примере частота выходных импульсов модуля зарядки конденсатора выше 10 кГц, и предпочтительно составляет приблизительно 25 кГц, а частота формирования отсчетов предпочтительно по меньшей мере равна частоте выходных импульсов.
При выборе частоты формирования отсчетов данного порядка количество информации, передаваемой посредством двунаправленной линии, может быть достаточно велико, и поэтому может быть удобно реализовать двунаправленную линию в виде цифровой оптической линии. Для этого изолированный модуль 120 получения данных и цифровой управляющий модуль 130 могут иметь оптические интерфейсы ввода/вывода, как показано в примере на фиг.5.
К примеру, для обеспечения возможности применения техник усреднения при цифровой обработке сигнала в цифровом управляющем модуле 130 частота формирования отсчетов аналого-цифрового преобразователя (АЦП) 124 изолированного модуля 120 получения данных, как правило, больше частоты выходных импульсов. В данном случае частота формирования отсчетов может быть больше 50 кГц и, как правило, составляет порядка 1 МГц или выше. Это означает, что скорость передаваемых данных может быть достаточно высока и находится, к примеру, на уровне между 10 и 500 Мбит в секунду. Если положить, что для представления одного уровня выходного напряжения используется 16 бит на отсчет или на измерение, а частота взятия отсчетов равна 1 МГц (то есть 1 миллион отсчетов в секунду), то это будет соответствовать скорости передаваемых данных 16 Мбит/с.
В конкретном примере, импульсы ШИМ генерируются в цифровом управляющем модуле 130, а синхронные с ними импульсы передаются посредством оптической линии в аналого-цифровой преобразователь (АЦП) 124 модуля 120 получения данных. Это дает возможность производить формирование отсчетов выходного напряжения с управляемой «задержкой» по отношению к импульсам ШИМ. Так как искажения выходного напряжения обычно имеют свойство уменьшаться или угасать с течением времени, подходящий временной период для формирования отсчетов может из-за этого находиться вблизи от последующего ШИМ импульса, перед ним. Результат формирования отсчета конвертируется в соответствии с последовательным протоколом в блоке 126 цифровой обработки сигнала на отдельной плате получения данных и затем отправляется по оптической линии обратно в цифровой управляющий модуль 130. Данный модуль, предпочтительно, сравнивает измеренные значения с опорной величиной и изменяет импульсы ШИМ в соответствии с результатами этого сравнения, как более детально показано в примере на фиг.6.
На фиг.6 представлена принципиальная схема, иллюстрирующая частный пример цифрового управляющего модуля для системы зарядки конденсатора. В данном примере измеряемые данные/данные отсчетов принимаются от оптического приемопередатчика 132, то есть от оптического интерфейса ввода/вывода, и затем передаются в модуль 134 цифровой обработки сигнала. К примеру, модуль 134 цифровой обработки сигнала может быть реализован в виде программируемой вентильной матрицы (FPGA), или, как вариант, в виде интегральной микросхемы прикладной ориентации (ASIC) или процессора цифровой обработки сигналов (DSP). Модуль 134 цифровой обработки сигнала включает регулятор, конфигурированный для сравнения измеряемых данных/данных отсчетов с предварительно заданным опорным значением, и изменения импульсов ШИМ в соответствии с результатами этого сравнения. Регулятор может также использовать опциональные входы, такие как вход сетевого напряжения модуля зарядки конденсатора после выпрямления и/или выход тока модуля зарядки конденсатора, с целью улучшения регулирования ШИМ. Регулятор помимо этого генерирует синхросигнал, который отправляется в изолированный модуль 120 получения данных посредством оптического приемопередатчика 132.
На фиг.7 представлена принципиальная схема, иллюстрирующая частный пример изолированного модуля или платы получения данных для системы зарядки конденсатора. Как было сказано ранее, изолированный модуль 120 получения данных может включать дифференциальный усилитель 122. Выходной сигнал усилителя 122, предпочтительно, оцифровывается с использованием АЦП 124, и цифровое значение отправляется в модуль 126 цифровой обработки сигнала. Данный модуль 126 по существу конвертирует данные отсчетов в данные в соответствии с последовательным протоколом, которые затем передаются оптическим приемопередатчиком 128, то есть оптическим интерфейсом ввода/вывода. Оптический приемопередатчик 128 помимо этого получает синхросигнал, приходящий от цифрового управляющего модуля 130. Данный сигнал обычно обрабатывается модулем 126 цифровой обработки сигнала для генерирования импульсов управления отсчетами для АЦП 124. Модуль 126 цифровой обработки сигнала, к примеру, может быть реализован в виде программируемой вентильной матрицы (FPGA) или, как вариант, в виде интегральной микросхемы прикладной ориентации (ASIC) или процессора цифровой обработки сигналов (DSP).
Варианты осуществления изобретения, описанные выше, приведены лишь в качестве примеров, и следует понимать, что настоящее изобретение ими не ограничено. Прочие модификации, изменения или улучшения изобретения, которые сохраняют основные базовые принципы, раскрытые и описанные здесь, также находятся в рамках данного изобретения.