具有正負脈沖輸出的全固態(tài)高壓脈沖電流源的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明屬于電源【技術(shù)領(lǐng)域】，具體涉及一種具有正負脈沖輸出的全固態(tài)高壓脈沖電流源。本發(fā)明的全固態(tài)高壓脈沖電流源由一系列串聯(lián)的基本放電單元（半橋電路或全橋電路）構(gòu)成，同時將電感與負載串聯(lián)。本發(fā)明以低壓的半橋或全橋電路作為串聯(lián)電路的基本放電單元，可以有效降低系統(tǒng)充電電壓，使電源安全可靠性得到提高，體積大為降低；通過調(diào)節(jié)開關(guān)管同步控制信號可使電源具有極強的可調(diào)性，尤其在輸出電壓、脈寬以及工作頻率等方面具有很強的靈活性；通過對各個放電單元的異步控制也可對輸出脈沖波形進行細節(jié)修飾，有利于獲得更為精確的脈沖輸出。
【專利說明】具有正負脈沖輸出的全固態(tài)高壓脈沖電流源
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于電源【技術(shù)領(lǐng)域】，具體涉及一種具有正負脈沖輸出的全固態(tài)高壓脈沖電流源。
【背景技術(shù)】
[0002]目前，高壓脈沖電流源被廣泛應用于科研、國防及工業(yè)生產(chǎn)領(lǐng)域，如電火花加工、等離子體放電、激光器電源、脈沖電磁干擾源、加速器踢軌(kicker)電源以及特種材料制備改性等。傳統(tǒng)系統(tǒng)中，多采用高壓電容器或脈沖形成網(wǎng)絡(luò)通過觸發(fā)管或閘流管對負載放電。
[0003]傳統(tǒng)高壓脈沖電流源通常采用分立器件實現(xiàn)脈沖高壓輸出，即電源各部分均為高壓器件，例如高壓電容器、高壓傳輸線、高壓充電源以及高壓氫閘流管等。高壓分立器件的使用，造成系統(tǒng)體積龐大，成本高昂，尤其在需要窄脈沖電流的場合，高壓傳輸線和脈沖形成網(wǎng)絡(luò)往往需要較大空間，同時為了獲得方波脈沖，需要對負載進行阻抗匹配，這在一定程度上降低了系統(tǒng)的效率，且不利于電源的重頻工作。高壓的開關(guān)器件，如閘流管、三電極開關(guān)以及引燃管等，在工作電壓方面不能靈活調(diào)整，且工作特性與工作電壓有直接相關(guān)性，因此不利于獲得穩(wěn)定的且波形可調(diào)的脈沖波，這一點也限制了高壓脈沖電流源的應用。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]本發(fā)明的目的在于提供一種體積小、壽命長、故障率低、電流脈沖參數(shù)易于調(diào)整、具有正負脈沖輸出的全固態(tài)高壓脈沖電流源。
[0005]本發(fā)明提出的具有正負脈沖輸出的全固態(tài)高壓脈沖電流源，由一系列串聯(lián)的基本放電單元(半橋電路或全橋電路)構(gòu)成，同時將電感與負載串聯(lián)。充電單元直接與放電單元中的電容器相連，用于對其進行充電；放電單元串聯(lián)連接用于產(chǎn)生高壓，然后與電感以及負載串聯(lián)連接，構(gòu)成回路。以低壓的半橋或全橋電路作為串聯(lián)電路的基本單元，可以有效降低系統(tǒng)充電電壓，使電源安全可靠性得到提高，體積大為降低；通過調(diào)節(jié)開關(guān)管(如MOSFET以及IGBT)同步控制信號可使電源具有極強的可調(diào)性，尤其在輸出電壓、脈寬以及工作頻率等方面具有很強的靈活性；通過對各個放電單元的異步控制也可對輸出脈沖波形進行細節(jié)修飾，有利于獲得更為精確的脈沖輸出。
