Формирователь пилообразного напряжения
SAWTOOTH VOLTAGE SHAPER

Предлагаемое изобретение относится к области промышленной электроники, а именно: к области лазерной и импульсной техники, плазменной технологии, технологии электроосмоса, скоростной фотосъемке и ядерной физики, в частности, к системам управления высоковольтными генераторами импульсов напряжения пилообразной формы, и может быть использовано в приборостроении и автоматике для цепей считывания для камер с линейной разверткой, стробирования микроканальной пластины, возбуждения ячеек Поккельса, питания плазменных электрофизических и газоразрядных устройств и в диодных лазерах, для активного управления воздушными потоками, создания мощных ЭГД потоков и др. [1-3].
В емкостных генераторах высокого напряжения электрическая энергия запасается в накопительных конденсаторах. Часто коммутатором высоковольтных генераторов служит газоразрядный тиратрон, который способен переключать напряжения до 25 кВ и ток до 1 кА. Однако характеристики тиратронов деградируют в ходе эксплуатации, поэтому в последние годы тиратронные ключи все чаще заменяют на ключи на основе твердотельных элементов, характеристики которых стабильны во времени и которые имеют значительно больший ресурс надежность работы [4, 5].
Один из традиционных подходов к получению импульсов высокого напряжения -использование линейки лавинных транзисторов в качестве разрядников в многоступенчатой схеме генератора Маркса [6-8]. Генераторы на основе схемы Маркса имеют конструктивное преимущество благодаря более низкому по сравнению с выходным напряжению питания, малые времена переключения и простоте реализации. Недостатком этой системы является то, что питающее напряжение постоянного тока не может превышать напряжение, при котором возникает пробой на высоковольтных элементах, низкая мощность, полная разрядка накопительных конденсаторов, нестабильность ключевых элементов.
В работе [9] описан генератор пилообразного высокого напряжения с перестраиваемой частотой от 6 до 12 кГц с напряжением до 25 кВ под чисто емкостную нагрузку 60-100 пФ. На мостовую схему, состоящую из четырех транзисторных ключей, нагруженных на последовательную RC цепь, подаются управляющие импульсы. При включении конденсатора через широкополосный высоковольтный выходной трансформатор на его пластинах формируется напряжение близкое по форме к пиле с амплитудой, умноженной на коэффициент трансформации "n", который может быть довольно высоким. Однако такая схема генератора не обеспечивает линейность фронта нарастания при высоких напряжениях, простоту в перестройке частоты, фронта напряжения, работу на низких частотах. Кроме того, при переходе на более высокие напряжения и частоты необходимо прибегать к замене трансформатора.
Известен формирователь пилообразного напряжения, содержащий термоэлектронную вакуумную трубку, имеющую анод, катод и, по меньшей мере, один управляющий электрод, резонансный контур, соединенный в анодно-катодном контуре вакуумной трубки и содержащий первый индуктивный элемент, соединенный параллельно с двумя последовательно соединенными первым и вторым конденсаторами, резистивный элемент, соединяющий центральную часть первого индуктивного элемента с общей точкой соединения конденсаторов, первый конденсатор соединен с центральной частью первого индуктивного элемента и последовательно соединен с анодом и катодом вакуумной трубки, средство для возбуждения анода вакуумной трубки, переменный резистор, расположенный между средством возбуждения анода и анодом, второй индуктивный элемент, резистивный элемент, соединенный параллельно со вторым индуктивным элементом, указанную параллельную цепь, соединенную с цепью сетка-катод вакуумной трубки, цепь с постоянной времени, подключенная к анодной схеме вакуумной трубки и к управляющей сетке вакуумной трубки, и средство для периодического воздействия импульсов через внешний источник на управляющую сетку вакуумной трубки [10].
Недостатком данного технического решения является то, что коммутация осуществляется посредством электровакуумного триода, имеющего низкий срок службы, сложную систему управления, дополнительный элемент накала.
Наиболее близким к заявляемому техническому решению (прототипом) является формирователь пилообразного напряжения, содержащий операционный усилитель, два последовательно соединенных резистора цепи отрицательной обратной связи, первый из которых подключен к выходному выводу формирователя, второй - к выводу для подключения первого входного напряжения, а точка соединения этих резисторов - к инвертирующему входу операционного усилителя, два последовательно соединенных резистора цепи положительной обратной связи, первый из которых подключен к выходному выводу формирователя, второй - к выводу для подключения второго входного напряжения, а точка соединения этих резисторов - непосредственно или через дополнительный резистор к неинвертирующему входу операционного усилителя, параллельно соединенные первый ключ и первый конденсатор, который заряжается постоянным током через резистор цепи положительной обратной связи, второй конденсатор, включенный между выходом операционного усилителя и выходным выводом формирователя, нагрузка, выполненный в виде стабилизатора тока, соединенного последовательно с диодом, включенный между выходным выводом формирователя и источником питания, второй ключ, включенный параллельно второму конденсатору и коммутируемый синхронно с первым ключом [11].
