CN101345517A - 一种基于da变换控制上升沿、下降沿的脉冲发生器 - Google Patents

Abstract

一种基于DA变换控制上升沿、下降沿的脉冲发生器，为适应电感性负载对电流脉冲的上升沿、下降沿或上升沿和下降沿大范围电流变化率的要求，本发明提出了一种类似于DA转换器的功率电路，利用不同变比的一组脉冲变压器，通常其变比的比值为1∶2∶4∶8∶16……以及容量与变比相关功率器件如IGBT和二极管，通过选取功率器件开关状态的组合辅之以脉宽调制，便可以在极大的范围内高精度的控制负载电感的电压，进而实现脉冲电流的上升沿、下降沿的控制。

Description

一种基于DA变换控制上升沿、下降沿的脉冲发生器

技术领域

本发明涉及脉冲发生器电路，尤其是一种能精确控制电感负载的脉冲电流的上升沿、下降沿，能适应大范围的电流变化率要求的脉冲发生器电路。

技术背景

加速器等物理实验装置经常要利用磁场对带电粒子进行运动控制，有时要求对磁铁脉冲电流的上升沿、下降沿能进行程序控制，找到一个最佳工作状态。磁铁对脉冲电源相当于一个电感负载，而大范围的电流变化率使得脉冲电源的瞬态输出或吸收功率大范围的变化，甚至到几个数量级。

通常脉冲电源采用充放电的方式产生脉冲时，脉冲波形的上升沿、平顶、下降沿不容易被控制，更谈不上控制精确的产生大范围的电流变化率。采用IGBT功率放大的方式产生脉冲，通过改变IGBT栅极触发脉冲占空比可以灵活地控制电源输出脉冲的上升沿、平顶和下降沿，但当应对大范围的电流变化率时，电路的工作状态很差，精度效率都很低。本发明的目的在于实现能克服上述两种脉冲发生器的缺点，高精度、高效率的实现大范围的输出功率变化，因而高精度、高效率的实现电感大范围的电流变化率。

中国专利CN1346234A公开了一种高能加速器用脉冲电源。该电源用电子开关改变电容的串并联以缩短脉冲的上升下降时间，但无法实现上升沿、下降沿形状精确控制，中国专利CN2622933Y公开了一种可以控制脉冲形状的电源，但由于采用线性调节，损耗很大，调节范围和精度受到很大的限制。

发明内容

实际使用的电流脉冲经常是仅对其中的一个边沿进行大范围的电流变化率进行控制。图1示出了仅对脉冲的下降沿进行大范围的电流变化率控制的脉冲电源主电路(为便于表述，先不考虑变压器的磁复位)。图中脉冲的上升沿和下降沿的控制共用由整流器给出的直流电源，下降沿吸收的能量可以补充大部分上升沿过程的能量输出。脉冲上升沿由常规的DC/DC变换器控制，即所谓的IGBT功率放大，相对较小的电流变化率范围的波型也可以灵活的控制。而脉冲的下降沿则由变比的比值为1∶2∶4∶8∶16……的一组串联变压器来控制，每一个变压器的初级都接有电流容量与变比相关的短路IGBT和钳位二极管。

为便于对原理的表述，不考虑变压器的磁复位，将图1简化为图2。

对电感L₁充电时由T₁₁、T₁₂、D₁₃、D₁₄、TR₁、D₁₁、D₁₂组成的隔离变换器工作，给出正向电压，T₂导通，理想情况下，变压器TR₂两端的电压为0，电感电流上升，变压器TR₂两边存在安匝数相等方向相反的电流。改变正向电压的数值，可以调节升流数率。

当电感L₁中的电流达到预定值后，隔离变换器停止工作。此时电感L₁，二极管D₁₁，变压器TR₂构成回路，而降流数率则受控于T₂。当T₂导通时，降流的数率为0，当T₂关断时，变压器TR₂的次级电压为nVcc，降流数率遵守 $\frac{\mathrm{di}}{\mathrm{dt}}=\frac{V}{L}.$

