CN102237800B - 适合宽脉冲负载的前级储能交替馈电式高压变换器 - Google Patents
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Abstract
一种适合宽脉冲负载的前级储能交替馈电式高压变换器，涉及变换器技术，在工作脉宽1.7ms，占空比32％，阴极电流90mA，阴极电压6kV，高压降落不大于10V时，高压电源总储能小于0.5J。当高压电源对类似脉冲行波管的负载进行馈电，且输出脉宽大于50us时，将前级低压侧的储能通过高压变换器向负载即时输出大的脉冲功率，使加到负载上的高压顶降维持在一个适当的值，避免了高压级高储能，从而避免当行波管等负载内部打火时高压电源过大的储能对负载造成伤害，提高高压功率系统的可靠性。本发明不用笨重的大容量高压电容，整个体积大大缩小，固有放电能量小，保护速度快，在航空、航天等要求高固有可靠性的场合应用广泛。
Description
技术领域
本发明涉及高压电源电路技术领域，是一种适合宽脉冲负载的前级储能交替馈电式高压变换器。
背景技术
脉冲行波管、激光器等器件其正常工作需要高压电源为之提供高的峰值功率供电。在宽脉冲应用场合(50us以上)，为了保持高压电源合适的顶降(0.5％以下)，高压电源往往需要采用大容量的高压储能电容。高压端的巨大储能会给系统带来很大的可靠性风险——首先是高压大容量储能电容自身可靠性不高；其次是在负载打火时，过高的储能会直接损坏昂贵的负载，并且对低压电路造成直接或潜在的损伤，造成系统失效；第三，大容量高压储能系统体积重量庞大，应用受到很大限制。
发明内容
本发明的目的是公开一种适合宽脉冲负载的前级储能交替馈电式高压变换器，体积小、可靠性高、为低储能、高峰值功率高压电源电路，使用安全，不会对负载造成直接或潜在的伤害。
为达到上述目的，本发明的技术解决方案是：
一种适合宽脉冲负载的前级储能交替馈电式高压变换器，包括低压变换器、高压变换器、脉冲产生器、高压储能电容、电子开关；
其供电母线(8)分别接入两低压变换器(1、2)，低压变换器(1)将供电母线电压经稳压变换产生输出电压(V1)，低压变换器(2)将供电母线电压经稳压变换产生输出电压(V2)，电压(V1)通过电子开关(S1)接高压变换器(3)，电压(V2)通过电子开关(S2)接高压变换器(3)；两电子开关(S1、S2)控制端分别接脉冲产生器(4)产生的两电子开关(S1、S2)控制信号，控制两电子开关(S1、S2)交替导通向高压变换器(3)馈电；高压变换器(3)产生高压脉冲负载(5)所需的直流高压；电容(C1)并联在高压脉冲负载(5)输入和高压变换器(3)输出两端，为高压脉冲负载工作提供储能；脉冲产生器(4)在主触发脉冲(6)和预触发脉冲(7)的控制下产生相互隔离的两电子开关(S1、S2)控制信号，使两电子开关(S1、S2)互补导通；
电压(V1)高于电压(V2)，在高压脉冲负载(5)工作期间，由(V1)通过电子开关(S1)向高压变换器(3)供电；在高压脉冲负载(5)截止期间，由电压(V2)通过电子开关(S2)向高压变换器(3)供电。
所述的交替馈电式高压变换器，其所述低压变换器(1)，将不稳定的母线电压通过升压或降压稳定在合适的电压(V1)值；
电压(V1)值由V1＝V0/n+n(RV1+RS1)V0/R0式确定，式中，RV1是低压变换器(1)的输出电阻，RS1是电子开关(S1)的导通电阻，V0是高压变换器(3)输出的高压电压值，n是高压变换器(3)变换比；
低压变换器(1)平均负载能力大于P0avg＝D×V0 2/R0，峰值负载能力大于P0＝V0 2/R0。
