CN103001529B - 一种浪涌电压发生器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种浪涌电压发生器，无需高性能的工业控制计算机和高压变压放大器，即可生成浪涌电压，降低实现复杂度，并节约成本。该浪涌电压发生器包括直流电源、控制器、脉冲群发生器、直流偏置电路和输出电路。

Description

一种浪涌电压发生器

技术领域

本发明涉及电子技术领域，尤其涉及一种浪涌电压发生器。

背景技术

目前，常用的浪涌电压产生装置的结构如附图1所示，其中，工业控制计算机用于产生脉冲的数字信息，该数据信息经过数字/模拟(D/A)转换产生低压的脉冲，然后再经过高压放大器及高压开关继电控制放大由D/A产生的低压脉冲，形成高压浪涌电压后输出。

现有浪涌电压需要使用高性能的工业控制计算机和高压变压放大器，产生过程中进行调试比较麻烦，且成本较高，不适合小型企业的测试需求。

发明内容

本发明提供一种浪涌电压发生器，无需高性能的工业控制计算机和高压变压放大器，即可生成浪涌电压，降低了实现的复杂度，节约了成本。

本发明实施例提供的具体技术方案如下：

一种浪涌电压发生器，包括：

直流电源，分别与脉冲群发生器、直流偏置电路相连接，为所述脉冲群发生器和直流偏置电路提供直流电源；

控制器，与脉冲群发生器相连接，为所述脉冲群发生器提供脉冲宽度调制PWM控制信号；

脉冲群发生器，包括至少一个电感元件，所述脉冲群发生器分别与直流电源、控制器相连接，通过所述PWM控制信号控制所述电感元件的充放电过程，在所述电感元件的两端产生尖峰脉冲电压，并输出至输出电路；

直流偏置电路，输入端与所述直流电源相连接，输出端与输出电路相连接，为所述脉冲群发生器输出至输出电路的尖峰脉冲电压提供直流偏置电压；

输出电路，分别与所述脉冲群发生器、直流偏置电路的输出端相连接，为所述尖峰脉冲电压增加直流偏置电压形成浪涌电压后输出。

基于上述技术方案，本发明实施例中，通过控制器提供的PWM控制信号控制脉冲群发生器包含的电感元件的充放电过程，利用电感特性，在电感的两端产生尖峰脉冲电压，在添加直流偏置后生成浪涌脉冲，从而避免使用高性能的工业控制计算机和高压变压放大器，节约了成本，降低了实现复杂度。

附图说明

图1为现有技术中浪涌电压产生装置的结构示意图；

图2为本发明实施例中浪涌电压发生器的结构示意图；

图3为本发明实施例中浪涌电压发生器的结构示意图；

图4为本发明实施例中初级DC-DC电路结构示意图；

图5为本发明实施例中负压DC-DC电路结构示意图；

图6A为本发明实施例中第一PWM控制信号波形示意图；

图6B为本发明实施例中第二PWM控制信号波形示意图；

图7A为第一PWM控制信号对应的正尖峰脉冲电压的波形示意图；

图7B为与第二PWM控制信号对应的负尖峰脉冲电压波形示意图；

图8为本发明实施例中直流偏置电路结构示意图；

图9为本发明实施例中浪涌电压发生器的电路结构示意图。

具体实施方式

为了避免使用高性能的工业控制计算机和高压变压放大器，即可生成浪涌电压，降低实现复杂度，节约成本，本发明提供了一种浪涌电压发生器，主要包括直流电源、控制器、脉冲群发生器、直流偏置电路和输出电路。

下面结合附图对本发明优选的实施方式进行详细说明。

如附图2所示，本发明实施例中，浪涌电压发生器主要包括直流电源20、控制器21、脉冲群发生器22、直流偏置电路23和输出电路24，其中，

直流电源20，分别与脉冲群发生器22、直流偏置电路23相连接，为脉冲群发生器22和直流偏置电路23提供直流电源；

控制器21，与脉冲群发生器22相连接，为脉冲群发生器22提供脉冲宽度调制(Pulse Width Modulation，PWM)控制信号；

脉冲群发生器21，包括至少一个电感元件，脉冲群发生器21分别与直流电源20、控制器21相连接，通过控制器21提供的PWM控制信号控制电感元件的充放电过程，在该电感元件的两端产生尖峰脉冲电压，并输出至输出电路24；