图3给出了仅对脉冲的上升沿进行大范围的电流变化率控制脉冲电源的主电路(为便于表述，先不考虑变压器的磁复位)。同样图中脉冲的上升沿和下降沿的控制共用由整流器给出的直流电源，下降沿吸收的能量可以补充大部分上升沿过程的能量输出。脉冲的上升沿则由变比的比值为1∶2∶4∶8∶16……的一组串联变压器来控制，每一个变压器的初级都接有电流容量与变比相关的短路二极管和IGBT驱动管，而脉冲的下降沿的变化则可由电路II中的IGBT做PWM控制来实现。

电路的工作原理与一般的DA转换器相近，因此可以定义为功率DA转换器。

当然，如果脉冲电流的上升沿、下降沿都要求大范围的电流变化率的变化时，图4所示的结合两者工作原理的电路就是自然的。

本发明最适合那些脉冲宽度介于几十微秒到几毫秒之间，占空比小于0.1，输出电流变化率大而导致输出瞬态功率变化在2个数量级以上的脉冲电源。

整个的脉冲空闲期间都可以用来进行隔离变压器的磁复位或反向置位。对：

$\frac{\mathrm{di}}{\mathrm{dt}}=\frac{V}{L}$

进行积分，得到

∫Vdt＝IL

也就是说负载电感中电流的大小决定产生该电流的伏秒积(磁通变化)，每一次脉冲电流由0升到预定值和从预定值降到0的伏秒积大小相等方向相反。图1所示的电路负载电感的升流过程中，伏秒积是由工作于电源状态变压器205提供的，不存在复位问题，控制降流的变压器初级短路，也没有伏秒积积累；降流过程的伏秒积是由控制降流的变压器组提供的，不同的降流过程不同的变压器会产生不同的伏秒积积累。

图3所示的电路负载电感的升流过程中，伏秒积是由控制升流的变压器组提供的，不同的升流过程不同的变压器会产生不同的伏秒积积累，控制降流的变压器初级短路，没有伏秒积积累；降流过程中，伏秒积是由控制降流的变压器提供的，控制升流的变压器初级短路，没有伏秒积积累；数值上所有的控制升流的变压器的伏秒积之和等于控制降流变压器的伏秒积。

图4所示的电路一个完整的负载电感的升流、降流过程后，控制升降流变压器伏秒积积累的代数和应为0，但不同的变压器会产生不同的伏秒积积累。

变压器的铁心最好选用纳米晶软磁材料，由于其非常高的磁导率，会使得强迫复位和磁置位很容易。自复位是最简单的，只要在整个的脉冲空闲期间维持一个大于前述伏秒积对脉冲空闲时间的平均值的阻断电压即可，而这个数值通常是很小的，甚至可能低于一个pn节的阈值，因而成本很低。强迫复位与磁置位对于阻断电压的要求是一样的。

大功率窄脉冲常需要很大的滤波储能电容，常规的桥式整流器功率因数会很差，图5给出的单位功率因数可调恒压整流器的是很好的选择。电路包括三相桥式整流器I，主升压变换器II，低相间整流器III，辅升压变换器IV组成。主要的控制方法与中国专利01140014.5相同，差别在于有主升压变换器II。

