Способ формирования управляющих импульсов с низким уровнем джиттера для полупроводниковых коммутирующих устройств

Авторы патента:

H02M1/08 - схемы для генерирования управляющих напряжений в полупроводниковых приборах, используемых в статических преобразователях

Владельцы патента RU 2752761:

Общество с ограниченной ответственностью "ПАРАМЕРУС" (RU)

Изобретение относится к области импульсной техники, в частности к высоковольтным импульсным генераторам и высоковольтным полупроводниковым коммутирующим устройствам. Техническим результатом является возможность программирования режимов работы, параметров коммутации и защит высоковольтных полупроводниковых коммутирующих устройств и высоковольтных импульсных генераторов без внесения дополнительного джиттера, обусловленного периодом тактирующего сигнала ПЛИС-микросхемы. Технический результат достигается тем, что формирование управляющих импульсов для управления полупроводниковыми коммутирующими устройствами осуществляется с помощью системы обработки входного сигнала, на входе которой установлен триггер Шмитта, подключенный к параллельно расположенным ПЛИС-микросхеме и микросхеме программируемой задержки, подключенным к микросхеме управления сигналом. Это позволяет снизить уровень джиттера, возникающий при логической обработке управляющего сигнала при помощи ПЛИС-микросхемы, менее периода тактирующего сигнала ПЛИС-микросхемы. 1 ил.

Изобретение относится к области импульсной техники, в частности к высоковольтным импульсным генераторам и высоковольтным полупроводниковым коммутирующим устройствам.

Техническим результатом является возможность программирования режимов работы, параметров коммутации и защит высоковольтных полупроводниковых коммутирующих устройств и высоковольтных импульсных генераторов без внесения дополнительного джиттера, обусловленного периодом тактирующего сигнала ПЛИС-микросхемы.

Результат достигается тем, что формирование управляющих импульсов для управления полупроводниковыми коммутирующими устройствами осуществляется с помощью системы обработки входного сигнала, на входе которой установлен триггера Шмидта, подключенный к параллельно расположенным ПЛИС-микросхеме/микропроцессору и микросхеме программируемой задержки, подключенным к микросхеме управления сигналом, это позволяет снизить уровень джиттера, возникающий при логической обработке управляющего сигнала при помощи ПЛИС-микросхемы/микропроцессора, менее периода тактирующего сигнала ПЛИС-микросхемы.

Известен патент CN102441231B ПЛИС-микросхема для управления твердотельным высоковольтным наносекундным импульсным генераторам (FPGA (field programmable gate array) control-based all-solid-state high-voltage nanosecond pulse generator). В указанном патенте описывается система управления высоковольтным генератором Маркса, в схеме в качестве коммутатора используются твердотельные элементы. Для управления коммутирущими элементами используется ПЛИС-микросхема, с помощью нее возможно управлять амплитудой выходного импульса, шириной импульса, частотой последовательности импульсов и количеством импульсов в пачке.

Недостатком данного способа является то, что ПЛИС-микросхема вносит дополнительную погрешность в управляющий сигнал, равную периоду тактирующего сигнала. Период тактирования современных ПЛИС-микросхем составляет более 1 нс., что сравнимо с длительностью импульсов наносекундных импульсных генераторов. Создаваемая погрешность недопустима для работы генератора.

Известен патент 2019142615/08(082965) «Устройство и способ управления высоковольтным полупроводниковым коммутирующим устройством». В указанном патенте описывается способ управления высоковольтным полупроводниковым коммутирующим устройством, используется развязывающий трансформатор подключаемый по мостовой схеме, первичная обмотка которого выполнена в виде одного разомкнутого витка высоковольтного провода, пропущенного через несколько ферритовых кольцевых сердечников, каждый из которых имеет вторичную обмотку, выполненную в виде нескольких витков провода с дополнительным выводом в средней точке, благодаря чему появляется возможность получения импульсов обоих полярностей на вторичной стороне. Данное устройство позволяет генерировать высоковольтные импульсы произвольной длительности с короткими передним и задним фронтом, увеличивать максимальную длину высоковольтного импульса.

Недостатком данного способа является то, что для получения высоковольтного импульса произвольной длительности на вывод трансформатора следует подать серию токовых импульсов с периодом, меньшим чем период саморазряда силового транзистора высоковольтной сборки. Управляющий сигнал должен непосредственно приходить в высоковольтное полупроводниковое коммутирующее устройство с необходимой частотой, что может внести ошибку в работу устройства из-за воздействия наводок и ошибок в формирующем сигнал устройстве.