所述的交替馈电式高压变换器，其所述低压变换器(2)，将不稳定的母线电压通过升压或降压稳定在合适的电压(V2)值，电压(V2)值由V2＝V0/n式确定，式中，V0是高压变换器(3)输出的高压电压值，n是高压变换器(3)变换比。
低压变换器(2)平均负载能力大于高压变换器(3)空载功率P空。
所述的交替馈电式高压变换器，其所述高压变换器(3)，是将直流电压(V1)或(V2)通过半桥、全桥或推挽变换，驱动1：n的高压变压器(3)，高压变压器(3)次级通过整流滤波形成高压电压V0输出；高压变换器(3)输出端并接电容(C1)为高压脉冲负载(5)提供储能，在高压脉冲负载(5)工作期间，高压变换器(3)提供高压脉冲负载(5)所需的全部脉冲功率；
储能电容(C 1)按C1＝0.1 V0ζ/ΔV0选取，式中，V0为高压变换器(3)输出电压，ζ为高压脉冲负载(5)脉冲工作时间，ΔV0为V0允许的电压降落。
所述的交替馈电式高压变换器，其所述推挽变换，其变换频率大于20KHz。
所述的交替馈电式高压变换器，其所述脉冲产生器(4)，将主触发脉冲(6)和预触发脉冲(7)通过时序组合形成两电子开关(S1、S2)的控制信号，
该两路控制信号经脉冲产生器(4)内部的隔离驱动电路隔离放大，分别接到两电子开关(S1、S2)的控制极，以控制两电子开关(S1、S2)的通断。
所述的交替馈电式高压变换器，其所述主触发脉冲(6)和预触发脉冲(7)为TTL触发信号，两电子开关(S1、S2)的控制信号，为电平10V左右，峰值输出电流1A的控制脉冲；
脉冲产生器(4)的一种工作方式是只依靠主触发脉冲工作，此时输出电子开关(S1)的控制信号，在时序上与主触发脉冲(6)同步；另一种工作方式是同时利用主触发脉冲(6)和预触发脉冲(7)，此时输出电子开关(S1)控制信号的前沿与预触发脉冲(7)前沿同步，后沿与主触发脉冲(6)后沿同步。
所述的交替馈电式高压变换器，其所述电子开关(S1)，采用VDMOS管或IGBT或大功率高频三极管的高速大电流开关器件，耐压大于1.5V1，电流大于1.5nV0/R0，开关速度为亚微秒级；电子开关(S2)，采用VDMOS管或IGBT或大功率高频三极管的高速开关器件，耐压大于1.5V1，电流大于2P空/V2，开关速度为亚微秒级。
一种所述的交替馈电式高压变换器的交替式馈电方法，其当高压变换器(3)对高压脉冲负载(5)进行馈电，且输出脉冲电流的脉宽大于50us时，它将前级的储能通过高压变换器(3)向负载(5)即时输出大的脉冲功率，使加到负载(5)上的高压顶降维持在一个适当的值，避免了高压级的高储能，从而避免在高压脉冲负载(5)内部放电时高压电源过大的储能对高压脉冲负载(5)造成伤害，以提高高压功率系统的可靠性。
所述的交替式馈电方法，其所述一个适当的值，为一般系统要求的0.1％。
所述的交替式馈电方法，其前级储能供电，是电路采用高低两种电平的低压电源向高压变换器(3)供电，通过大功率电子开关(S1、S2)在两种电平之间切换；在脉冲开通期间，电子开关(S1、S2)接通高电平低压电源，通过高压变换器(3)向高压脉冲负载(5)提供所要求的高峰值功率；在脉冲截至期间，电子开关(S1、S2)接通低电平电源，在零负载状态下维持高压额定输出，以实现高压电源低储能和脉冲工作期间高压低降落的目标；
在高压脉冲负载(5)发生打火时，通过迅速关断向高压变换器(3)供电的一电子开关(S1)实现放电能量限制；在脉冲负载(5)具有高峰值电流和相对较窄的脉宽的应用场合，让连接高电平供电电源的一电子开关(S1)提前开通，使高压电源预储能，从而使高压电源在高的脉冲负载时仍维持较小的顶部波动。
