CN103490661A - 具有正负脉冲输出的全固态高压脉冲电流源 - Google Patents

Abstract

本发明属于电源技术领域，具体涉及一种具有正负脉冲输出的全固态高压脉冲电流源。本发明的全固态高压脉冲电流源由一系列串联的基本放电单元（半桥电路或全桥电路）构成，同时将电感与负载串联。本发明以低压的半桥或全桥电路作为串联电路的基本放电单元，可以有效降低系统充电电压，使电源安全可靠性得到提高，体积大为降低；通过调节开关管同步控制信号可使电源具有极强的可调性，尤其在输出电压、脉宽以及工作频率等方面具有很强的灵活性；通过对各个放电单元的异步控制也可对输出脉冲波形进行细节修饰，有利于获得更为精确的脉冲输出。

Description

具有正负脉冲输出的全固态高压脉冲电流源

技术领域

本发明属于电源技术领域，具体涉及一种具有正负脉冲输出的全固态高压脉冲电流源。

背景技术

目前，高压脉冲电流源被广泛应用于科研、国防及工业生产领域，如电火花加工、等离子体放电、激光器电源、脉冲电磁干扰源、加速器踢轨（kicker）电源以及特种材料制备改性等。传统系统中，多采用高压电容器或脉冲形成网络通过触发管或闸流管对负载放电。

传统高压脉冲电流源通常采用分立器件实现脉冲高压输出，即电源各部分均为高压器件，例如高压电容器、高压传输线、高压充电源以及高压氢闸流管等。高压分立器件的使用，造成系统体积庞大，成本高昂，尤其在需要窄脉冲电流的场合，高压传输线和脉冲形成网络往往需要较大空间，同时为了获得方波脉冲，需要对负载进行阻抗匹配，这在一定程度上降低了系统的效率，且不利于电源的重频工作。高压的开关器件，如闸流管、三电极开关以及引燃管等，在工作电压方面不能灵活调整，且工作特性与工作电压有直接相关性，因此不利于获得稳定的且波形可调的脉冲波，这一点也限制了高压脉冲电流源的应用。

发明内容

本发明的目的在于提供一种体积小、寿命长、故障率低、电流脉冲参数易于调整、具有正负脉冲输出的全固态高压脉冲电流源。

本发明提出的具有正负脉冲输出的全固态高压脉冲电流源，由一系列串联的基本放电单元（半桥电路或全桥电路）构成，同时将电感与负载串联。充电单元直接与放电单元中的电容器相连，用于对其进行充电；放电单元串联连接用于产生高压，然后与电感以及负载串联连接，构成回路。以低压的半桥或全桥电路作为串联电路的基本单元，可以有效降低系统充电电压，使电源安全可靠性得到提高，体积大为降低；通过调节开关管（如MOSFET以及IGBT）同步控制信号可使电源具有极强的可调性，尤其在输出电压、脉宽以及工作频率等方面具有很强的灵活性；通过对各个放电单元的异步控制也可对输出脉冲波形进行细节修饰，有利于获得更为精确的脉冲输出。 

串联的半桥电路基本放电单元为半桥电路，所述半桥电路由2个电容器、2个开关管以及相应驱动电路经电路连接构成，2个电容器与2个开关管均串联连接，然后构成并联关系，它们的公共端即为半桥电路的输出端；驱动电路通常直接与开关管驱动极相连。开关管的控制可调整放电电压极性，从而在电感以及负载上获得不同方向的脉冲电流。采用半桥电路构成的脉冲电流源其特点主要是：输出电流脉冲多为三角形或多个三角形脉冲电流的叠加。通过调整放电单元对负载放电时间，可改变负载上的电流脉冲前沿；通过改变放电电压幅值可改变负载上电流幅值；电流脉冲的下降沿则由负载、电感、电容器以及回路杂散参数决定。在充电阶段各级半桥放电单元对地电位一致，在电容器通过开关管串联放电时刻，各级半桥放电单元存在一定的电位差，因此电容器充电系统需要考虑放电时刻各个放电单元间的相互隔离问题，即设置隔离，该隔离可以是磁环隔离，也可以是光纤隔离。相应的，开关管控制系统同样按照隔离方式的不同分为两种：磁环隔离控制系统以及光纤隔离控制系统，前者主要依靠磁耦合控制信号或驱动信号，后者依靠光电系统耦合控制信号。当充电系统与控制系统匹配运行时，可获得重复频率脉冲输出。