Предлагаемое изобретение решает поставленную задачу и позволяет производить обработку сигнала микропроцессорным устройством с любым периодом тактирующего сигнала без внесения существенной погрешности в частоту следования высоковольтных импульсов. Это открывает возможность генерации импульсов заданной длины не зависимо от параметров входного сигнала, цифровой фильтрации сигнала, фильтрации входного сигнала по частоте, мониторинга состояния управляющего сигнала в реальном времени, генерации пачки импульсов по единичному входному сигналу, запрет генерации по сигналу с внешних датчиков, а так же реализации любых заданных пользователем алгоритмов генерации сигнала.

Результат достигается тем, что на сигнальный вход устройства добавляется система обработки входного сигнала, включающее в себя триггер Шмидта (1), микросхему программируемой задержки (2), микросхему управления сигналом (3) и микропроцессор (4).

На фиг. 1 представлена блок-схема системы обработки входного логического сигнала.

Устройство на фиг. 1 состоит из 4 функциональных узлов. Узел (1) представляет собой микросхему с функционалом триггера Шмидта. При достижении определённого уровня напряжения на входе (1), выход (1) переходит в высокое состояние. Аналогичным образом происходит и переход в низкое состояние. Узел (2) представляет собой микросхему с функцией задержки входного сигнала. Время задержки должно быть достаточным для того, чтобы получение сигнала (3) от (4) всегда было раньше, чем (3) от (2). Таким образом, задержка (2) должна быть не менее, чем сумма периода тактирующего сигнала (4) и джиттер (2). Узел (3) представляет собой микросхему, выходной сигнал которой в зависимости от управляющего сигнала может повторять значение сигнала на входе (высокое или низкое), а также принудительно переходить в высокое или в низкое состояние. Узел (4) представляет собой микропроцессор/ПЛИС, выполняющий обработку входного сигнала.

Узел (4) управляет узлом (3) по следующему принципу. Изначально выход (3) находится в принудительно низком состоянии. После получения сигнала, узел (4) выполняет операции с ним и переводит выход узла (3) в состояние, идентичное входу в случае допустимости генерации сигнала. Продолжительность нахождения узла (3) в данном состоянии должна быть достаточной для получения сигнала узлом (3) при любом возможном взаимном временном расположении внешнего сигнала и тактирующего сигнала узла (4). При верном выборе времени задержки оптимальная продолжительность пропускающего состояния составляет два периода тактирующего сигнала узла (4). К этому моменту на выход устройства приходит сигнал, добавочный джиттер которого равен суммарному джиттеру узлов (1), (2) и (3). Затем узел (4) переводит узел (3) в любое из возможных состояний в соответствии с исполняемой программой.

Поскольку к моменту поступления на вход узла (3) сигнала, разрешённого микросхемой (4), состояние её выхода повторяет состояние входа, тактовая частота работы микропроцессора/ПЛИС не оказывает влияния на джиттер сигнала на выходе узла (3). Суммарный джиттер прошедшего сигнала будет равна суммарному джиттеру узлов (1), (2) и (3), что многократно меньше минимально возможного периода тактирующего сигнала и составляет порядка 20 пс.

Способ формирования управляющих импульсов с низким уровнем джиттера для полупроводниковых коммутирующих устройств осуществляется с помощью системы обработки входного сигнала, на входе которой установлен триггер Шмитта, подключенный к параллельно расположенным ПЛИС-микросхеме и микросхеме программируемой задержки, подключенным к микросхеме управления сигналом, при этом время задержки микросхемы программируемой задержки должно быть достаточным для того, чтобы получение сигнала микросхемой управления сигналом от ПЛИС-микросхемы всегда было раньше, чем получение сигнала микросхемой управления сигналом от микросхемы программируемой задержки.

Изобретение относится к электротехнике, в частности к области преобразовательной техники и автоматизированного электропривода. Технический результат - повышение функциональности устройства контроля фазировки.

Управление нагревательными элементами // 2718156

Изобретение относится к области управления одной или несколькими коммутируемыми нагрузками большой мощности, в частности кухонным оборудованием. Технический результат заключается в снижении флуктуации напряжения в линии электропитания вследствие коммутации в линии электропитания оборудования.