Недостатком данного технического решения является ограничение выходного напряжения генератора, что обусловлено предельным рабочими напряжением операционного усилителя, не превышающим значений 300-400 В, и низкий КПД из-за большого падения напряжения на внутренних элементах операционного усилителя.
Новым достигаемым техническим результатом предполагаемого изобретения является обеспечение высокого КПД и большей чем на два порядка величины выходного напряжения при упрощении и повышении надежности.
Новый технический результат достигается тем, что в формирователь пилообразного напряжения, содержащий две электрические цепи, включающие соединенные ключ и конденсатор, нагрузку, диод и источник питания в отличие от прототипа, дополнительно введены драйвер, подключенный ко второму источнику питания, и два индуктивных элемента, формирующих электрические цепи с общим конденсатором, включающим в себя и емкостную часть нагрузки, при этом значение индуктивности первого индуктивного элемента превышает значение индуктивности второго индуктивного элемента с возможностью обеспечения отличия резонансной частоты двух электрических цепей на два порядка величины; первая электрическая цепь выполнена в виде последовательно соединенных источника питания, первого индуктора и конденсатора, вторая электрическая цепь выполнена в виде последовательно соединенных высоковольтного ключа, диода, второго индуктивного элемента и конденсатора, при этом источник питания последовательно соединен с высоковольтным ключом через место соединения с драйвером.
В случае нелинейной емкостной части нагрузки в формирователь пилообразного напряжения может быть дополнительно введен второй конденсатор, емкость которого в 5-10 раз больше изменения эффективной пиковой емкости нагрузки.
На фиг. 1-3 представлены принципиальные схемы формирователя пилообразного напряжения, а также форма получаемого сигнала и ток через индуктор.
Формирователь пилообразного напряжения содержит драйвер 1, подключенный к второму источнику питания 2, и два индуктивных элемента 3 и 4, формирующих электрические цепи с общим конденсатором 5, включающим в себя и емкостную часть нагрузки 6, при этом значение индуктивности первого индуктивного элемента 3 превышает значение индуктивности второго индуктивного элемента 4 с возможностью обеспечения отличия резонансной частоты двух электрических цепей на два порядка величины, первая электрическая цепь выполнена в виде последовательно соединенных источника питания 7, первого индуктора 3 и конденсатора 5, вторая электрическая цепь выполнена в виде последовательно соединенных высоковольтного ключа 8, диода 9, второго индуктивного элемента 4 и конденсатора 5, при этом источник питания 7 последовательно соединен с высоковольтным ключом 8 через место соединения с драйвером 1 (фиг. 1).
Драйвер 1 предназначен для управления высоковольтным ключом.
В качестве драйвера 1 может быть использован, например, MOSFET-драйвер UCC27324D фирмы Texas Instruments.
Второй источник питания 2 предназначен для электропитания драйвера 1.
В качестве второго источника питания 2 может быть использован, например, Mean Well IRM-02-15.
Первый индуктивный элемент 3 предназначен для обеспечения зарядки конденсатора 5 практически постоянным током.
В качестве первого индуктивного элемента 3 может быть использован, например, составной дроссель собственного изготовления, состоящий из 10 последовательно соединенных дросселей, каждый их которых намотан на сердечнике Е 100/60/28 фирмы TDK, собранные с зазором 1 мм, по 500 витков провода диаметром 0,33 мм, и общей индуктивностью 700 мГн.
Второй индуктивный элемент 4 предназначен для запасания в нем электрической энергии.
В качестве второго индуктивного элемента 4 может быть использована, например, катушка собственного изготовления без сердечника, состоящая из 150 витков проводом диаметром 0,5 мм, намотанных на диэлектрическом каркасе диаметром 50 мм и длиной 100 мм.
Конденсатор 5 предназначен для обеспечения возможности его перезарядки в момент достижения напряжением требуемого отрицательного уровня до положительного уровня напряжения за время много меньше собственного периода первой электрической цепи.
В качестве конденсатора 5 может быть использован, например, КВИ-3 емкостью 1 нФ.
Конденсатор 10 предназначен для снижения искажения пилообразной формы напряжения в случае нелинейно емкостной нагрузки.
В качестве конденсатора 10 может быть использован, например, КВИ-3 емкостью 10 нФ.
В качестве нагрузки 6 может быть использован, например, актюатор с ламелями размером 245x239.5 мм, шагом 7 мм, шириной активного электрода 0,5 мм, толщиной внешнего слоя диэлектрика 0,3 мм, внутреннего слоя 0,5 мм [12].
Источник питания 7 предназначен для зарядки конденсатора 5.