[0006]串聯(lián)的半橋電路基本放電單元為半橋電路，所述半橋電路由2個電容器、2個開關(guān)管以及相應驅(qū)動電路經(jīng)電路連接構(gòu)成，2個電容器與2個開關(guān)管均串聯(lián)連接，然后構(gòu)成并聯(lián)關(guān)系，它們的公共端即為半橋電路的輸出端；驅(qū)動電路通常直接與開關(guān)管驅(qū)動極相連。開關(guān)管的控制可調(diào)整放電電壓極性，從而在電感以及負載上獲得不同方向的脈沖電流。采用半橋電路構(gòu)成的脈沖電流源其特點主要是:輸出電流脈沖多為三角形或多個三角形脈沖電流的疊加。通過調(diào)整放電單元對負載放電時間，可改變負載上的電流脈沖前沿；通過改變放電電壓幅值可改變負載上電流幅值；電流脈沖的下降沿則由負載、電感、電容器以及回路雜散參數(shù)決定。在充電階段各級半橋放電單元對地電位一致，在電容器通過開關(guān)管串聯(lián)放電時亥IJ，各級半橋放電單元存在一定的電位差，因此電容器充電系統(tǒng)需要考慮放電時刻各個放電單元間的相互隔離問題，即設(shè)置隔離，該隔離可以是磁環(huán)隔離，也可以是光纖隔離。相應的，開關(guān)管控制系統(tǒng)同樣按照隔離方式的不同分為兩種:磁環(huán)隔離控制系統(tǒng)以及光纖隔離控制系統(tǒng)，前者主要依靠磁耦合控制信號或驅(qū)動信號，后者依靠光電系統(tǒng)耦合控制信號。當充電系統(tǒng)與控制系統(tǒng)匹配運行時，可獲得重復頻率脈沖輸出。
[0007]串聯(lián)的全橋電路結(jié)構(gòu)與上述的電路結(jié)構(gòu)類似，基本的放電單元為全橋電路，所述全橋電路由I個電容器、4個開關(guān)管及相關(guān)驅(qū)動電路經(jīng)電路連接構(gòu)成，4個開關(guān)管兩兩串聯(lián)構(gòu)成2個橋臂，2個橋臂均與電容器構(gòu)成并聯(lián)關(guān)系，兩個橋臂開關(guān)管的公共端即為該全橋電路的輸出端口 ；驅(qū)動電路通常直接與開關(guān)管驅(qū)動極相連。兩種電路結(jié)構(gòu)在充電及控制系統(tǒng)方面較為一致，但是全橋放電單元構(gòu)成的電路能夠在負載上產(chǎn)生近似方波電流脈沖，依靠開關(guān)管的時序控制，可以使負載以及與之串聯(lián)的電感獲得續(xù)流通路，從而維持負載上的電流。由于續(xù)流回路存在損耗，為了得到電流脈沖平頂，可通過規(guī)定某一級或幾級作為平頂補償單元，改變補償單元的充電電壓以及導通時序，可改變輸出電流平頂斜度，目的是在脈沖電流續(xù)流階段維持合適的低電壓放電補償續(xù)流回路損耗，從而抑制電流脈沖的頂降。對于一些特殊的需要，也可通過補償機制產(chǎn)生各種異形電流脈沖。
[0008]無論是對于放電單元采用全橋電路結(jié)構(gòu)還是半橋電路結(jié)構(gòu)的全固態(tài)高壓脈沖電流源，都可以通過控制每一個放電單元的工作狀態(tài)來調(diào)整電壓脈沖。也可以使一個或多個放電單元不工作，同時不影響其他放電單元的正常運行，以此改變輸出脈沖的幅值。同時，電路結(jié)構(gòu)使得放電單元不存在動態(tài)均壓問題，有利于全固態(tài)高壓脈沖電流源的安全可靠運行及維護。
[0009]由于上述技術(shù)方案的使用，本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比具有以下優(yōu)勢:
1.電源系統(tǒng)均由低壓器件構(gòu)成，因此成本較低，體積較小；
2.采用全固態(tài)器件構(gòu)成的電路系統(tǒng)，使得輸出脈沖波形可調(diào)，如前后沿、脈沖電流峰值、脈沖寬度以及平頂頂降等；
3.放電單元中的半導體開關(guān)管在導通和關(guān)斷過程中不會面臨過壓擊穿的危險。單個放電單元的故障不會對其他開關(guān)的正常運行產(chǎn)生影響；
4.充電電源只需要低壓直流電源或是低壓高頻交流電源，與傳統(tǒng)方案中使用的高壓直流電源相比大大降低了成本；
5.既能產(chǎn)生單向脈沖，又能產(chǎn)生雙向脈沖；
6.不需要使用匹配電阻，提高了系統(tǒng)運行效率，有利于電源的重頻運行。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0010]圖1為放電單元為半橋電路結(jié)構(gòu)的具有正負脈沖輸出能力的三級全固態(tài)高壓脈沖電流源實施方式結(jié)構(gòu)圖。
[0011]圖2為放電單元為全橋電路結(jié)構(gòu)的具有正負脈沖輸出能力的三級全固態(tài)高壓脈沖電流源實施方式結(jié)構(gòu)圖。
[0012]圖中標號:
101、102、103、104、105、106 —電容器或電容器組，如電解電容、陶瓷電容、薄膜電容、安規(guī)電容以及脈沖成形網(wǎng)絡(luò)等已知的電荷存儲元件；
111、112、113、114、115、116—開關(guān)器件(放電開關(guān))，如 BJT、可控硅、IGBT、M0SFET、GT0、IGCT、各類閘流管以及氣體開關(guān)等已知的開關(guān)器件，通常該開關(guān)內(nèi)部需集成一只反并聯(lián)二極管，也可外加；
121、122、123、124、125、126—放電開關(guān)的驅(qū)動電路單元或觸發(fā)電路單元，各種驅(qū)動觸發(fā)電路或驅(qū)動芯片；
131、132、133、134、135、136—驅(qū)動信號線，可通過磁耦合或光纖耦合提供信號至開關(guān)驅(qū)動單元；
141、142、143—電容器充電單元，包括電阻限流充電、電感限流充電以及變壓器升壓充電等結(jié)構(gòu)；
151—電感器，鐵芯電感器或空心電感器，已電流形式存儲能量；
161—負載。
[0013]2001、2002、2003—電容器或電容器組，如電解電容、陶瓷電容、薄膜電容、安規(guī)電容等已知的電荷存儲元件；
2101、2102、2103、2104、2105、2106、2107、2108、2109、2110、2111、2112—開關(guān)器件(放電開關(guān))，如BJT、可控硅、IGBT、M0SFET、GT0、IGCT、各類閘流管以及氣體開關(guān)等已知的開關(guān)器件，通常該開關(guān)內(nèi)部需集成一只反并聯(lián)二極管，也可外加；
2201、2202、2203、2204、2205、2206、2207、2208、2209、2210、2211、2212—放電開關(guān)的驅(qū)動電路單元或觸發(fā)電路單元，各種驅(qū)動觸發(fā)電路或驅(qū)動芯片；
2301、2302、2303、2304、2305、2306、2307、2308、2309、2310、2311、2312 —驅(qū)動信號線，可通過磁耦合或光纖耦合提供信號至開關(guān)驅(qū)動單元；
2401、2402、2403—包括電阻限流充電、電感限流充電以及變壓器升壓充電等結(jié)構(gòu)； 2501—電感器，鐵芯電感器或空心電感器，已電流形式存儲能量；
2601—負載。
【具體實施方式】
[0014]本發(fā)明涉及用于在負載上產(chǎn)生雙極性脈沖電流的系統(tǒng)和方法。用半導體開關(guān)開通和關(guān)斷的特性，將輸出的高壓脈沖施加于感性以及負載上，電感作為儲能元件提供電流脈沖，并且輸出脈沖的寬度、頻率、邊沿和幅值都易于調(diào)節(jié)。
[0015]本發(fā)明的實施方式按照放電單元結(jié)構(gòu)分為2種，具體實例以三級放電單元串聯(lián)作為基本結(jié)構(gòu)，實際應用中放電單元的串聯(lián)級數(shù)也可根據(jù)需要靈活增減。其描述如下:
圖1示出基于半橋放電單元的實施方式實例。圖中，基本放電單元有三個，其串聯(lián)后與電感及負載直接相連構(gòu)成回路。每個基本放電單元分別由2個電容器，2個開關(guān)管，2個開關(guān)驅(qū)動以及I個電容器充電單元組成。2個電容器與2個開關(guān)管均串聯(lián)連接，然后構(gòu)成并聯(lián)關(guān)系，它們的公共端即為半橋電路的輸出端；驅(qū)動電路通常直接與開關(guān)管驅(qū)動極相連；電容器充電單元分別接至2個串聯(lián)電容器的兩端，對其進行充電。