下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步详细的说明：

附图说明

图1是本发明的控制下降沿大范围电流变化率脉冲发生器电路原理图；

图2是本发明的控制下降沿大范围电流变化率脉冲发生器电路原理简图；

图3是本发明的控制上升沿大范围电流变化率脉冲发生器电路原理图；

图4是本发明的控制上升沿和下降沿大范围电流变化率脉冲发生器电路原理图；

图5是三相单位功率因数可调恒压整流器；

图6适应直流阻性负载或宽脉冲升流的需求的电路。

具体实施方式

图1是本发明的控制下降沿大范围电流变化率脉冲发生器电路原理图。电路由三个部分组成，I整流器，IIDC/DC变换器，III脉冲下降沿控制器。整流器I的输入为三相电，一般为三相低压市电，输出为可调无工频纹波直流电，以适应大容量的储能电容和高功率因数的要求。DC/DC变换器II的输入与整流器I的输出相连，输出与脉冲下降沿控制器III相连；脉冲下降沿控制器III的输出与DC/DC变换器II的输出串联后给出需要的脉冲，其每一个组元的输入均与整流器I的输出相连。

DC/DC变换器II为常规的变换器，可以是图中所示的单端电路，也可为全桥等其它形式，它由IGBT201、203，快速二极管202、204组成的高频变换器，隔离变压器205和快速二极管206、207组成的整流器组合而成。脉冲下降沿控制器III由多个具有相同结构的标准化组元组成，图中为8，实际可多可少，每个标准化组元，如组元1，含有一个脉冲隔离变压器301，初级短路IGBT302，钳位二极管303，根据容量需求短路IGBT302、钳位二极管303均可由多个器件并联。各标准化组元之间脉冲变压器变比的比值为1∶2∶4∶8∶16……，它们的次级串联连接。

图3是本发明的控制上升沿大范围电流变化率脉冲发生器电路原理图。电路由三个部分组成，I整流器，II脉冲下降沿控制器，III脉冲上升沿控制器。整流器I的输入为三相电，一般为三相低压市电，输出为可调无工频纹波直流电，以适应大容量的储能电容和高功率因数的要求。

脉冲下降沿控制器II的输入与整流器I的输出相连，输出与脉冲上升沿控制器III相连；脉冲上升沿控制器III的输出与下降沿控制器II的输出串联后给出需要的脉冲，其每一个组元的输入均与整流器I的输出相连。

脉冲下降沿控制器II由短路IGBT201，钳位二极管202和脉冲变压器203组成。脉冲上升沿控制器III由多个具有相同结构的标准化组元组成，图中为8，实际可多可少，每个标准化组元，如组元1，含有一个脉冲隔离变压器301，初级置位IGBT302，短路二极管303，根据容量需求置位IGBT302、短路二极管303均可由多个器件并联。各标准化组元之间脉冲变压器变比的比值为1∶2∶4∶8∶16……，它们的次级串联连接。

图4是本发明的控制上升沿和下降沿大范围电流变化率脉冲发生器电路原理图。电路由二个部分组成，I整流器，III脉冲上升和下降沿控制器。整流器I的输入为三相电，一般为三相低压市电，输出为可调无工频纹波直流电，以适应大容量的储能电容和高功率因数的要求。

脉冲上升和下降沿控制器III输出需要的脉冲，其每一个组元的输入均与整流器I的输出相连。脉冲上升和下降沿控制器III由多个具有相同结构的标准化组元组成，图中为6，实际可多可少，每个标准化组元，如组元1，含有一个脉冲隔离变压器301，初级为由IGBT302，IGBT303，IGBT304，IGBT305组成的桥。各标准化组元之间脉冲变压器变比的比值为1∶2∶4∶8∶16……，它们的次级串联连接。

如图1所示，脉冲升流时，由IGBT201和203做PWM控制DC/DC变换器II的输出平均电压，控制升流速率，降流控制器III的所有的短路IGBT，302，312，322，332，342，352，362，372都导通，理想情况下，变压器301，311，321，331，341，351，361，371两端的电压为0。当电流升至预定值以后，IGBT201和203关断，负载电感中的电流通过所有的降流控制标准化组元的变压器和续流二极管形成回路。关断一个短路IGBT将产生相应的负载电感降流电压，关断一组短路IGBT将产生相对应的二进制数成比例的负载电感降流电压。当然也可以对任意的一个或一组IGBT做PWM调制以获取更高的精度。