直流偏置电路23，输入端与直流电源20相连接，输出端与输出电路24相连接，为脉冲群发生器21输出至输出电路的尖峰脉冲电压提供直流偏置电压；

输出电路24，分别与脉冲群发生器21、直流偏置电路23的输出端相连接，为尖峰脉冲电压增加直流偏置电压形成浪涌电压后输出。

如附图3所示，脉冲群发生器22包括初级DC-DC电路601和负压DC-DC电路602，其中，

初级DC-DC电路601中分别与直流电源20、控制器21相连接，通过控制器21提供的第一PWM控制信号控制初级DC-DC电路601包含的第一电感元件的充放电过程，在第一电感元件的两端产生正尖峰脉冲电压，并输出至负压DC-DC电路602；

负压DC-DC电路602分别与初级DC-DC电路601的输出端、控制器21相连接，通过控制器21提供的第二PWM控制信号控制负压DC-DC电路602包含的第二电感元件的充放电过程，在第二电感元件的两端产生负尖峰脉冲电压，并输出至输出电路24。

如附图4所示，初级DC-DC电路601包括第一电感元件701、第一电阻702、第一二极管703、第一晶体管704和第一电容705，第一电感元件701的一端连接直流电源20，另一端分别连接第一电阻702和第一二级管703的正极，第一电阻702的另一端与第一晶体管704的漏极相连接，第一晶体管704的源极接地，栅极与控制器21的第一PWM控制信号的输出端相连接，第一二极管703的负极与第一电容705串联后接地，将第一电感元件701与第一二极管703正极相连接的一端作为正尖峰脉冲电压的输出端706。

如附图5所示，负压DC-DC电路602包括第二电感元件801、第二电阻802、第二电容803、第二晶体管804、第二二极管805、第三二极管806和第三电容807，第二电感元件801的一端连接正尖峰脉冲电压的输出端706，另一端分别连接第二电阻802和第二电容803，第二电阻802的另一端与第二晶体管804的漏极相连接，第二晶体管804的源极接地，栅极与控制器21的第二PWM控制信号的输出端相连接，第二电容803的另一端连接第二二极管805的正极，第二二极管805的负极接地，第三二极管806和第三电容807串联后并接在第三二级管805的两端，且第三二极管806的负极与第二二极管805的正极位于同一端，且同时为负尖峰脉冲电压的输出端808。

本实施例中，第一电感元件701为220微亨，第一电阻702为1欧姆，第一电容705为100微法，第二电感元件801为220微亨，第二电阻802为1欧姆，第二电容803、第三电容807为1微法，第一晶体管704、第二晶体管804为N型金属氧化物半导体(NMOS)，且以第一二级管703、第二二极管805、第三二极管806为IN5819为例进行说明。

其中，如附图6A所示，第一PWM控制信号为每10毫秒出现6个周期的脉冲，每个周期中高电平持续时间为20微秒，低电平持续时间为300纳秒；如附图6B所示，第二PWM控制信号为每10毫秒出现6个周期的脉冲，每个周期中高电平持续时间为300纳秒，低电平持续时间为20微秒。

在初始DC-DC电路施加第一PWM控制信号(PWM1)时，在PWM1为高电平时，第一晶体管导通704，与第一电感元件701、第一电阻702形成通路，对第一电感元件701进行20微秒的充电，充电电流用公式(2)表示如下：