[0016]該實施方式中，各級充電單元(141?143)首先對電容器(IOf 106)充電，當電容器(IOf 106)電壓穩(wěn)定后，如果開關(guān)驅(qū)動(122、124、126)分別對開關(guān)管(112、114、116)發(fā)出驅(qū)動信號，則電容器(102、104、106)、開關(guān)管(112、114、116)、電感(151)以及負載(161)構(gòu)成放電回路，電感(151)和負載(161)上承受正脈沖電壓，此時電感(151)上出現(xiàn)向下的電流，且其值逐漸增大。開關(guān)管(112、114、116)開通時間越長，電感(151)上的電流越大，但是其峰值與前沿也與電容器(102、104、106)的容量有關(guān)。在放電過程中，當開關(guān)驅(qū)動(122、124、126)發(fā)出置低的驅(qū)動信號時，開關(guān)管(112、114、116)關(guān)斷,此時電感(151)、開關(guān)管(111、113、115)的反并聯(lián)二極管、負載(161)以及電容器(101、103、105)構(gòu)成續(xù)流回路，此時電感(151)和負載(161)上的電壓為負高壓，電感(151)的電流會持續(xù)下降至零，此過程中電感(151)的儲能轉(zhuǎn)移至電容器(101、103、105)以及負載(161)中。以上過程便會在負載(161)上產(chǎn)生一個方向向下的類似三角波的電流脈沖，其幅值可通過改變開關(guān)(112、114、116)的導通時間控制。同理，如果在電容器(13廣136)電壓穩(wěn)定后，首先開通開關(guān)(111、113、115)，則會在電感(151)上產(chǎn)生一個向上的脈沖電流。驅(qū)動線(13廣136)上的驅(qū)動信號通?？赏ㄟ^變壓器耦合提供或者光纖耦合提供。
[0017]圖2的實施方式實例是基于全橋結(jié)構(gòu)的三級高壓脈沖電流源，其與圖1所示半橋放電單元構(gòu)成的回路最大不同在于:通過移相控制可在負載上獲得窄脈沖電流，且能夠為負載提供低損耗無吸收的續(xù)流回路，從而能夠在負載上提供電流脈沖平頂。圖中，基本放電單元有三個，其串聯(lián)后與電感及負載直接相連構(gòu)成回路。每個基本放電單元分別由I個電容器，4個開關(guān)管，4個開關(guān)驅(qū)動以及I個電容器充電單元組成。4個開關(guān)管兩兩串聯(lián)構(gòu)成2個橋臂，2個橋臂均與電容器構(gòu)成并聯(lián)關(guān)系，兩個橋臂開關(guān)管的公共端即為該全橋電路的輸出端口 ；驅(qū)動電路通常直接與開關(guān)管驅(qū)動極相連；電容器充電單元接至電容器的兩端，對其進行充電。
[0018]以圖2所示電路結(jié)構(gòu)為例，當電容器(200廣2003)充好電后，開關(guān)管(2101、2103、2105、2107、2109、2111)開通后在電感(2501)和負載(2601)上獲得高壓正脈沖，在實際控制中，由于開關(guān)管存在最短導通時間，直接控制往往難以得到較窄脈沖寬度，在如圖2所示電路中，可先同時給開關(guān)管(2101、2105、2109) —定時間的導通驅(qū)動信號,延時一段時間后再給開關(guān)管(2103、2107、2111)同樣時間寬度的驅(qū)動信號，使兩個驅(qū)動信號存在公共交疊的區(qū)域，從電路原理上看，驅(qū)動信號的交疊區(qū)即是負載上獲得高壓脈沖的寬度，因此通過移相控制可獲得窄脈沖。當高壓脈沖施加于電感(2501)和負載(2601)上后，負載電流線性上升，當開關(guān)管(2101、2105、2109)關(guān)斷時，電感(2501)、負載(2601)、開關(guān)管(2103、2107、2111)以及開關(guān)管(2104、2108、2112)的反并聯(lián)二極管構(gòu)成續(xù)流回路，該回路損耗主要由各器件的導通電阻或?qū)▔航禌Q定。當開關(guān)管(2103、2107、2111)關(guān)斷時，電流便會沿開關(guān)管(2102、2104、2106、2108、2110、2112)的反并聯(lián)二極管、電容器(2001 ?2003)電感(2501)以及負載(2601)流通，這個過程中，電感(2501)及負載(2601)承受負高壓，電流降低，能量轉(zhuǎn)移至電容器(200廣2003)和負載(2601)中，至此單方向上的放電過程結(jié)束，在感性負載上產(chǎn)生有一定平頂?shù)拿}沖電流波形。通過控制開關(guān)管(210廣2112)的導通時序，可在負載上獲得雙極脈沖波形。
