ПРЕЦИЗИОННЫЙ ВЫСОКОВОЛЬТНЫЙ ИСТОЧНИК-ИЗМЕРИТЕЛЬ

ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ
Полезная модель относится к измерительной технике, в частности к измерению характеристик полупроводниковых приборов в составе конфигурируемой модульной системы для комплексной автоматизированной проверки полупроводниковых приборов.
УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ
Известны высоковольтные источники, предназначенные для генерации высоких напряжений, построенные с использованием разрядников, либо сложной системы управления (RU 2144257 C1, CN 102342007 B, US 5483434 A).
Недостатки известных источников состоят в:
ограничении генерируемого напряжения 1-2 кВ,
низкой точности,
больших габаритах и
высоком уровне кондуктивных и излучаемых помех, что затрудняет их встраивание в измерительную систему с большим количеством близкорасположенных измерительных приборов.
СУЩНОСТЬ ПОЛЕЗНОЙ МОДЕЛИ
Задача полезной модели состоит в обеспечении совокупности следующих эксплуатационных параметров:
обеспечение высокой точности формирования и измерения напряжения и тока,
возможность задания и измерения напряжения свыше 2000 В,
возможность измерения тока от 1 мкА,
низкий уровень кондуктивных и излучаемых помех,
уменьшение габаритов.
Технический результат состоит в обеспечении высокой точности формирования и измерения напряжения осуществляется за счет применения цифровой системы обработки сигнала обратной связи с программным модулятором плотности импульсов. Последний, осуществляя прореживание сигнала методом пропуска импульсов, регулирует выходные параметры: напряжение, ток или мощность.
Вышеуказанная задача решена благодаря тому, что предлагаемый прецизионный источник-измеритель модульной измерительной системы, содержит:
драйвер полумоста (1),
силовой каскад (2), подключенный к драйверу полумоста (1),
LLC трансформатор (3), подключенный к силовому каскаду (2), выпрямитель (4), подключенный к LLC трансформатору (3), аналого-цифровой преобразователь (8),
блок управления (5), выход которого подключен к драйверу полумоста (1), а вход - к аналого-цифровому преобразователю (8), выполненный с возможностью модулирования плотности импульсов,
усилитель сигнала обратной связи по току (6), вход которого подключен к LLC трансформатору (3), а выход - к аналого-цифровому преобразователю (8),
усилитель сигнала обратной связи по напряжению (9), вход которого подключен к выходу выпрямителя (4), а выход - к аналого-цифровому преобразователю (8),
шунт (11),
усилители (7, 10), между входами которых подключен шунт (11), а выходы которых через вычитатель подключены к аналого-цифровому преобразователю (8).
В одном из предпочтительных вариантов воплощения измерителя, силовой каскад (2) включен по мостовой схеме.
Реализованный в блоке управления (5) модулятор плотности импульсов осуществляет регулирование выходной величины (в данном случае напряжения или тока) методом пропуска некоторого количества импульсов (см., например, https://en.wikipedia.org/wiki/Pulse-density modulation). При этом силовой каскад всегда работает на резонансной частоте. За счет этого коммутация (включение и отключение) ключей всегда происходит при нуле тока, то есть обеспечивается мягкая коммутация.
По сравнению с источниками на разрядниках, поведение которых сложно контролировать, данная следящая система позволяет стабильно управлять выходным сигналом с большой точностью.
Стабильность обеспечивается высокой частотой циклов регулирования и отсутствием нестабильных элементов. При этом система не имеет большого количества функциональных узлов, усложняющих ее.
Диапазон измерения по напряжению свыше 2000 В и высокая эффективность обеспечиваются с помощью цифровой системы управления резонансным повышающим трансформатором с LLC-контуром в цепях низкого напряжения.
Низкий уровень кондуктивных и излучаемых помех обеспечивается применением резонансного повышающего преобразователя с переключением силового каскада в нуле тока.
Силовой каскад (2) обычно представляет собой полумост на полевых транзисторах, обеспечивающих формирование переменного напряжения на первичной обмотке трансформатора.
Блок управления (5), предпочтительно представляет собой цифровой контроллер, реализованный на ПЛИС.
Драйвер полумоста (1) представляет собой схему усиления мощности, выполненную на базе интегральной микросхемы. Драйвер осуществляет усиление мощности логического сигнала от блока управления (5), необходимое для управления транзисторами силового каскада (2).
LLC трансформатор (3) (LLC-контур) представляет собой трансформатор, первичная обмотка которого с последовательно подключенным к ней конденсатором образуют резонансный контур.
Выпрямитель (4) представляет собой преобразователь переменного напряжения в постоянное.
Усилители сигналов обратных связей (6, 7, 9, 10) представляют собой схемы, обеспечивающие усиление сигнала по напряжению и выполненные на интегральных микросхемах.
Вычитатель (12) представляет собой схему, обеспечивающую вычитание сигналов по напряжению (выходное напряжение равно разности входных напряжений).
Вычитатель (12) может быть выполнен на микросхеме операционного усилителя.
КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ФИГУРЫ
На фиг. 1 показана структурная схема источника-измерителя модульной измерительной системы, где:
1 - драйвер полумоста;
2 - силовой каскад;
3 - LLC-контур (трансформатор).