串联的全桥电路结构与上述的电路结构类似，基本的放电单元为全桥电路，所述全桥电路由1个电容器、4个开关管及相关驱动电路经电路连接构成，4个开关管两两串联构成2个桥臂，2个桥臂均与电容器构成并联关系，两个桥臂开关管的公共端即为该全桥电路的输出端口；驱动电路通常直接与开关 管驱动极相连。两种电路结构在充电及控制系统方面较为一致，但是全桥放电单元构成的电路能够在负载上产生近似方波电流脉冲，依靠开关管的时序控制，可以使负载以及与之串联的电感获得续流通路，从而维持负载上的电流。由于续流回路存在损耗，为了得到电流脉冲平顶，可通过规定某一级或几级作为平顶补偿单元，改变补偿单元的充电电压以及导通时序，可改变输出电流平顶斜度，目的是在脉冲电流续流阶段维持合适的低电压放电补偿续流回路损耗，从而抑制电流脉冲的顶降。对于一些特殊的需要，也可通过补偿机制产生各种异形电流脉冲。

无论是对于放电单元采用全桥电路结构还是半桥电路结构的全固态高压脉冲电流源，都可以通过控制每一个放电单元的工作状态来调整电压脉冲。也可以使一个或多个放电单元不工作，同时不影响其他放电单元的正常运行，以此改变输出脉冲的幅值。同时，电路结构使得放电单元不存在动态均压问题，有利于全固态高压脉冲电流源的安全可靠运行及维护。

由于上述技术方案的使用，本发明与现有技术相比具有以下优势：

1.    电源系统均由低压器件构成，因此成本较低，体积较小；

2.    采用全固态器件构成的电路系统，使得输出脉冲波形可调，如前后沿、脉冲电流峰值、脉冲宽度以及平顶顶降等；

3.    放电单元中的半导体开关管在导通和关断过程中不会面临过压击穿的危险。单个放电单元的故障不会对其他开关的正常运行产生影响；

4.    充电电源只需要低压直流电源或是低压高频交流电源，与传统方案中使用的高压直流电源相比大大降低了成本；

5.    既能产生单向脉冲，又能产生双向脉冲；

6.    不需要使用匹配电阻，提高了系统运行效率，有利于电源的重频运行。

附图说明

图1为放电单元为半桥电路结构的具有正负脉冲输出能力的三级全固态高压脉冲电流源实施方式结构图。

图2为放电单元为全桥电路结构的具有正负脉冲输出能力的三级全固态高压脉冲电流源实施方式结构图。

图中标号：

101、102、103、104、105、106—电容器或电容器组，如电解电容、陶瓷电容、薄膜电容、安规电容以及脉冲成形网络等已知的电荷存储元件；

111、112、113、114、115、116—开关器件（放电开关），如BJT、可控硅、IGBT、MOSFET、GTO、IGCT、各类闸流管以及气体开关等已知的开关器件，通常该开关内部需集成一只反并联二极管，也可外加；

121、122、123、124、125、126—放电开关的驱动电路单元或触发电路单元，各种驱动触发电路或驱动芯片；

131、132、133、134、135、136—驱动信号线，可通过磁耦合或光纤耦合提供信号至开关驱动单元；

141、142、143—电容器充电单元，包括电阻限流充电、电感限流充电以及变压器升压充电等结构；

151—电感器，铁芯电感器或空心电感器，已电流形式存储能量；

161—负载。

2001、2002、2003—电容器或电容器组，如电解电容、陶瓷电容、薄膜电容、安规电容等已知的电荷存储元件；

2101、2102、2103、2104、2105、2106、2107、2108、2109、2110、2111、2112—开关器件（放电开关），如BJT、可控硅、IGBT、MOSFET、GTO、IGCT、各类闸流管以及气体开关等已知的开关器件，通常该开关内部需集成一只反并联二极管，也可外加；

2201、2202、2203、2204、2205、2206、2207、2208、2209、2210、2211、2212—放电开关的驱动电路单元或触发电路单元，各种驱动触发电路或驱动芯片；

