PL228153B1 - Układ przekształtnika rezonansowego z impulsowym pobudzaniem drgan - Google Patents

Description

Przedmiotem wynalazku jest układ przekształtnika rezonansowego z impulsowym pobudzaniem drgań przeznaczony do zasilania odbiorników o charakterze pojemnościowym jak reaktory plazmy nietermicznej typu DBD.

Znane z literatury np. M.K., Czarkowski D.: „Resonant power converters” New York 1995 układy przekształtników rezonansowych w których do obwodu rezonansowego dostarczana jest energia w sposób ciągły. W przypadku gdy odbiornik wymaga zasilania wysokim napięciem stosuje się transformatory podwyższające jak to przedstawiono w amerykańskich opisach patentowych [3,784,838] [5,845,488]. Najczęściej znane i opisane przekształtniki rezonansowe z transformatorem podwyższającym posiadają niezależny obwód rezonansowy składający się z elementu indukcyjnego L oraz z kondensatora C jak to przedstawiają opisy następujących patentów US.: [3,455,803] [4,706,182] [3,800,210] [5,278,492] [5,285,372], WO 2009/091273 A1 oraz PL 217265 B1. W przypadku gdy nie zastosowano dodatkowego elementu indukcyjnego L wykorzystuje się indukcyjność rozproszenia transformatora wysokiego napięcia, której wartość można ustalić za pomocą współczynnika sprzężenia magnetycznego k pomiędzy uzwojeniem pierwotnym i wtórnym transformatora. Znane z literatury Kazimierczuk M.K., Czarkowski D.: „Resonant power converters” New York 1995 układy przekształtników rezonansowych przeznaczone do zasilania reaktorów plazmy nietermicznej mają topologie półmostka lub pełnego mostka półprzewodnikowego. Taka konstrukcja narzuca algorytm sterowania w którym półprzewodniki są załączane na czas odpowiadający półfali drgań własnych obwodu. Z amerykańskiego opisu patentowego 2008211478 znany jest przekształtnik, w którym zmiany parametrów elektrycznych dokonuje się poprzez efektywne zmiany indukcyjności lub pojemności. Aby regulować efektywnie wartość napięcia i prądu obciążenia koniecznie jest zastosowanie dodatkowego przekształtnika regulującego wartość napięcia źródła zasilania, lub dodatkowe obwody regulacji. Z polskiego opisu patentowego PL217265 znany jest układ składający się z transformatora, obciążenia kondensatora charakteryzuje się tym, że główny obwód rezonansowy połączony jest poprzez blok pojemności transportującej energię z blokiem sterowania składającym się z dwóch dodatkowych niskostratnych obwodów utworzonych przez szeregowe połączenie w pierwszym obwodzie: pierwszego dławika, pierwszego łącznika półprzewodnikowego i pierwszej diody oraz w drugim obwodzie: drugiej diody, drugiego dławika i drugiego łącznika półprzewodnikowego, w których to obwodach załączanych na przemian przez łączniki pierwszy i drugim z regulowanym opóźnieniem względem każdorazowego przejścia przez zero wartości napięcia głównego kondensatora rezonansowego, generowany jest ładunek elektryczny w postaci krótkotrwałych impulsów prądowych zasilających główny obwód rezonansowy, przy czym pierwszy dławik połączony jest z pierwszym biegunem źródła zasilania, zaś drugi łącznik połączony jest z drugim biegunem źródła zasilania.

Wadą tych rozwiązań jest konieczność zastosowania dwóch elementów indukcyjnych, lub zastosowanie takiej wartości współczynnika k sprzężenia magnetycznego aby uzyskać zaplanowaną częstotliwość pracy przekształtnika. W przypadku powyższego rozwiązania wzrasta waga i gabaryty transformatora wysokiego napięcia.

Układ przekształtnika rezonansowego z impulsowym pobudzaniem drgań przeznaczony zwłaszcza do zasilania reaktorów zimnej plazmy typy DBD, według wynalazku, zawierający główny obwód rezonansowy składający się z transformatora, obciążenia i kondensatora lub obciążenia o charakterze pojemnościowym, charakteryzuje się tym, że główny obwód rezonansowy tworzy uzwojenie strony wtórnej transformatora, do którego przyłączono w sposób równoległy pierwszy kondensator i obciążenie lub obciążenie o charakterze pojemnościowym, przy czym pierwszy zacisk uzwojenia strony pierwotnej transformatora połączony jest z anodą pierwszej diody, pierwszym biegunem drugiego kondensatora oraz anodą drugiej diody. Katoda pierwszej diody połączona jest z drugim biegunem drugiego kondensatora oraz z punktem wspólnego połączenia elektrod łączników półprzewodnikowych: pierwszego i drugiego, stanowiących blok łączników. Druga elektroda pierwszego łącznika półprzewodnikowego połączona jest z katodą drugiej diody i pierwszym biegunem źródła zasilania, zaś druga elektroda drugiego łącznika półprzewodnikowego i drugi biegun źródła zasilania oraz drugi zacisk uzwojenia strony pierwotnej transformatora tworzą wspólny punkt połączeń. Oba łączniki w opisanej topologii przewodzą prąd jednokierunkowo, stąd korzystnie jest stosować łączniki półprzewodnikowe takie jak tranzystory typu IGBT, MOSFET, MTC.