本发明将储能集中在低压侧，通过电子开关选择供电功率，在负载脉冲工作期间向负载提供高峰值功率，在负载截止期间向高压电源提供低功率，从而避免高压侧大储能，提高系统可靠性。
本发明因在脉冲期间向负载提供高功率，因此高压变换器应具有低阻抗和高峰值功率能力。
附图说明
图1为本发明的适合宽脉冲负载的前级储能交替馈电式高压变换器原理和结构示意图，其中，低压变换器1、2，高压变换器3，脉冲产生器4，高压脉冲负载5，主触发脉冲6，预触发脉冲7，供电母线8，高压储能电容C1，电子开关S1、S2；
图2为本发明的工作时序图。
具体实施方式
一种适合宽脉冲负载的前级储能交替馈电式高压变换器，在高压电源对类似脉冲行波管的脉冲负载进行馈电，并且要求输出脉冲电流的脉宽大于50us时，它可将前级的储能通过高压变换器向负载即时输出大的脉冲功率，使加到负载上的高压顶降维持在一个适当的值，避免了高压级的高储能，从而可以避免在行波管等负载内部打火时高压电源过大的储能对行波管造成的伤害，提高高压功率系统的可靠性。
电路采用高低两种电平的低压电源向高压变换器供电，通过大功率电子开关在两种电平之间切换。高电平低压电源具有高储能，低电平低压电源具有小储能。在脉冲开通期间，电子开关接通高电平低压电源，通过高压变换器向负载提供所要求的高峰值功率；在脉冲截至期间，电子开关接通低电平电源，在零负载状态下维持高压额定输出，从而实现了高压电源低储能和脉冲工作期间高压低降落的目标。在负载发生打火时，可通过迅速关断向高压变换器供电的电子开关(亚微秒级)实现放电能量限制；在负载具有高峰值电流和相对较窄的脉宽的应用场合，可让连接高电平供电电源的电子开关提前开通，使高压电源预储能，从而使高压电源在高的脉冲负载时仍维持较小的顶部波动。
采用高低两种电平的低压电源向高压变换器供电，通过大功率电子开关在两种电平之间切换。在脉冲开通期间，电子开关接通高电平低压电源，通过高压变换器向负载提供所要求的高峰值功率；在脉冲截至期间，电子开关接通低电平电源，在零负载状态下维持高压额定输出。
在负载发生打火时，通过迅速关断向高压变换器供电的电子开关(亚微秒级)实现放电能量限制。
在负载具有高峰值电流和相对较窄的脉宽的应用场合，可让连接高电平供电电源的电子开关提前开通，使高压电源预储能，从而使高压电源在高的脉冲负载时仍维持较小的顶部波动。
如图1所示，为本发明的适合宽脉冲负载的前级储能交替馈电式高压变换器原理和结构示意图。供电母线8分别接入两低压变换器1、2。低压变换器1将供电母线电压经稳压变换产生输出电压V1，低压变换器2将供电母线电压经稳压变换产生输出电压V2。电压V1通过电子开关S1接高压变换器3，电压V2通过电子开关S2接高压变换器3。两电子开关S1、S2控制端分别接脉冲产生器4产生的S1控制和S2控制信号，控制两电子开关S1、S2交替导通向高压变换器3馈电。高压变换器3产生高压脉冲负载5所需的直流高压。电容C1并联在高压脉冲负载5和高压变换器3输出两端，为高压脉冲负载5工作提供储能。脉冲产生器4在主触发脉冲6和预触发脉冲7的控制下产生相互隔离的S1控制和S2控制信号，使两电子开关S1、S2互补导通。电压V1高于电压V2，在高压脉冲负载5工作期间，由电压V1通过电子开关S1向高压变换器3供电；在高压脉冲负载5截止期间，由电压V2通过电子开关S2向高压变换器3供电。
电压V1值由V1＝V0/n+n(RV1+RS1)V0/R0式确定，式中，RV1是低压变换器1的输出电阻，RS1是电子开关S1的导通电阻，V0是高压变换器3输出的高压电压值，n是高压变换器3变换比。
低压变换器1平均负载能力大于P0avg＝D×V0 2/R0，峰值负载能力大于P0＝V0 2/R0。式中，P0avg为低压变换器平均负载功率、P0为低压变换器峰值负载功率、R0是高压脉冲负载阻抗、D是高压脉冲负载工作比。
