CN103049028A - 一种用于高压磁开关复位的恒流源 - Google Patents

一种用于高压磁开关复位的恒流源 Download PDF

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Abstract

一种用于高压磁开关复位的恒流源，属于功率电子技术，解决现有恒流源缺乏高压隔离电路的问题，以用于高电压脉冲场合。本发明包括全桥逆变器、谐振电路、整流桥、高频滤波电路、反馈电路和控制电路。本发明利用MOS场效应管工作在零电流状态，使得输入的能量可以近乎无损耗地传输给串联谐振电路；通过调节MOS场效应管周期可以调节输出电流的大小，输出具有恒流源的特性，无须在输出端提供额外的镇流电阻；采用由滤波电感、滤波电容、隔离二极管和钳位二极管组成的高频滤波电路，阻断了脉冲电源中磁开关或变压器的复位电路中耦合的高压脉冲的影响，确保了恒流源的安全性。

Description

一种用于高压磁开关复位的恒流源
技术领域
本发明属于功率电子技术，具体涉及一种用于高压磁开关复位的恒流源，适用于在脉冲电源中为磁开关或变压器提供复位电流。
背景技术
为了能够输出数万伏的高压脉冲，使准分子激光器放电腔体内形成稳定、快速的脉冲辉光放电，准分子激光器的脉冲电源一般采用磁开关对低压脉冲进行压缩，再经过脉冲变压器对电压脉冲进行升压。其中为了控制磁开关或可饱和脉冲变压器的饱和时间，提高能量的传递效率，一般需要耦合一个恒流源对其提供直流偏置电流进行复位。由于磁开关和可饱和脉冲变压器均工作在高压状态，因此该恒流源两端也会耦合高压脉冲。
传统的恒流源一般常采用线性电路组成，而对于大电流的恒流源，用线性电路来组成就会显现出诸多劣势，如较难找到合适的大功率、大电流晶体管，且大量的能量会消耗在晶体管和电阻上，导致线性电子元件组成的恒流源效率很低，不宜长时间工作。此外输出端耦合进来的数万伏高压脉冲使得晶体管的保护电路设计很复杂，且一般难以满足要求。
2009年深圳大族激光科技有限公司在CN101763128B中公开了一种恒流源，该恒流源由电压稳压器、驱动元件、恒流反馈单元以及负载自适应反馈单元组成，其中恒流反馈单元控制恒流源向负载提供恒定电流，负载自适应反馈单元控制恒流源输出电压随负载的变化而变化，有效地减少了恒流源的热损耗，但该恒流源在输出端没有高压隔离电路，不适用于高电压脉冲场合。
发明内容
本发明提供一种用于高压磁开关复位的恒流源，利用高频滤波电路和高频变压器，滤除和隔离输出端耦合进来的高压脉冲，解决现有恒流源缺乏高压隔离电路的问题，以用于高电压脉冲场合。
本发明所提供的一种用于高压磁开关复位的恒流源，包括全桥逆变器、谐振电路、整流桥、反馈电路和控制电路；
所述全桥逆变器由四个MOS场效应管两两串联之后并联构成，全桥逆变器输入端输入经380V交流电压整流滤波后的520V直流电压；
所述谐振电路由谐振电感、高频变压器和谐振电容组成，谐振电感一端连接全桥逆变器的一个输出端，谐振电感另一端与高频变压器原边和谐振电容一端依次串联，谐振电容另一端连接全桥逆变器的另一个输出端，所述高频变压器为降压变压器，实现线电压与负载电压的匹配；
所述高频变压器的副边连接整流桥输入端，所述整流桥由四个整流二极管两两串联之后并联组成；
所述反馈电路由第一电阻、第二电阻和电流传感器构成，第一电阻的首端为恒流源正输出端，第一电阻的尾端和第二电阻首端连接，第二电阻的尾端为恒流源负输出端，电流传感器套于连接整流桥负输出端和恒流源负输出端的导线上；
所述控制电路的电压采样端连接所述第一电阻和第二电阻的连接点，控制电路的电流采样端连接所述电流传感器的输出端，控制电路的输出端输出两路信号，分别送到所述全桥逆变器的两个控制端；
其特征在于：
还具有高频滤波电路，高频滤波电路由第一滤波电感、滤波电容、隔离二极管、钳位二极管、第二滤波电感构成；
整流桥的正输出端经第一滤波电感与隔离二极管阳极以及滤波电容的一端相连，隔离二极管的负极连接钳位二极管的负极和第二滤波电感的一端，钳位二极管的正极与滤波电容另一端以及整流桥的负输出端相连，第二滤波电感的另一端连接第一电阻的首端。
所述的恒流源，其特征在于：
所述控制电路根据所述反馈电路的电流及电压反馈信号控制全桥逆变器中四个MOS场效应管的开通和关断时间，MOS场效应管在零电流的状态下打开，MOS场效应管导通后，流过MOS场效应管的电流波形接近于正弦波，当电流过零点时，控制电路给出关断MOS场效应管的信号。