2301、2302、2303、2304、2305、2306、2307、2308、2309、2310、2311、2312—驱动信号线，可通过磁耦合或光纤耦合提供信号至开关驱动单元；

2401、2402、2403—包括电阻限流充电、电感限流充电以及变压器升压充电等结构；

2501—电感器，铁芯电感器或空心电感器，已电流形式存储能量；

2601—负载。

具体实施方式

本发明涉及用于在负载上产生双极性脉冲电流的系统和方法。用半导体开关开通和关断的特性，将输出的高压脉冲施加于感性以及负载上，电感作为储能元件提供电流脉冲，并且输出脉冲的宽度、频率、边沿和幅值都易于调节。

本发明的实施方式按照放电单元结构分为2种，具体实例以三级放电单元串联作为基本结构，实际应用中放电单元的串联级数也可根据需要灵活增减。其描述如下：

图1示出基于半桥放电单元的实施方式实例。图中，基本放电单元有三个，其串联后与电感及负载直接相连构成回路。每个基本放电单元分别由2个电容器，2个开关管，2个开关驱动以及1个电容器充电单元组成。2个电容器与2个开关管均串联连接，然后构成并联关系，它们的公共端即为半桥电路的输出端；驱动电路通常直接与开关管驱动极相连；电容器充电单元分别接至2个串联电容器的两端，对其进行充电。

该实施方式中，各级充电单元（141~143）首先对电容器（101~106）充电，当电容器（101~106）电压稳定后，如果开关驱动（122、124、126）分别对开关管（112、114、116）发出驱动信号，则电容器（102、104、106）、开关管（112、114、116）、电感（151）以及负载（161）构成放电回路，电感（151）和负载（161）上承受正脉冲电压，此时电感（151）上出现向下的电流，且其值逐渐增大。开关管（112、114、116）开通时间越长，电感（151）上的电流越大，但是其峰值与前沿也与电容器（102、104、106）的容量有关。在放电过程中，当开关驱动（122、124、126）发出置低的驱动信号时，开关管（112、114、116）关断，此时电感（151）、开关管（111、113、115）的反并联二极管、负载（161）以及电容器（101、103、105）构成续流回路，此时电感（151）和负载（161）上的电压为负高压，电感（151）的电流会持续下降至零，此过程中电感（151）的储能转移至电容器（101、103、105）以及负载（161）中。以上过程便会在负载（161）上产生一个方向向下的类似三角波的电流脉冲，其幅值可通过改变开关（112、114、116）的导通时间控制。同理，如果在电容器（131~136）电压稳定后，首先开通开关（111、113、115），则会在电感（151）上产生一个向上的脉冲电流。驱动线（131~136）上的驱动信号通常可通过变压器耦合提供或者光纤耦合提供。

图2的实施方式实例是基于全桥结构的三级高压脉冲电流源，其与图1所示半桥放电单元构成的回路最大不同在于：通过移相控制可在负载上获得窄脉冲电流，且能够为负载提供低损耗无吸收的续流回路，从而能够在负载上提供电流脉冲平顶。图中，基本放电单元有三个，其串联后与电感及负载直接相连构成回路。每个基本放电单元分别由1个电容器，4个开关管，4个开关驱动以及1个电容器充电单元组成。4个开关管两两串联构成2个桥臂，2个桥臂均与电容器构成并联关系，两个桥臂开关管的公共端即为该全桥电路的输出端口；驱动电路通常直接与开关管驱动极相连；电容器充电单元接至电容器的两端，对其进行充电。