4 - выпрямитель;
5 - цифровой блок управления на ПЛИС;
6 - усилитель обратной связи тока в контуре;
7, 10 - усилители сигнала шунта;
8 - аналого-цифровой преобразователь (АЦП);
9 - усилитель обратной связи по напряжению (операционный усилитель);
11 - токоизмерительный шунт;
12 - вычитатель.
На фиг. 2 проиллюстрирован алгоритм захвата фазы, где:
13 - сигнал драйвера;
14 - сигнал обратной связи контура;
15 - система работает в резонансе;
16 - сбитый режим, фаза потеряна.
На фиг. 3 проиллюстрирована структурная схема цифрового блока управления, где:
17 - ПИД-контроллер;
18 - система фазовой автоподстройки частоты;
19 - модулятор плотности импульсов.
На фиг. 4 показано подключение силового каскада (2) по мостовой схеме.
ОСУЩЕСТВЛЕНИЕ ПОЛЕЗНОЙ МОДЕЛИ
Данные параметров импульса (время импульса, напряжение, ток, время фронта) поступают на цифровой блок управления (5), включающий в себя ПИД-регуляторы, систему фазовой автоподстройки частоты (ФАПЧ) и модулятор плотности импульсов.
Включается тактирование LLC-контура (3) через драйвер (1) с задержкой переключения и силовой каскад (2).
Сигнал с конденсатора резонансного LLC-контура (3) через усилитель (6) поступает на синхронизированный с сигналом драйвера полумоста (1) АЦП (8), а после на ФАПЧ блока управления (5).
Так как АЦП синхронизирован по фазе с тактирующим сигналом, замеряется отклонение фазы между сигналами обратной связи контура и сигналом на драйвере. Эта разница фаз используется системой ФАПЧ для подстройки частоты LLC-контура (3).
Осуществляется замер напряжения на выходе выпрямителя (4) и тока на шунте (11) с помощью АЦП (8) через усилители (7, 9, 10). Этот сигнал поступает на ПИД-регулятор, а после - на модулятор плотности импульсов внутри блока управления (5).
Изменяя коэффициент модулятора, регулируется количество разрешенных импульсов на каждые 100 импульсов тактирования драйвера. Таким образом, осуществляется регулирование выходных параметров - тока/напряжения.
Структура предложенного источника-измерителя позволяет задавать и измерять напряжения в диапазоне свыше 2000 В с контролем тока. Таким образом, обеспечивается возможность измерения параметров полупроводниковых приборов с высокой точностью в широком диапазоне напряжений.
На фиг. 2 показан захват фазы при помощи АЦП и разница при резонансном режиме и потерей резонанса. По разнице уровней в точках на синусоидальном напряжении можно определить величину и направление смещения фазы. Как видно, для корректной работы системы регулирования разница фаз между сигналами обратной связи контура и сигналом на драйвере должна быть минимизирована. Это обеспечивается схемой ФАПЧ.
На фиг. 3 показана структурная схема цифрового блока управления прецизионного источника-измерителя, где отражена взаимосвязь ПИД-регуляторов, системы ФАПЧ и модулятора плотности импульсов.
Предлагаемое решение обеспечивает высокую точность формирования и измерения напряжения и тока, притом что обеспечиваются:
возможность задания и измерения напряжения свыше 2000 В,
возможность измерения тока от 1 мкА,
низкий уровень кондуктивных и излучаемых помех,
уменьшение габаритов.
Высокая точность измерения обеспечивается за счет высокой частоты работы модулятора (Pulse-density modulation, PDM-модулятор). Высокая частота модулятора в совокупности с большой скоростью измерений параметров формирует малое значение дискрета отклонения, которое система может компенсировать. Таким образом, при увеличении частоты дискретность регулирования существенно возрастает.
Возможность задания и измерения напряжений свыше 2000 В обеспечивается тем, что регулирование осуществляется по низковольтной стороне с использованием драйвера полумоста 1, силового каскада 2 и LLC-трансформатора 3, таким образом, требования к высоковольтным элементам снижаются. На высоковольтной стороне остаются только выпрямительные диоды (выпрямитель 4). Данный подход позволяет упростить структуру и требования к компонентам системы.
Возможность измерения тока от 1 мкА обеспечивается структурой измерителя. Измерение проводится измерителями сигнала шунта 7, 10, затем суммарный сигнал формируется вычитателем 12. Данная структура обеспечивает высокое входное сопротивление (низкие токи утечки входов усилителей), что в свою очередь обеспечивает возможность измерения очень малых токов нагрузки.
Применение PDM-модулятора совместно с резонансным преобразователем позволяет существенно снизить уровень кондуктивных и излучаемых помех. Это достигается благодаря «мягкой» коммутации транзисторов силового каскада 2. Коммутация осуществляется при нулевом значении тока через транзистор.
Низкие динамические потери, обеспечиваемые при такой коммутации, позволяют увеличить рабочую частоту, а также снизить габариты электромагнитных элементов, что в конечном итоге приводит к общему снижению габаритов системы.