В качестве источника питания 7 может быть использован, например, Spellman STR2*6 (2000 В, 3 А).
Высоковольтный ключ 8 предназначен для перезарядки конденсатора 5 посредством замыкания высоковольтного ключа 8 благодаря диоду 9 до необходимого уровня напряжения.
В качестве высоковольтного ключа 8 может быть использован, например, составной БТИЗ-ключ [13].
Диод 9 предназначен для перезарядки конденсатора 5 при замыкании высоковольтного ключа 8 до необходимого уровня напряжения.
В качестве диода 9 могут быть использованы, например, 7 последовательно соединенных диодов фирмы Wolfspeed модели C5D10170H (1700V 16A, SiC Schottky Diode, 2-Pin TO-247).
Формирователь пилообразного напряжения работает следующим образом.
out
1
2
В плече схемы (фиг. 2) можно выделить две LC - электрические цепи с общим конденсатором 5 (C), включающем в себя и емкостную часть нагрузки 6. Значение индуктивности индуктивного элемента 3 (L) больше значения индуктивности индуктивного элемента 4 (L), что обеспечивает отличие резонансных частот двух LC - электрических цепей на два порядка величины.
В случае нелинейной емкостной части нагрузки 6 для снижения искажения пилообразной формы напряжения, например, в виде плазменного актуатора эквивалентной емкости 1 нФ, для снижения искажений формы напряжения в формирователь пилообразного напряжения может быть введен второй конденсатор 10 емкость которого в 5-10 раз больше изменения эффективной пиковой емкости нагрузки 6.
out
В основу работы генератора ускоряющих импульсов положен принцип циклического переключения ключевого элемента HVS (фиг. 2). Для осуществления автоколебаний в описанном формирователе пилообразного напряжения необходимо в момент достижения напряжением требуемого отрицательного уровня перезарядить конденсатор 5 (C) до положительного уровня напряжения за время, много меньше собственного периода первой LC - электрической цепи. Последнее осуществляется второй LC - электрической цепью, включающей высоковольтный ключ 8 и диод 9. Время перезарядки составляет
Работу схемы (фиг. 2) можно разбить на несколько этапов.
1
out
in
0
out
0
2
0
in
1
Изначально (фиг. 2(a)) ток медленно нарастает в индуктивном элементе 3 (L) с большим значением индуктивности при разомкнутом состоянии высоковольтного ключа 8, а конденсатором 5 (C) заряжается до напряжения большего или равного напряжению источника питания 7 (V), имеющему значение (V). При замыкании высоковольтного ключа 8 благодаря диоду 9 происходит перезаряд конденсатора 5 (C) до напряжения (-V) (фиг. 2b). Частота открытия и закрытия высоковольтного ключа 8 должна быть много больше резонансной частоты первой LC - электрической цепи, а время открытого состояния высоковольтного ключа 8 мало по сравнению с периодом колебаний первой LC. При размыкании высоковольтного ключа 8 процесс повторяется. Благодаря энергии, запасаемой в индуктивном элементе 4 (L), ток через него практически постоянен. Именно этим и достигается генерация высоковольтных импульсов пилообразной формы с малыми искажениями. Варьированием времени между открытыми состояниями высоковольтного ключа 8 достигается требуемая частота высоковольтных импульсов пилообразной формы, а подстройкой напряжения (V) источника питания 7 (V) формируется разная крутизна фронта сигнала, и, тем самым, необходимая амплитуда выходного напряжения формирователя пилообразного напряжения. Форма получаемого сигнала и ток, идущий через индуктивный элемент 3 (L) представлены на фиг. 3.
1
out
0
Предположим, что в начальный момент времени в индукторе (L) имеется ток, высоковольтный ключ 8 разомкнут, и конденсатор 5 (C) заряжен до напряжения (V), как показано на фиг. 4. Предположим также, что добротности обоих контуров достаточно высоки. Тогда форму напряжения на нагрузке можно считать синусоидальной (фиг. 2)
0
max
0
V=V⋅sin(ωt)
max
где  V - пиковое значение напряжения на элементе сопротивления 6.
0
Если за период Т конденсатор 5 зарядится до напряжения (V), то
0
max
0
-V=V⋅sin(ωt+ωТ)
max
Выражая отсюда V, найдем зависимость напряжения на конденсаторе 5 от времени
Ток в конденсаторе 5 может быть получен из выражения
0
0
Относительное изменение тока, а, следовательно, и скорости спада значения напряжения в интервале от t до (t+T/2) определяется выражением
0
0
0
Для получения сигнала, близкого по пилообразной форме необходимо, чтобы отклонение тока от максимального значения было минимально. При малых значениях tg(ωt)≈ωt. То есть, чем меньше значение параметра ωt, тем ближе форма значения напряжения к линейной. Примем в качестве требования «относительное отклонение не более Δ=±10%», т.е.
c
c
Сформулируем требования к параметрам высоковольтного ключа 8 и диода 9. Поскольку высоковольтный ключ 8 должен обеспечивать блокировку в период положительной части полуволны, его рабочее напряжение должно быть не менее V. Диод 9, наоборот, должен обеспечивать блокировку во время отрицательной части полуволны, и его рабочее напряжение также должно быть не менее V=10 000 В. Пиковый ток во время перезарядки конденсатора 5 определяется выражением
Для времени перезарядки  получим пиковый ток около 40 А.