Korzystnie blok łączników stanowi gałąź szeregowego połączenia trzeciej diody z pierwszym łącznikiem półprzewodnikowym oraz gałąź szeregowego połączenia czwartej diody z drugim łączniPL 228 153 B1 kiem półprzewodnikowym w dowolnej kolejności, przy czym obie gałęzie są połączone również w sposób szeregowy.

Korzystnie blok łączników stanowi trzecia dioda, której katoda połączona jest z pierwszym biegunem pierwszego łącznika półprzewodnikowego oraz katodą siódmej diody i pierwszym biegunem trzeciego kondensatora. Drugi biegun pierwszego łącznika półprzewodnikowego połączony jest z pierwszym biegunem drugiego łącznika półprzewodnikowego, którego drugi biegun połączony jest z anodą czwartej diody, której katoda połączona jest jednocześnie z anodą piątej diody i z pierwszym biegunem czwartego kondensatora, którego drugi biegun połączony jest jednocześnie z anodą siódmej diody i katodą szóstej diody. Anoda szóstej diody połączona jest z katodą piątej diody i drugim biegunem trzeciego kondensatora.

Taka topologia pozwala na wyeliminowanie konieczności stosowania dodatkowych dławików gdyż w celu uzyskania impulsów wykorzystuje się indukcyjność rozproszenia transformatora co ma istotny wpływ na znaczne zredukowanie objętości i masy przekształtnika rezonansowego, ponieważ jako element indukcyjny L elektrycznego obwodu rezonansowego wykorzystuje się sumę tj. indukcyjność magnesującą (główną) i rozproszenia transformatora. W przypadku gdy obciążenie uzwojeń strony wtórnej transformatora stanowi reaktor plazmy nietermicznej typy DBD energia jest dostarczana do głównego obwodu rezonansowego tej części okresu drgań w którym ma miejsce proces koronowania. Dostarczanie energii do reaktora typu DBD w sposób impulsowy zsynchronizowany z etapem narastania napięcia na reaktorze DBD prowadzi do wzrostu tzw. napięcia zapłonu plazmy w reaktorze, efektem czego jest wzrost energii elektronów jonizacji gazu reaktora co jest zjawiskiem pożądanym. Szybkość narastania napięcia na reaktorze DBD w zaproponowanym rozwiązaniu jest regulowana poprzez zmianę czasu wysterowania łączników.

Wynalazek przedstawiony jest w przykładach wykonania i na rysunku, na którym fig. 1 przedstawia schemat układu, fig. 2 przedstawia blok łączników 2 w przykładowym wykonaniu łączników z użyciem tranzystorów IGBT oraz diod połączony w sposób szeregowy z każdym z tranzystorów, fig. 3 przedstawia blok łączników 2, w którym łącznikami są tranzystory IGBT z dodatkowym obwodem zabezpieczającym tranzystory przed nadmiernym wzrostem napięcia na tranzystorach.

P r z y k ł a d 1

Główny obwód rezonansowy 4 układu przekształtnika rezonansowego z impulsowym pobudzaniem drgań tworzą uzwojenie strony wtórnej transformatora Tr, do którego przyłączono w sposób równoległy kondensator C1 i obciążenie Odb. Główny układ rezonansowy 4 poprzez blok 3 połączony jest z blokiem łączników 2. Blok 3 stanowi dioda D1 i kondensator C2 połączone w sposób równoległy. Pierwszy zacisk uzwojenia strony pierwotnej transformatora Tr połączony jest z anodą diody D1 pierwszym biegunem kondensatora C2 oraz anodą diody D2. Katoda diody D1 połączona jest z drugim biegunem kondensatora C2 oraz z punktem wspólnego połączenia elektrod łączników S1 i S2. Łączniki S1 i S2 stanowią blok łączników 2. Druga elektroda łącznika S1 połączona jest z katodą diody D2 i pierwszym biegunem źródła zasilania Ud, zaś druga elektroda łącznika S2 i drugi biegun źródła zasilania Ud oraz drugi zacisk uzwojenia strony pierwotnej transformatora Tr tworzą wspólny punkt połączeń.