Многозонный выпрямитель однофазного переменного тока // 2716139

Многозонный выпрямитель однофазного переменного тока может быть использован на электроподвижном составе, получающем питание от контактной сети переменного тока. Технический результат заключается в повышении энергоэффективности за счет повышения его коэффициента полезного действия благодаря снижению дополнительного потребления энергии системой управления во время создания сигналов управления для всех тиристорных плеч и снижению потерь в тиристорных плечах, а также за счет повышения коэффициента мощности благодаря меньшему фазовому сдвигу между током и напряжением в первичной обмотке трансформатора.

Способы и системы для управления коммутацией напряжения // 2713140

Изобретение относится к области электротехники. Технический результат заключается в уменьшении массогабаритных показателей системы питания.

Способ управления включенными параллельно обратнопроводящими полупроводниковыми переключателями // 2711346

Изобретение относится к области электротехники и может быть использовано для управления по меньшей мере двумя обратнопроводящими полупроводниковыми переключателями. Тезхническим результатом является повышение пропускной мощности преобразователя тока.

Способ управления включенными параллельно обратнопроводящими полупроводниковыми переключателями // 2711346

Выпрямитель // 2709454

Изобретение относится к области электротехники и может использоваться для преобразования переменного тока в постоянный. Техническим результатом является упрощение.

Устройство для формирования минимальных углов управления // 2709026

Изобретение относится к электротехнике и может быть использовано, в частности, для управления преобразователем на электроподвижном составе переменного тока. Технический результат заключается в повышении коэффициента мощности за счет применения нового способа формирования минимальных углов управления, не зависящих от искажения формы напряжения.

Возбуждающее устройство // 2706732

Изобретение относится к области электротехники. Технический результат заключается в уменьшении потерь при переключении и пресечении выброса напряжения.

Способ получения высоковольтного импульсного напряжения в индуктивной нагрузке // 2701553

Изобретение относится к области электротехники, в частности к преобразованию постоянного напряжения в переменное, и предназначено для устранения условия появления кратковременных импульсных электромагнитных помех при получении высоковольтного импульсного напряжения в индуктивной нагрузке. Способ получения высоковольтного импульсного напряжения в индуктивной нагрузке заключается в обеспечении с помощью первого управляемого ключа периодических подключений индуктивной нагрузки к выходам источника высоковольтного постоянного напряжения, периодических отключений и подключений цепи управления вторым управляемым ключом с помощью первого управляемого переключателя, а также периодической подачи низковольтного напряжения с выхода источника низковольтного постоянного напряжения в цепь управления второго управляемого ключа через второй управляемый переключатель.

Программно-аппаратные решения по управлению igbt модулями на основе драйвера на микроконтроллере // 2752780

Изобретение относится к силовым модулям на основе биполярных транзисторов с изолированным затвором. Технический результат изобретения заключается в расширении арсенала средств регистрации данных о режиме работы IGBT модулей для формирования сигналов корректировки режима работы через кусочно-линейную аппроксимацию модели транзистора при расчете температуры, при этом схема драйвера реализована в контроллере, который создает опорное Vref напряжение для операционного усилителя, создающего управляющее напряжение на затворе транзистора G. Транзисторный буфер создает необходимый ток iG перезарядки емкости затвора G. Дополнительная цепь измеряет напряжение VEe, пропорциональное току iC, выделяющееся на индуктивности LE и сопротивлении RE эмиттерного вывода транзистора. Это напряжение VEe участвует в измерении тока коллектора и в формировании сигнала ошибки - большой ток эмиттера. Также VEe подают на операционный усилитель (ОУ), замыкая обратную связь по току. Это контур безопасного токового режима: больше ток iC - меньше управляющий сигнал на затворе. Второй контур безопасного режима - по напряжению. Напряжение коллектора Uc через дифференциальную цепь Cv подают на ОУ, замыкая обратную связь по изменению напряжения Uc. Быстрый рост напряжения (обычно при выключении) вызывает повышение напряжения на затворе, затягивая фронт роста напряжения коллектора Uc, при этом кусочно-линейная аппроксимация модели транзистора описывает напряжение насыщения как: Usat=Vo+(Ro+Температура/K)*Ic, и температуру кристалла рассчитывают в соответствии с зависимостью: Температура = ((Usat-Vo)/Ic-Ro)*K+To. 3 ил.