ГЕНЕРАТОР ИМПУЛЬСОВ С ИНВЕРСИЕЙ НАПРЯЖЕНИЯ
PULSE GENERATOR WITH VOLTAGE INVERSION

Изобретение относится к импульсной высоковольтной технике и может быть использовано в источниках питания различных электрофизических устройств.
Известны генераторы импульсов высокого напряжения, собранные по схеме умножения напряжения с использованием инверсии напряжения на накопительных конденсаторах. Модификации такой схемы находят практическое применение в импульсной высоковольтной техники, в частности в работе (Коротков С.В., Аристов Ю.В., Воронков В.Ю. // ПТЭ. 2010. №2. с.80.).
Недостатками указанного генератора являются большие потери мощности на активном сопротивлении зарядных резисторов и невозможность увеличения выходного напряжения без увеличения числа каскадов умножения.
Также известен генератор высоковольтных импульсов (а.с. РФ №1131438, кл. H03K 3/53, 1998 г.). Основной целью этого генератора является увеличение коэффициента умножения генератора без увеличения числа каскадов умножения. В генераторе накопительные конденсаторы заряжаются через зарядное сопротивление и, как следствие, процесс заряда сопровождается потерями энергии и невозможностью зарядить эти конденсаторы до удвоенного напряжения источника питания. Далее осуществляется перезаряд накопительных конденсаторов через дополнительные индуктивности. Дополнительные индуктивности и накопительные конденсаторы должны быть подобраны в определенных соотношениях. При таких условиях возможен колебательный процесс, в результате которого суммарное напряжение на конденсаторах может быть на 35-40% больше, чем в известных аналогичных схемах.
Однако, как указывает сам автор, точный расчет параметров схемы для большого числа каскадов умножения практически невозможен, а, кроме того, временная и температурная нестабильности подобранных элементов будут приводить к разбалансировке схемы и, как следствие, к уменьшению выходного напряжения
Наиболее близким к предлагаемому устройству по технической сущности является генератор с использованием инверсии напряжения на накопительных конденсаторах, представленный в работе Фитча и Говелла (Fitch R.A., Howell V.T.S. Novel principle of transient high voltage generation. -"Proc. IEEE", Electronics Power Science and General, - 1964, v. III, №4).
Недостатками указанного генератора также являются большие потери мощности на активном сопротивлении зарядных резисторов и невозможность увеличения выходного напряжения без увеличения числа каскадов умножения.
Технической задачей данного изобретения является уменьшение потерь мощности в зарядной цепи и получение удвоенного напряжения на накопительных конденсаторах.
Указанный технический результат достигается тем, что генератор импульсов напряжения, как и прототип, содержит источник питающего напряжения, ключ выходного напряжения, нагрузку и n последовательно соединенных каскадов умножения, каждый из которых содержит два последовательно соединенных накопительных конденсатора, два зарядных элемента, индуктивность инверсии напряжения и ключ инверсии напряжения.
В отличие от прототипа генератор дополнительно снабжен зарядной индуктивностью, зарядные элементы выполнены в виде входной ветви последовательно соединенных зарядных диодов и выходной ветви последовательно соединенных зарядных диодов, катод каждого из диодов входной ветви соединен с общей точкой последовательно соединенных накопительных конденсаторов предыдущей ступени умножения, а анод соединен с общей точкой последовательно соединенных накопительных конденсаторов последующей ступени умножения, катод каждого из диодов выходной ветви соединен с нижней обкладкой первого из последовательно соединенных накопительных конденсаторов каждого каскада умножения, а анод соединен с верхней обкладкой второго из последовательно соединенных накопительных конденсаторов каждого каскада умножения, при этом зарядная индуктивность включена между положительным полюсом источника питающего напряжения и анодом диода входной зарядной ветви n-го каскада, а отрицательный полюс источника питающего напряжения подключен к нижней обкладке первого накопительного конденсатора первого каскада умножения.
Предлагаемое устройство по сравнению с прототипом отличается тем, что зарядная индуктивность может быть включена между отрицательным полюсом источника питающего напряжения и катодом диода входной зарядной ветви n-го каскада, а положительный полюс источника питающего напряжения подключен к нижней обкладке первого накопительного конденсатора первого каскада умножения, при этом все зарядные диоды включены в схеме с обратной полярностью.
На фигуре изображена электрическая схема предлагаемого генератора.
0
Генератор содержит 1…n каскадов, источник питающего напряжения с выходным напряжением +U, общую для всех каскадов зарядную индуктивность 2, ключ выходного напряжения 3, нагрузку 4.
Каждый из каскадов включает в себя по два накопительных конденсатора 5, индуктивность инверсии напряжения 6, ключ инверсии напряжения 7, зарядный диод входной ветви последовательно соединенных зарядных диодов 8 и зарядный диод выходной ветви последовательно соединенных зарядных диодов 9.
Генератор импульсных напряжений работает следующим образом.
0
Накопительные конденсаторы 5 заряжают через зарядную индуктивность 2 и зарядные диоды 8 и 9 от питающего напряжения +U. Так как во время заряда все диоды 8 и 9 открыты, то накопительные конденсаторы соединены параллельно и процесс заряда конденсаторов происходит одновременно. Время заряда конденсаторов определяется по формуле ,
з
L- зарядная индуктивность 2;
С - емкость накопительных конденсаторов 5;
n - количество каскадов;
π - 3,14.
0
п
Такая схема позволяет зарядить накопительные конденсаторы с минимальными потерями мощности. При условии, что активное сопротивление цепи заряда близко к нулю, процесс заряда имеет колебательный характер. Накопительные конденсаторы 5 заряжаются до двойного напряжения питания, при этом нижний и верхний конденсаторы зарядятся в противофазе, как показано на фигуре с левой стороны от конденсаторов. После заряда накопительных конденсаторов 5 зарядные диоды 8 и 9 запираются и удерживают напряжение на каждом из накопительных конденсаторов, соединенных уже последовательно, на уровне 2U. Так как общее число последовательно соединенных конденсаторов четное, как в нашем случае 2n, то из-за разной полярности напряжения на соседних конденсаторах суммарное напряжение на них будет равно нулю. При одновременном замыкании ключей инверсии напряжения 7 происходит колебательный перезаряд нижних конденсаторов 5 в каждом каскаде через индуктивности инверсии напряжения 6 и за время  произойдет полный перезаряд конденсаторов с изменением полярности, как показано на фигуре с правой стороны от конденсаторов. Здесь L - индуктивности инверсии напряжения 3.
вых
0
0
В результате чего суммарное напряжение на накопительных конденсаторах составит U=2U2n=4Un.
0
При этом зарядные диоды 8 и 9 остаются закрытыми, не оказывая влияния на выходное напряжение. Если в этот момент времени замкнуть ключ выходного напряжения 3, то все напряжение 4Un будет приложено к нагрузке 4. После разряда накопительных конденсаторов на нагрузку диоды 8 и 9 открываются и периодический процесс полностью повторяется.
0
Если отрицательный полюс источника питающего напряжения подключить к зарядной индуктивности, а положительный - к нижней обкладке первого накопительного конденсатора первого каскада умножения, при этом все зарядные диоды включить в схеме с обратной полярностью, то при разряде конденсаторов на нагрузку генератор выработает импульс противоположной полярности амплитудой 4Un.