电子开关S1，采用VDMOS管或IGBT或大功率高频三极管的高速大电流开关器件，耐压大于1.5V1，电流大于1.5nV0/R0，开关速度为亚微秒级；电子开关S2，采用VDMOS管或IGBT或大功率高频三极管的高速开关器件，耐压大于1.5V1，电流大于2P空/V2，其中，P空为高压变换器3空载功率，开关速度为亚微秒级。
图2表示了本发明的各信号及开关之间的时序图。在较窄脉冲和较大峰值电流的应用场合，电子开关S1在预触发脉冲控制下可提前开通，如图2虚线所示，这样可以不需要高压变换器3提供全部峰值功率而使高压降落在一个合适的程度，可进一步扩展该电路的应用范围。同时若高压变换器3的工作频率得以提高(100KHz以上)，该电路可以对宽度在50us以下的脉冲负载5的高压降落进行全部或部分的补偿。
Claims (11)
1.一种适合宽脉冲负载的前级储能交替馈电式变换器，包括低压变换器、高压变换器、脉冲产生器、高压储能电容、电子开关；其特征在于，
供电母线(8)分别接入两低压变换器1、2，低压变换器1将供电母线电压经稳压变换产生输出电压V1，低压变换器2将供电母线电压经稳压变换产生输出电压V2，电压V1通过电子开关S1接高压变换器(3)，电压V2通过电子开关S2接高压变换器(3)；两电子开关S1、S2控制端分别接脉冲产生器(4)产生的两电子开关S1、S2控制信号，控制两电子开关S1、S2交替导通向高压变换器(3)馈电；高压变换器(3)产生高压脉冲负载(5)所需的直流高压；高压储能电容(C1)并联在高压变换器(3)的输出两端，且并联在高压脉冲负载(5)的输入两端，为高压脉冲负载工作提供储能；脉冲产生器(4)在主触发脉冲(6)和预触发脉冲(7)的控制下产生相互隔离的两电子开关S1、S2控制信号，使两电子开关S1、S2互补导通；
电压V1高于电压V2，在高压脉冲负载(5)工作期间，由V1通过电子开关S1向高压变换器(3)供电；在高压脉冲负载(5)截止期间，由电压V2通过电子开关S2向高压变换器(3)供电。
2.如权利要求1所述的交替馈电式变换器，其特征在于，所述低压变换器1，将不稳定的母线电压通过升压或降压稳定在合适的电压V1值；
电压V1值由V1＝V0／n+n(RV1+RS1)V0／R0式确定，式中，RV1是低压变换器1的输出电阻，RS1是电子开关S1的导通电阻，V0是高压变换器(3)输出的高压电压值，R0是高压脉冲负载(5)阻抗，n是高压变换器(3)变换比；
低压变换器1平均负载能力大于P0avg＝D×V0 2／R0，峰值负载能力大于P0＝V0 2／R0，式中P0avg是低压变换器平均负载功率，P0为低压变换器峰值负载功率，D为高压脉冲负载工作比。
3.如权利要求1所述的交替馈电式变换器，其特征在于，所述低压变换器2，将不稳定的母线电压通过升压或降压稳定在合适的电压V2值，电压V2值由V2＝V0／n式确定，式中，V0是高压变换器(3)输出的高压电压值，n是高压变换器(3)变换比；
低压变换器2平均负载能力大于高压变换器(3)空载功率P空。
4.如权利要求1所述的交替馈电式变换器，其特征在于，所述高压变换器(3)，是将直流电压V1或V2通过半桥、全桥或推挽变换，驱动1：n的高压变压器(3)，高压变压器(3)次级通过整流滤波形成高压电压V0输出；高压变换器(3)输出端并接储能电容(C1)为高压脉冲负载(5)提供储能，在高压脉冲负载(5)工作期间，高压变换器(3)提供高压脉冲负载(5)所需的全部脉冲功率；
高压储能电容(C1)按C1＝0.1V0ζ／ΔV0选取，式中，V0为高压变换器(3)输出电压，ζ为高压脉冲负载(5)脉冲工作时间，ΔV0为V0允许的电压降落。
