Силовая схема на основе каскадного включения коммутирующих транзисторов

Как отмечалось выше, силовая схема на основе модулятора с частичным разрядом накопительной емкости имеет очевидные ограничения. Они обусловлены максимально допустимыми значениями тока и напряжения коммутирующего транзистора, а также допустимыми значениями напряжения накопительного конденсатора. Соответственно ограничена и максимальная импульсная мощность, поступающая в лампу. Для расширения диапазона импульсной мощности и энергии, передаваемых в лампу, может быть использовано каскадное включение коммутирующих транзисторов и накопительных конденсаторов (рис. 11).

рис. 11

Схема состоит из двух каскадов формирователей, выделенных штриховой линией, и цепи нагрузки (импульсной лампы). Оба каскада подключены к одному высоковольтному и одному низковольтному источникам питания, причем первый каскад подключен к источникам непосредственно, а второй через разделительные диоды и . Каждый каскад включен по схеме модулятора с частичным разрядом накопительной емкости. Накопительные конденсаторы и в паузе между импульсами заряжаются до напряжения . Коммутирующие транзисторы и при формировании импульса накачки подключают накопительные конденсаторы и к лампе. Вспомогательные транзисторы и в паузе между импульсами соединяют выходы каскадов (узлы a и b) с общей шиной схемы ОШ. Конденсаторы и , подключенные к схемам управления СУ1 и СУ2, в паузе между импульсами заряжаются до напряжения и поддерживают это напряжение в схемах управления. Транзисторы , и , переключаются со схем управления СУ1 и СУ2 соответственно. Напряжение затвор-эмиттер транзисторов и подается с выводов «» и «», а транзисторов и с выводов «» и «». Согласно алгоритму работы схем управления СУ1 и СУ2 указанные напряжения находятся в противофазе. Поэтому включенному состоянию , соответствует выключенное состояние , и наоборот. По алгоритму работы схем управления при отсутствии сигнала на входах СУ1 и СУ2 («») на верхних выходах схем управления («») устанавливается низкий уровень напряжения (близкий к нулю), а на нижних выходах («») – высокий. Это означает, что в паузе между импульсами накачки (при отсутствии напряжения управления ) транзисторы и включены, а и выключены. Через включенный транзистор эмиттер (узел а) и общая шина второго каскада ОШ1 подключается к общей шине первого каскада ОШ, которая является и общей шиной нагрузки. Будем в дальнейшем ОШ называть общей шиной схемы. Через включенный транзистор эмиттер (узел b) подключается к общей шине ОШ1, а через включенный и к общей шине схемы ОШ. Накопительный конденсатор (отрицательная пластина) непосредственно подключен к ОШ, а через включенный транзистор . Таким образом, в паузе между импульсами накачки оба коммутирующих транзистора , и оба накопительных конденсатора , подключены к общей шине схемы ОШ. Очевидно, что в этот период напряжение на конденсаторах , и транзисторах , равно . Конденсатор через резистор , непосредственно подключен к низковольтному источнику питания , а , через резистор , разделительный диод и включенный транзистор . Очевидно, что оба конденсатора в паузе между импульсами накачки заряжаются до напряжения .

При подаче на вход («») СУ1 импульса управляющего напряжения на верхнем выходе («») формируется положительный импульс напряжения, а нижний выход («») обнуляется. Это приводит к включению и выключению . Так как верхний выход («») СУ1 соединен со входом («») СУ2, то согласно алгоритму работы схем управления на выходах СУ2 формируется та же комбинация напряжений, что и на выходах СУ1. Следовательно, осуществляется переключение транзисторов и синхронно с переключением и . При включенном и выключенном напряжение на выходе первого каскада (в узле а) равно напряжению на конденсаторе , то есть . Так как выход первого каскада (узел а) соединен с общей шиной второго каскада ОШ1, то напряжение на ОШ1 относительно ОШ также равно . При включенном транзисторе напряжение на выходе второго каскада (в узле b) относительно общей шины этого каскада ОШ1 равно напряжению на конденсаторе , то есть . Следовательно, напряжение на выходе схемы (в узле b) относительно общей шины схемы ОШ равно 2 . Это напряжение и прикладывается к лампе.

В схеме модулятора с частичным разрядом накопительной емкости закон изменения тока при формировании импульса накачки определяется уравнением (18)

, (18)

где – емкость накопительного конденсатора, – напряжение на этой емкости. Применительно к рассматриваемой двухкаскадной схеме в эту формулу должны быть внесены следующие коррективы. Во-первых, в период формирования импульса накачки конденсаторы и включены последовательно. Поэтому, если емкость каждого конденсатора равна , то их результирующая емкость равна . Во-вторых, в силу того, что каждый конденсатор заряжен до напряжения , их результирующее напряжение, прикладываемое к нагрузке (лампе) равно 2 . При этом выражение (18) принимает вид

. (43)

Емкость накопительного конденсатора, выбранная из условия допустимого спада тока к концу импульса накачки, определяется уравнением (19)

, (19)

где – отношение тока накачки в конце импульса к току накачки в начале импульса . Учитывая, что в двухтактной схеме напряжение на лампе удвоилось, выражение (19) преобразуется к виду

. (44)

Рассмотрим построение схемы управления (рис. 12)

рис. 12

Элементы, относящиеся к схеме управления, выделены на рисунке штриховой линией. Для удобства рассмотрения на рисунке показаны и элементы силовой схемы: коммутирующий транзистор и дополнительный транзистор , а также накопительный конденсатор . Каждая схема управления собирается относительно общей шины данного каскада. Основой схемы является драйвер IR2111S, который реализует тот же алгоритм работы, что и рассмотренные выше схемы управления СУ1 и СУ2. Драйвер формирует по заданному алгоритму импульсы напряжения на верхнем и нижнем выходах, а также осуществляет потенциальную развязку низковольтного входа и верхнего выхода , находящегося под потенциалом . Драйвер имеет все выводы, присутствующие в схемах СУ1 и СУ2: , , , , , . Дополнительный вывод в драйвере предназначен для организации питания верхнего выходного каскада . В паузе между импульсами накачки вывод верхнего выходного каскада через включенный транзистор соединен с общей шиной данного каскада ОШ. Конденсатор заряжается по контуру до напряжения . В период формирования импульса накачки после включения напряжение на выводе увеличивается до , в то время как напряжение на входе остается низковольтным. Диод смещается в обратном направлении и блокирует напряжение . Функцию источника питания верхнего выходного каскада выполняет конденсатор , заряженный до напряжения . В остальном работа драйвера не отличается от работы рассмотренных выше схем управления СУ1 и СУ2. Резисторы и ограничивают емкостные токи в цепях затворов и , а стабилитроны и ограничивают напряжение на затворах транзисторов и исключают появление напряжения обратной полярности на выходах драйвера.

Принцип построения двухкаскадной схемы может быть обобщен на схемы с произвольным числом каскадов. При этом следует иметь в виду, что выход каждого предшествующего каскада (узел а или вывод ) должен быть соединен с общей шиной последующего, а верхний выход предшествующего каскада со входом последующего. Накопительный конденсатор в каждом каскаде положительной клеммой через зарядный резистор и разделительный диод подключен к источнику высокого напряжения, а отрицательной клеммой – к общей шине данного каскада. Таким образом, выходное напряжение схемы, прикладываемое к лампе, принципиально не ограничено. Если схема состоит из - каскадов, то формула переходного тока накачки принимает вид

. (45)

Емкость накопительного конденсатора в каждом из - каскадов определяется выражением

. (46)