以图2所示电路结构为例，当电容器（2001~2003）充好电后，开关管（2101、2103、2105、2107、2109、2111）开通后在电感（2501）和负载（2601）上获得高压正脉冲，在实际控制中，由于开关管存在最短导通时间，直接控制往往难以得到较窄脉冲宽度，在如图2所示电路中，可先同时给开关管（2101、2105、2109）一定时间的导通驱动信号，延时一段时间后再给开关管（2103、2107、2111）同样时间宽度的驱动信号，使两个驱动信号存在公共交叠的区域，从电路原理上看，驱动信号的交叠区即是负载上获得高压脉冲的宽度，因此通过移相控制可获得窄脉冲。当高压脉冲施加于电感（2501）和负载（2601）上后，负载电流线性上升，当开关管（2101、2105、2109）关断时，电感（2501）、负载（2601）、开关管（2103、2107、2111）以及开关管（2104、2108、2112）的反并联二极管构成续流回路，该回路损耗主要由各器件的导通电阻或导通压降决定。当开关管（2103、2107、2111）关断时，电流便会沿开关管（2102、2104、2106、2108、2110、2112）的反并联二极管、电容器（2001~2003）电感（2501）以及负载（2601）流通，这个过程中，电感（2501）及负载（2601）承受负高压，电流降低，能量转移至电容器（2001~2003）和负载（2601）中，至此单方向上的放电过程结束，在感性负载上产生有一定平顶的脉冲电流波形。通过控制开关管（2101~2112）的导通时序，可在负载上获得双极脉冲波形。

在平顶阶段，由于续流回路存在一定损耗，直接续流的过程中电流值会有所降低，形成一定的顶降。为了补偿这一部分损耗，可将整个电路中的部分放电单元单独控制作为平顶补偿部分，即在电感续流阶段，该部分仍然输出一定幅值的脉冲电压来维持电感及负载上的电流，保持电流平顶。通过改变平顶补偿部分的输出电压值可以调节平顶补偿程度，从而可以根据负载的实际情况灵活选择控制方式。

在本发明所述的电路中，开关驱动部分所需提供的控制信号需要进行隔离，通常采用光纤、光耦或者磁环隔离。通过适当的控制方式可在负载上获得任意波形的脉冲电流。

Claims (7)

1. 一种具有正负脉冲输出的全固态高压脉冲电流源，其特征在于由一系列串联的基本放电单元构成，基本放电单元为半桥电路或全桥电路；充电单元直接与放电单元中的电容器相连，用于对其进行充电；放电单元串联连接用于产生高压，然后与电感以及负载串联连接，构成回路。

2. 根据权利要求1所述的全固态高压脉冲电流源，其特征在于所述串联的半桥电路基本放电单元为半桥电路，所述半桥电路由2个电容器、2个开关管以及相应驱动电路经电路连接构成，2个电容器与2个开关管均串联连接，然后构成并联关系，它们的公共端即为半桥电路的输出端；驱动电路直接与开关管驱动极相连。

3. 根据权利要求1所述的全固态高压脉冲电流源，其特征在于所述串联的全桥电路基本放电单元为全桥电路，所述全桥电路由1个电容器、4个开关管及相关驱动电路经电路连接构成，4个开关管两两串联构成2个桥臂，2个桥臂均与电容器构成并联关系，两个桥臂开关管的公共端即为该全桥电路的输出端口；驱动电路通常直接与开关 管驱动极相连。

4. 根据权利要求2所述的全固态高压脉冲电流源，其特征在于所述各个放电单元间的有设置隔离，该隔离是磁环隔离，或者是光纤隔离；相应的，开关管控制系统同样按照隔离方式的不同分为两种：磁环隔离控制系统以及光纤隔离控制系统，前者主要依靠磁耦合控制信号或驱动信号，后者依靠光电系统耦合控制信号。

5. 根据权利要求3所述的全固态高压脉冲电流源，其特征在于通过规定某一级或几级作为平顶补偿单元，改变补偿单元的电压以及导通时序，可改变输出电流平顶斜度，从而得到电流脉冲平顶。

6. 根据权利要求4所述的全固态高压脉冲电流源，其特征在于多个半桥电路构成的基本放电单元输出直接串联，在开关管触发导通后，电压累加形成脉冲高压；电感与负载串联后与级联的放电单元构成回路；在该电路中，每一级放电单元中的电容器与充电单元相连，并由其提供能量；开关管的驱动信号由驱动电路提供。

7. 根据权利要求5所述的全固态高压脉冲电流源，其特征在于多个全桥电路构成的基本放电单元输出直接串联，在开关管触发导通后，电压累加形成脉冲高压；电感与负载串联后与级联的放电单元构成回路；在该电路中，每一级放电单元中的电容器与充电单元相连，并由其提供能量；开关管的驱动信号由驱动电路提供。

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