$I_0=\frac{U_p}{R_L+R_{\mathrm{on}}+R_{P14}}---\left(2\right)$

其中，I₀表示充电电流，R_L表示第一电感元件的阻抗值，R_P14表示第一电阻的阻值，R_on表示第一晶体管的导通阻值，U_p表示直流电源提供的直流电压。

在PWM1为低电平时，第一晶体管704截止，第一电感元件701放电，放电电流远远小于充电电流，用公式(3)表示如下：

$I_i=\frac{U_p}{R_L+R_D+R_C}---\left(3\right)$

其中，R_L表示第一电感元件的阻抗值，R_D表示第一二极管的阻值，R_C表示第一电容的阻抗值，U_p表示直流电源提供的直流电压。

此时，在第一电感端产生正尖峰脉冲电压，该正尖峰脉冲电压的幅度用公式(4)表示如下：

$U_{\mathrm{\Δ}}=L\frac{\mathrm{di}}{\mathrm{dt}}=L\frac{I_i-I_0}{t_{\mathrm{on}\_\mathrm{off}}}---\left(4\right)$

其中，U_Δ表示尖峰脉冲电压值，L表示第一电感元件的电感值，t_{on_off}表示第一晶体管从导通状态转换为截止状态的状态切换时间。

如附图7A所示，为第一PWM控制信号对应的正尖峰脉冲电压的波形示意图。

在负压DC-DC电路施加第二PWM控制信号(PWM2)时，在PWM2为高电平时，第二晶体管804导通，初始DC-DC电路输出的正尖峰脉冲电压经过第二电感元件801、第二电阻802、第二晶体管804形成通路，对第二电感元件801进行300纳秒的充电，充电电流用公式(5)表示如下：

$I_{01}=\frac{U_{\mathrm{\Δ}}}{R_{L1}+R_{\mathrm{on}}+R_{P15}}---\left(5\right)$

其中，R_L1表示第二电感元件的阻抗值，R_on表示第二晶体管的导通电阻值，R_P15表示第二电阻的阻值。

在PWM2为低电平时，第二晶体管804截止，第二电感元件801放电，放电电流远远小于充电电流，用公式(6)表示如下：

$I_{i1}=\frac{U_{\mathrm{\Δ}}}{R_{L1}+R_{D9}+R_{C1}}---\left(6\right)$

其中，R_L1表示第二电感元件的阻抗值，R_D9表示第二二极管的电阻值，R_C1表示第二电容的阻抗值。

在第二电感元件端产生尖峰脉冲电压，该尖峰脉冲电压用公式(7)表示如下：

$U_{\mathrm{\Δ}1}=L\frac{\mathrm{di}}{\mathrm{dt}}=L\frac{I_{i1}-I_{01}}{t_{\mathrm{on}\_\mathrm{off}}}---\left(7\right)$

其中，U_Δ1表示尖峰脉冲电压值，L表示第二电感元件的电感值，t_{on_off}表示第二晶体管从导通状态转换为截止状态的状态切换时间。

在PWM2的第二个脉冲周期到来时，PWM2再次输出高电平，第二晶体管导通使得第二电容与第二电感元件相连的一端的电压接近0伏，由于电容电压不能突变，这就使得第二电容的另一端产生负尖峰脉冲电压，如附图7B所示为与第二PWM控制信号对应的负尖峰脉冲电压波形示意图，通过直流偏置电路为该负尖峰脉冲电压增加直流偏置后形成负浪涌电压。

其中，如附图8所示，直流偏置电路23由第四二级管1101和第三电感元件1102串联形成，跨接在直流电源20和输出电路24之间，且第四二级管1101的正极与直流电源20相连接。本实施例中，将直流偏置电路23的一端连接在直流电源20的输出端，另一端连接在第二二级管805的正极所在的一端，为负压DC-DC电路输出的负尖峰脉冲电压增加直流偏置电压，形成负浪涌电压。附图9所示为浪涌电压发生器的电路结构示意图。

本实施例中，直流电源提供的直流电源为12伏或24伏。

基于上述技术方案，本发明实施例中，通过控制器提供的PWM控制信号控制脉冲群发生器包含的电感元件的充放电过程，利用电感特性，在电感的两端产生尖峰脉冲电压，在添加直流偏置后生成浪涌脉冲，从而避免使用高性能的工业控制计算机和高压变压放大器，节约了成本，降低了实现复杂度。

显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。

Claims (6)