如图3所示，脉冲升流时，脉冲下降沿控制器II的短路IGBT201导通，脉冲上升沿控制器III中的每一个置位IGBT的导通都会产生相应的与改为对应的二进制比率关系的升流电压，导通一组置位IGBT将产生与对应的二进制数成比率的负载电感升流电压。当然也可以对任意的一个或一组置位IGBT做PWM调制以获取更高的精度。降流时所有的置位IGBT都关断，由脉冲下降沿控制器II的短路IGBT的关断来控制降流。

如图4所示，脉冲升流时，IGBT303，313，323，333，343，353导通，从IGBT304，314，324，334，344，354中选择一组导通，则可得到与对应的二进制数成比率升流电压。脉冲降流时，IGBT302，312，322，332，342，352导通，从IGBT304，314，324，334，344，354中选择一组关断，则可得与对应的二进制数成比率的降流电压。也可以对任意的一个或一组控制IGBT做PWM调制以获取更高的精度。

如图6所示的电路，用同样的方法组合变压器变比按相同规律的DC/DC变换器可适应直流阻性负载或宽脉冲升流的需求。

当然，本发明之脉冲发生器电路并不局限于所举实施例，对图1、图3、图4中的标准化组元可以做更灵活的组合或是不同的变压器变比比率关系以适应不同的脉冲上升沿和下降沿要求，此外如采用其它形式开关器件、整流电路、升降压变换器等，这些变化均落在本发明的保护范围之内。

Claims (5)

1、一种脉冲发生器电路，尤其是一种能精确控制负载电感脉冲电流的上升沿、下降沿，能适应大范围的电流变化率要求的脉冲发生器电路，由三个部分组成，I整流器，IIDC/DC变换器，III脉冲下降沿控制器，其特征在于：脉冲下降沿控制器III中包括数个由短路IGBT，钳位二极管和脉冲变压器组成的组元，各个组元的脉冲变压器的变比之间维持一定的比率关系，优选1∶2∶4∶8∶16......，在脉冲电流下降期间，关断一个组合所述的短路IGBT，可给出与对应的二进制数值成比率的降流控制电压；

2、根据权利要求1所述的脉冲发生器电路，其特征在于：所述的整流器是包括三相桥式整流器I，主升压变换器II，低相间整流器III，辅升压变换器IV，电路可输出可调无工频纹波直流电压；

3、一种脉冲发生器电路，尤其是一种能精确控制电感负载的脉冲电流的上升沿、下降沿，能适应大范围的电流变化率要求的脉冲发生器电路，由三个部分组成，I整流器，II脉冲下降沿控制器，III脉冲上升沿控制器，其特征在于：所述的脉冲上升沿控制器III中包括数个由置位IGBT，短路二极管和脉冲变压器组成的组元，各个组元的脉冲变压器的变比之间维持一定的比率关系，优选1∶2∶4∶8∶16......，在脉冲电流上升期间，一个组合所述的置位IGBT，可给出与对应的二进制数值成比率的升流控制电压；

4、一种脉冲发生器电路，尤其是一种能精确控制电感负载的脉冲电流的上升沿、下降沿，能适应大范围的电流变化率要求的脉冲发生器电路，由两个部分组成，I整流器，II脉冲上升沿下降沿控制器，其特征在于：所述的脉冲上升沿下降沿控制器III中包括数个由置位IGBT桥和脉冲变压器组成的组元，各个组元的脉冲变压器的变比之间维持一定的比率关系，优选1∶2∶4∶8∶16......，在脉冲电流上升和下降期间，通断一个组合所述IGBT桥，可给出与对应的二进制数值成比率的升流或降流控制电压。

5、一种用DC/DC变换器电路，其特征在于：它是由多个初级并联，次级串联，隔离变压器变比有一定的比率关系，优选1∶2∶4∶8∶16......，的DC/DC变换器组合而成。

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