P r z y k ł a d 2

Układ jak w przykładzie pierwszym, z tym, że blok łączników 2 wykonano z użyciem tranzystorów IGBT oraz diod. Blok łączników 2 stanowi gałąź szeregowego połączenia diody D3 z łącznikiem półprzewodnikowym S1 oraz gałąź szeregowego połączenia diody D4 z łącznikiem półprzewodnikowym S2 w dowolnej kolejności, przy czym obie gałęzie są połączone również w sposób szeregowy.

P r z y k ł a d 3

Układ jak w przykładzie pierwszym, z tym, że w bloku łączników 2 łącznikami są tranzystory IGBT z dodatkowym obwodem zabezpieczającym tranzystory przed nadmiernym wzrostem napięcia na tranzystorach. Blok łączników 2 stanowi dioda D3, której katoda połączona jest z pierwszym biegunem łącznika półprzewodnikowego S1 oraz katodą diody D7 i pierwszym biegunem kondensatora C3, drugi biegun łącznika półprzewodnikowego S1 połączony jest z pierwszym biegunem łącznika półprzewodnikowego S2, którego drugi biegun połączony jest z anodą diody D4, której katoda połączona jest jednocześnie z anodą diody D5 i z pierwszym biegunem kondensatora C4. Drugi biegun kondensatora C4 połączony jest jednocześnie z anodą diody D7 i katodą diody D6, której anoda połączona jest z katodą diody D5 i drugim biegunem kondensatora C3.

Claims (3)

1. Układ przekształtnika rezonansowego z impulsowym pobudzaniem drgań przeznaczony zwłaszcza do zasilania reaktorów zimnej plazmy typy DBD zawierający główny obwód rezonansowy składający się z transformatora, obciążenia i kondensatora lub obciążenia o charakterze pojemnościowym, znamienny tym, że główny obwód rezonansowy (4) tworzy uzwojenie strony wtórnej transformatora (Tr), do którego przyłączono w sposób równoległy pierwszy kondensator kondensator (Ci) i obciążenie (Odb) lub obciążenia o charakterze pojemnościowym, przy czym pierwszy zacisk uzwojenia strony pierwotnej transformatora (Tr) połączony jest z anodą pierwszej diody (D1), pierwszym biegunem drugiego kondensatora (C2) oraz anodą drugiej diody (D2), zaś katoda pierwszej diody (D1) połączona jest z drugim biegunem drugiego kondensatora (C2) oraz z punktem wspólnego połączenia elektrod łączników półprzewodnikowych pierwszego (S1) i drugiego (S2), stanowiących blok łączników (2), przy czym druga elektroda pierwszego łącznika półprzewodnikowego (S1) połączona jest z katodą drugiej diody (D2) pierwszym biegunem źródła zasilania (Ud), zaś druga elektroda drugiego łącznika półprzewodnikowego (S2) i drugi biegun źródła zasilania (Ud) oraz drugi zacisk uzwojenia strony pierwotnej transformatora (Tr) tworzą wspólny punkt połączeń.

2. Układ według zastrz. 1, znamienny tym, że blok łączników (2) stanowi gałąź szeregowego połączenia trzeciej diody (D3) z pierwszym łącznikiem półprzewodnikowym (S1) oraz gałąź szeregowego połączenia czwartej diody (D4) z drugim łącznikiem półprzewodnikowym (S2) w dowolnej kolejności, przy czym obie gałęzie są połączone również w sposób szeregowy.

3. Układ według zastrz. 1, znamienny tym, że blok łączników (2) stanowi trzecia dioda (D3) której katoda połączona jest z pierwszym biegunem pierwszego łącznika półprzewodnikowego (S1) oraz katodą siódmej diody (D7) i pierwszym biegunem trzeciego kondensatora (C3), a drugi biegun pierwszego łącznika półprzewodnikowego (S1) połączony jest z pierwszym biegunem drugiego łącznika półprzewodnikowego (S2), którego drugi biegun połączony jest z anodą czwartej diody (D4), której katoda połączona jest jednocześnie z anodą piątej diody (D5) i z pierwszym biegunem czwartego kondensatora (C4), którego drugi biegun połączony jest jednocześnie z anodą siódmej diody (D7) i katodą szóstej diody (D6), zaś anoda szóstej diody (D6) połączona jest z katodą piątej diody (D5) i drugim biegunem trzeciego kondensatora (C3).