5.如权利要求4所述的交替馈电式变换器，其特征在于，所述推挽变换，其变换频率大于20KHz。
6.如权利要求1所述的交替馈电式变换器，其特征在于，所述脉冲产生器(4)，将主触发脉冲(6)和预触发脉冲(7)通过时序组合形成两电子开关S1、S2的控制信号，
，两路控制信号经脉冲产生器(4)内部的隔离驱动电路隔离放大，分别接到两电子开关S1、S2的控制极，以控制两电子开关S1、S2的通断。
7.如权利要求1或6所述的交替馈电式变换器，其特征在于，所述主触发脉冲(6)和预触发脉冲(7)为TTL触发信号，两电子开关S1、S2的控制信号电平为10V左右，峰值输出电流1A的控制脉冲；
脉冲产生器(4)的一种工作方式是只依靠主触发脉冲工作，此时输出电子开关S1的控制信号，在时序上与主触发脉冲(6)同步；另一种工作方式是同时利用主触发脉冲(6)和预触发脉冲(7)，此时输出电子开关S1控制信号的前沿与预触发脉冲(7)前沿同步，后沿与主触发脉冲(6)后沿同步。
8.如权利要求1所述的交替馈电式变换器，其特征在于，所述电子开关S1，采用VDMOS管或IGBT或大功率高频三极管的高速大电流开关器件，耐压大于1.5V1，电流大于1.5nV0／R0，n为高压变换器(3)变换比，开关速度为亚微秒级，V0为高压变换器(3)输出的高压电压值，R0是高压脉冲负载(5)阻抗；电子开关S2，采用VDMOS管或IGBT或大功率高频三极管的高速开关器件，耐压大于1.5V1，开关速度为亚微秒级，电流大于2P空／V2，P空为高压变换器(3)空载功率。
9.一种如权利要求1所述的交替馈电式变换器的交替式馈电方法，其特征在于，当高压变换器(3)对高压脉冲负载(5)进行馈电且输出脉冲电流的脉宽大于50us时，它将前级的储能通过高压变换器(3)向高压脉冲负载(5)即时输出大的脉冲功率，使加到高压脉冲负载(5)上的高压顶降维持在一个适当的值，避免了高压级的高储能，从而避免在高压脉冲负载(5)内部放电时高压电源过大的储能对高压脉冲负载(5)造成伤害，以提高高压功率系统的可靠性。
10.如权利要求9所述的交替式馈电方法，其特征在于，所述一个适当的值，为一般系统要求的0.1％。
11.如权利要求9所述的交替式馈电方法，其特征在于，前级的储能供电，是电路采用高低两种电平的低压电源向高压变换器(3)供电，通过大功率电子开关S1、S2在两种电平之间切换；在脉冲开通期间，电子开关S1接通高电平低压电源，通过高压变换器(3)向高压脉冲负载(5)提供所要求的高峰值功率；在脉冲截至期间，电子开关S2接通低电平低压电源，在零负载状态下维持高压额定输出，以实现高压电源低储能和脉冲工作期间高压低降落的目标；
在高压脉冲负载(5)发生打火时，通过迅速关断向高压变换器(3)供电的电子开关S1实现放电能量限制；在高压脉冲负载(5)具有高峰值电流和相对较窄的脉宽的应用场合，让连接高电平低压电源的电子开关S1提前开通，使高压电源预储能，从而使高压电源在高的脉冲负载时仍维持较小的顶部波动。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| C06 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| C10 | Entry into substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| C14 | Grant of patent or utility model | ||
| GR01 | Patent grant |