Особенностью предлагаемого формирователя пилообразного напряжения является возможность регулирования времени нарастания импульса в широком диапазоне от десятков микросекунд до сотен наносекунд. При подборе индуктивного накопителя диапазон рабочих частот может быть расширен от сотен герц до сотен килогерц.
На основании вышеизложенного новый достигаемый технический результат предполагаемого изобретения обеспечивается следующими по сравнению с прототипом техническими преимуществами.
1. Достигается повышение КПД не менее чем на 50%, за счет использования специальных высоковольтных переключающих, индуктивных и емкостных элементов с малыми потерями.
2. Обеспечивается упрощение электрической схемы формирователя пилообразного напряжения (не менее чем на 10%) за счет применения новой схемы соединения силовых элементов.
3. Достигается повышение надежности формирователя пилообразного напряжения (не менее чем на 50%) за счет применения долговечных полупроводниковых ключей с расширенной областью допустимых рабочих параметров.
4. Достигается повышение более чем на два порядка величины выходного напряжения за счет применения составных высоковольтных полупроводниковых ключей.
В настоящее время в Институте электрофизики и электроэнергетики РАН проведены испытания предлагаемого формирователя пилообразного напряжения, представляющего собой высоковольтный генератор пилообразных импульсов с регулируемой амплитудой напряжения до 20 кВ и частотой повторения от 2 до 15 кГц мощностью 1 000 Вт для питания плазменных электрофизических установок, и на их основе выпущена конструкторская документация на данную систему управления.
Используемые источники
1. Boscolo I., Giuliani F., Roche M. Powerful high-voltage generators for FELTRON, the electrostatic-accelerator FEL amplifier for TeV colliders // Nuclear Instruments and Methods in Physics Research Section A: Accelerators, Spectrometers, Detectors and Associated Equipment. - 1992. - T. 318. - №. 1-3. - C. 465-471.
2. Upadhyay J. et al. A high voltage programmable ramp generator // Review of Scientific Instruments. - 2008. - T. 79. - №. 5. - C. 054701.
3. Шустов M.А. Практическая схемотехника. Книга 3. Преобразователи напряжения / М.: Издательский дом «Додэка-XXI», Альтекс. - 2007.
4. Мошкунов С.И., Ребров И.Е., Хомич В.Ю. Двухканальный высоковольтный генератор прямоугольных импульсов для объемного ускорения электрогидродинамических потоков // Известия высших учебных заведений. Физика. 2016. Т. 59. №9-3. С. 110-113.
5. Мошкунов С.И., Хомич В.Ю. Генераторы высоковольтных импульсов на основе составных твердотельных коммутаторов Москва, 2018.
6. Liu Jinyuan, Shan Bing, and Chang Zenghu. High voltage fast ramp pulse generation using avalanche transistor // Review of scientific instruments. Volume 69. Number 8. Pp. 3066-3067. 1998.
7. Bidin N. et al. Nanoseconds Switching for High Voltage Circuit Using Avalanche Transistors // Applied Physics Research. Т. 1. №. 2. С. P25. 2009.
8. Benzel D. M., Pocha M. D. 1000-V, 300-ps pulse-generation circuit using silicon avalanche devices // Review of scientific instruments. 1985. T. 56. №. 7. C. 1456-1458.
9. M. Талах. Высоковольтный генератор пилообразного напряжения для равномерного распределения циклотронного пучка ионов. Издательский отдел Объединенного института ядерных исследований. Дубна, Московской области. 1988.
10. Patent US 2244003 А, 1958, МКИ H03K 4/92.
11. Патент RU 2234802, 2004, МКИ H03K 4/06.
12. Алешин Б.С., Курячий А.П., Ребров И.Е., Хомич В.Ю., Чернышев С.Л., Ямщиков В.А. Многоразрядная актуаторная система для силового электрогидродинамического воздействия на пограничный слой аэродинамических поверхностей // Письма в журнал Технической физики. 2017. Vol. 43, № LP. 45-52.
13. Khomich V.Y., Malashin M.V., Moshkunov S.I., Rebrov I.E., Shershunova E.A. High voltage igbt switch with capability of pulse width control // 2012 International Symposium on Power Electronics, Electrical Drives, Automation and Motion (SPEEDAM 2012). Proceedings. 2012. С 1512-1514.