所述用于高压磁开关复位的恒流源，其特征在于
所述全桥逆变器中MOS场效应管耐压值不小于520V，最大漏极电流不小于10A，驱动栅极电压不大于20V；
所述整流桥中二极管的最大反向峰值电压不小于100V，直流通态电流不小于30A，最大正向峰值电流不小于60A；
所述高频变压器选用原副边匝数比为40∶1～50∶1的高频降压变压器。
本发明利用MOS场效应管工作在零电流状态，使得输入的能量可以近乎无损耗地传输给串联谐振电路；通过调节MOS场效应管周期可以调节输出电流的大小，输出具有恒流源的特性，无须在输出端提供额外的镇流电阻；采用由滤波电感、滤波电容、隔离二极管和钳位二极管组成的高频滤波电路，阻断了脉冲电源中磁开关或变压器的复位电路中耦合的高压脉冲的影响，确保了恒流源的安全性。
附图说明
图1为本发明的结构示意图；
具体实施方式
以下结合附图和实施例对本发明进一步说明。
如图1所示，本发明的实施例包括全桥逆变器1、谐振电路2、整流桥3、高频滤波电路4、反馈电路5、控制电路6。
全桥逆变器1由第一MOS场效应管7和第二MOS场效应管8串联，第三MOS场效应管9和第四MOS场效应管10串联之后再并联构成，全桥逆变器输入端输入经380V交流电压整流滤波后的520V直流电压；本实施例中四个MOS场效应管选用美国Vishay公司的SIHP12N60E，该开关器件的耐压值为650V，栅极驱动电压20V。
谐振电路2由谐振电感11、高频变压器12和谐振电容13组成，谐振电感11一端连接全桥逆变器1的一个输出端，谐振电感11另一端与高频变压器12原边和谐振电容13一端依次串联，谐振电容13另一端连接全桥逆变器1的另一个输出端，所述高频变压器12为降压变压器，实现线电压与负载电压的匹配；本实施例中谐振电感11为自制绕组线圈电感，其电感量约为1mH，谐振电容13选用电容值为10nF的陶瓷电容，高频变压器12选用原副边匝数比为40∶1的高频降压变压器，同时可以将输出端耦合进来的高压脉冲进行隔离。
整流桥3由第一整流二极管14和第二整流二极管15串联、第三整流二极管16和第四整流二极管17串联之后再并联组成，高频变压器12的副边两输出端分别连接第一整流二极管14的正极和第三整流二极管16的正极。
高频滤波电路4由第一滤波电感18、滤波电容19、隔离二极管20、钳位二极管21、第二滤波电感22构成；整流桥3的正输出端(第三整流二极管16的负极)经第一滤波电感18与隔离二极管20阳极以及滤波电容19的一端相连，隔离二极管20的负极连接钳位二极管21的负极和第二滤波电感22的一端，钳位二极管21的正极与滤波电容19另一端以及整流桥的负输出端(第四整流二极管17正极)相连，第二滤波电感22的另一端连接第一电阻24的首端。
各整流二极管、隔离二极管20和钳位二极管21均选用美国ONSEMI公司生产的NTSV30100SG，该二极管的最大方向峰值电压为100V，直流通态电流为30A，最大正向峰值电流为为60A。
第一滤波电感18采用在环形铁基超微晶磁芯上绕制绕组线圈构成的可饱和电感，饱和时电感量为500nH；第二滤波电感为自制绕组线圈电感，电感值值为220uH，滤波电容21为高频陶瓷电容，电容值为110uF。
反馈电路5由第一电阻24、第二电阻25和电流传感器23构成，第一电阻24的首端为恒流源正输出端，第一电阻24的尾端和第二电阻25首端连接，第二电阻25的尾端为恒流源负输出端，电流传感器23套于连接整流桥负输出端和恒流源负输出端的导线上；第一电阻阻值为1MΩ，第二电阻阻值为510kΩ，电流传感器23选用瑞士LEM公司的HAL50S，其可采样的电流范围为-150～+150A。
控制电路6的电压采样端连接所述第一电阻24和第二电阻25的连接点，控制电路6的电流采样端连接所述电流传感器23的输出端，控制电路6的输出端输出两路信号，分别送到所述全桥逆变器的两个控制端；
控制电路根据所述反馈电路的电流及电压反馈信号控制全桥逆变器中四个MOS场效应管的开通和关断时间，MOS场效应管在零电流的状态下打开，MOS场效应管导通后，流过MOS场效应管的电流波形接近于正弦波，当电流过零点时，控制电路给出关断MOS场效应管的信号。
控制电路选用美国TI公司生产的谐振模式电源控制器芯片UC3865构成，该芯片为零电流控制芯片，可编程压控振荡频率为10KHz～1MHz，根据采样的电流和电压，通过调节压控振荡频率输出一对控制信号，控制全桥逆变器中四个MOS管的开通和关断的周期，输出电流在0-30A范围内可调。