1.一种浪涌电压发生器，其特征在于，包括：

直流电源，分别与脉冲群发生器、直流偏置电路相连接，为所述脉冲群发生器和直流偏置电路提供直流电源；

控制器，与所述脉冲群发生器相连接，为所述脉冲群发生器提供脉冲宽度调制PWM控制信号；

脉冲群发生器，包括至少一个电感元件，所述脉冲群发生器分别与直流电源、控制器相连接，通过所述PWM控制信号控制所述电感元件的充放电过程，在所述电感元件的两端产生尖峰脉冲电压，并输出至输出电路；

直流偏置电路，输入端与所述直流电源相连接，输出端与输出电路相连接，为所述脉冲群发生器输出至输出电路的尖峰脉冲电压提供直流偏置电压；

输出电路，分别与所述脉冲群发生器、直流偏置电路的输出端相连接，为所述尖峰脉冲电压增加直流偏置电压形成浪涌电压后输出；

其中，所述脉冲群发生器包括初级DC-DC电路和负压DC-DC电路，其中，

所述初级DC-DC电路中分别与直流电源、控制器相连接，通过所述控制器提供的第一PWM控制信号控制所述初级DC-DC电路包含的第一电感元件的充放电过程，在所述第一电感元件的两端产生正尖峰脉冲电压，并输出至负压DC-DC电路；

所述负压DC-DC电路分别与所述初级DC-DC电路的输出端、控制器相连接，通过所述控制器提供的第二PWM控制信号控制所述负压DC-DC电路包含的第二电感元件的充放电过程，在所述第二电感元件的两端产生负尖峰脉冲电压，并输出至输出电路。

2.如权利要求1所述的浪涌电压发生器，其特征在于，所述初级DC-DC电路包括第一电感元件、第一电阻、第一二极管、第一晶体管和第一电容，所述第一电感元件的一端连接直流电源，另一端分别连接第一电阻和第一二极管的正极；

所述第一电阻的另一端与第一晶体管的漏极相连接，所述第一晶体管的源极接地，所述第一晶体管的栅极与控制器的第一PWM控制信号的输出端相连接；

所述第一二极管的负极与第一电容串联后接地；

将所述第一电感元件与所述第一二极管正极相连接的一端作为正尖峰脉冲电压的输出端。

3.如权利要求2所述的浪涌电压发生器，其特征在于，所述负压DC-DC电路包括第二电感元件、第二电阻、第二电容、第三电容、第二晶体管、第二二极管和第三二极管，所述第二电感元件的一端连接所述正尖峰脉冲电压的输出端，另一端分别连接第二电阻和第二电容；

所述第二电阻的另一端与第二晶体管的漏极相连接，所述第二晶体管的源极接地，所述第二晶体管的栅极与控制器的第二PWM控制信号的输出端相连接；

所述第二电容的另一端连接第二二极管的正极，所述第二二极管的负极接地，第三二极管和第三电容串联后并接在所述第二二极管的两端，且所述第三二极管的负极与所述第二二极管的正极位于同一端，并作为所述负压DC-DC电路输出负尖峰脉冲电压的输出端。

4.如权利要求3所述的浪涌电压发生器，其特征在于，所述直流偏置电路为第四二极管和第三电感元件串联形成，跨接在所述直流电源和输出电路之间，且所述第四二极管的正极与直流电源相连接。

5.如权利要求4所述的浪涌电压发生器，其特征在于，所述直流偏置电路一端连接在直流电源的输出端，另一端连接所述第二二极管的正极端，为所述负压DC-DC电路输出的负尖峰脉冲电压增加直流偏置电压，形成负浪涌电压。

6.如权利要求1-5任一项所述的浪涌电压发生器，其特征在于，所述第一PWM控制信号为每10毫秒出现6个周期的脉冲，每个周期中高电平持续 时间为20微秒，低电平持续时间为300纳秒；

所述第二PWM控制信号为每10毫秒出现6个周期的脉冲，每个周期中高电平持续时间为300纳秒，低电平持续时间为20微秒。