[0019]在平頂階段，由于續(xù)流回路存在一定損耗，直接續(xù)流的過程中電流值會有所降低，形成一定的頂降。為了補償這一部分損耗，可將整個電路中的部分放電單元單獨控制作為平頂補償部分，即在電感續(xù)流階段，該部分仍然輸出一定幅值的脈沖電壓來維持電感及負載上的電流，保持電流平頂。通過改變平頂補償部分的輸出電壓值可以調(diào)節(jié)平頂補償程度，從而可以根據(jù)負載的實際情況靈活選擇控制方式。
[0020]在本發(fā)明所述的電路中，開關(guān)驅(qū)動部分所需提供的控制信號需要進行隔離，通常采用光纖、光耦或者磁環(huán)隔離。通過適當?shù)目刂品绞娇稍谪撦d上獲得任意波形的脈沖電流。
【權(quán)利要求】
1.一種具有正負脈沖輸出的全固態(tài)高壓脈沖電流源，其特征在于由一系列串聯(lián)的基本放電單元構(gòu)成，基本放電單元為半橋電路或全橋電路；充電單元直接與放電單元中的電容器相連，用于對其進行充電；放電單元串聯(lián)連接用于產(chǎn)生高壓，然后與電感以及負載串聯(lián)連接，構(gòu)成回路。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的全固態(tài)高壓脈沖電流源，其特征在于所述串聯(lián)的半橋電路基本放電單元為半橋電路，所述半橋電路由2個電容器、2個開關(guān)管以及相應驅(qū)動電路經(jīng)電路連接構(gòu)成，2個電容器與2個開關(guān)管均串聯(lián)連接，然后構(gòu)成并聯(lián)關(guān)系，它們的公共端即為半橋電路的輸出端；驅(qū)動電路直接與開關(guān)管驅(qū)動極相連。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的全固態(tài)高壓脈沖電流源，其特征在于所述串聯(lián)的全橋電路基本放電單元為全橋電路，所述全橋電路由I個電容器、4個開關(guān)管及相關(guān)驅(qū)動電路經(jīng)電路連接構(gòu)成，4個開關(guān)管兩兩串聯(lián)構(gòu)成2個橋臂，2個橋臂均與電容器構(gòu)成并聯(lián)關(guān)系，兩個橋臂開關(guān)管的公共端即為該全橋電路的輸出端口 ；驅(qū)動電路通常直接與開關(guān)管驅(qū)動極相連。
4.根據(jù)權(quán)利要求2所述的全固態(tài)高壓脈沖電流源，其特征在于所述各個放電單元間的有設(shè)置隔離，該隔離是磁環(huán)隔離，或者是光纖隔離；相應的，開關(guān)管控制系統(tǒng)同樣按照隔離方式的不同分為兩種:磁環(huán)隔離控制系統(tǒng)以及光纖隔離控制系統(tǒng)，前者主要依靠磁耦合控制信號或驅(qū)動信號，后者依靠光電系統(tǒng)耦合控制信號。
5.根據(jù)權(quán)利要求3所述的全固態(tài)高壓脈沖電流源，其特征在于通過規(guī)定某一級或幾級作為平頂補償單元，改變補償單元的電壓以及導通時序，可改變輸出電流平頂斜度，從而得到電流脈沖平頂。
6.根據(jù)權(quán)利要求4所述的全固態(tài)高壓脈沖電流源，其特征在于多個半橋電路構(gòu)成的基本放電單元輸出直接串聯(lián)，在開關(guān)管觸發(fā)導通后，電壓累加形成脈沖高壓；電感與負載串聯(lián)后與級聯(lián)的放電單元構(gòu)成回路；在該電路中，每一級放電單元中的電容器與充電單元相連，并由其提供能量；開關(guān)管的驅(qū)動信號由驅(qū)動電路提供。
7.根據(jù)權(quán)利要求5所述的全固態(tài)高壓脈沖電流源，其特征在于多個全橋電路構(gòu)成的基本放電單元輸出直接串聯(lián)，在開關(guān)管觸發(fā)導通后，電壓累加形成脈沖高壓；電感與負載串聯(lián)后與級聯(lián)的放電單元構(gòu)成回路；在該電路中，每一級放電單元中的電容器與充電單元相連，并由其提供能量；開關(guān)管的驅(qū)動信號由驅(qū)動電路提供。
【文檔編號】H02M9/02GK103490661SQ201310413269
【公開日】2014年1月1日 申請日期:2013年9月12日 優(yōu)先權(quán)日:2013年9月12日
【發(fā)明者】劉克富, 邱劍, 盧元達, 王永剛 申請人:復旦大學