Claims (3)

1.一种用于高压磁开关复位的恒流源，包括全桥逆变器(1)、谐振电路(2)、整流桥(3)、反馈电路(5)和控制电路(6)；
所述全桥逆变器(1)由四个MOS场效应管两两串联之后并联构成，全桥逆变器(1)输入端输入经380V交流电压整流滤波后的520V直流电压；
所述谐振电路(2)由谐振电感(11)、高频变压器(12)和谐振电容(13)组成，谐振电感(11)一端连接全桥逆变器(1)的一个输出端，谐振电感(11)另一端与高频变压器(12)原边和谐振电容(13)一端依次串联，谐振电容(13)另一端连接全桥逆变器(1)的另一个输出端，所述高频变压器(12)为降压变压器，实现线电压与负载电压的匹配；
所述高频变压器(12)的副边连接整流桥(3)输入端，所述整流桥(3)由四个整流二极管两两串联之后并联组成；
所述反馈电路(5)由第一电阻(24)、第二电阻(25)和电流传感器(23)构成，第一电阻(24)的首端为恒流源正输出端，第一电阻(24)的尾端和第二电阻(25)首端连接，第二电阻(25)的尾端为恒流源负输出端，电流传感器(23)套于连接整流桥负输出端和恒流源负输出端的导线上；
所述控制电路(6)的电压采样端连接所述第一电阻(24)和第二电阻(25)的连接点，控制电路(6)的电流采样端连接所述电流传感器(23)的输出端，控制电路(6)的输出端输出两路信号，分别送到所述全桥逆变器(1)的两个控制端；
其特征在于：
还具有高频滤波电路(4)，高频滤波电路由第一滤波电感(18)、滤波电容(19)、隔离二极管(20)、钳位二极管(21)、第二滤波电感(22)构成；
整流桥(3)的正输出端经第一滤波电感(18)与隔离二极管(20)阳极以及滤波电容(19)的一端相连，隔离二极管(20)的负极连接钳位二极管(21)的负极和第二滤波电感(22)的一端，钳位二极管(21)的正极与滤波电容(19)另一端以及整流桥的负输出端相连，第二滤波电感(22)的另一端连接第一电阻(24)的首端。
2.如权利要求1所述的恒流源，其特征在于：
所述控制电路根据所述反馈电路的电流及电压反馈信号控制全桥逆变器中四个MOS场效应管的开通和关断时间，MOS场效应管在零电流的状态下打开，MOS场效应管导通后，流过MOS场效应管的电流波形接近于正弦波，当电流过零点时，控制电路给出关断MOS场效应管的信号。
3.如权利要求1或2所述的恒流源，其特征在于
所述全桥逆变器中MOS场效应管耐压值不小于520V，最大漏极电流不小于10A，驱动栅极电压不大于20V；
所述整流桥中二极管的最大反向峰值电压不小于100V，直流通态电流不小于30A，最大正向峰值电流不小于60A；
所述高频变压器选用原副边匝数比为40∶1～50∶1的高频降压变压器。
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