CN103618472B - 具有单极性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，具体涉及一种具有单极性脉冲输出的全固态高压脉冲电流源。本发明的单极性脉冲输出的固态高压脉冲电流源，由基本的放电单元串联构成，并通过使用电感与高压二极管，使负载上的电流保持恒定，同时其电压值由负载特性与电感电流参数同时决定。在用于脉冲耐压测试时，电源不受负载短路情况影响；在用于测试压敏器件耐压时，可有效提供稳定的脉冲电流。

Description

具有单极性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，具体涉及一种具有单极性脉冲输出的全固态高压脉冲电流源。

背景技术

伴随着脉冲功率技术的发展，高压脉冲电流源的应用也越来越广泛，除了常规的激光器泵浦、离子注入材料改性、电火花加工、开关电极老化以及气体放电相关应用外，一些高低压器件的脉冲特性研究也引起广泛关注，例如材料以及器件的脉冲耐压特性。目前测试耐压的装置多以直流高压电源为主，涉及到冲击耐压时，多采用冲击电压发生器作为高压发生装置。

常规的电力电子技术获得脉冲电流主要采用电感结合断路开关的方法，一方面，由于现有断路开关通常为低压器件，在断开电流的同时往往会产生脉冲过电压，当过电压幅值超过开关器件的耐压值后，开关器件容易发生击穿损坏，因此常规的脉冲电流源断路开关需要加入过压保护或者尖峰电压吸收电路；另一方面，由于电源系统耐压低，导致常规的技术难以使用在既需要高压又需要脉冲电流的场合，而高压的断路开关目前还不成熟，且稳定性不够，寿命有限。在高压场合所使用的冲击电压发生器采用Marx结构，整个装置由电容器、隔离电阻（或电感）以及火花间隙构成，产生的脉冲电压波形难以控制，幅值难以调节，输出电流不可控，在精确测试场合难以满足要求，例如高压压敏元件的测试中，往往既需要高压又需要具有较为恒定的输出电流。典型的高压脉冲电流源往往需要断路开关来实现，而目前高压断路开关存在动作不稳定，寿命较短等缺点，难以获得较好的输出结果，从而影响测试结果。

发明内容

本发明的目的在于提供一种寿命长、故障率低、输出可调性好的单极性固态高压脉冲电流源。

本发明提出的单极性脉冲输出的固态高压脉冲电流源，由基本的放电单元串联构成，并通过使用电感与高压二极管，使负载上的电流保持恒定，同时其电压值由负载特性与电感电流参数同时决定。充电单元接到放电单元中电容器两端，并为其充电；各级放电单元串联连接构成电压叠加电部分；高压二极管与电感构成感性储能部分；负载与高压二极管串联构成能量吸收部分。电压叠加部分、感性储能部分以及能量吸收部分三者并联连接。在用于脉冲耐压测试时，电源不受负载短路情况影响；在用于测试压敏器件耐压时，可有效提供稳定的脉冲电流。其中串联的基本单元个数没有上限，可根据需要进行组合。

本发明中，基本放电单元由开关器件（如IGBT、MOSFET）、二极管以及电容器经电路连接构成，基本放电单元含有2个开关器件、2个开关驱动、2个二极管以及1个电容器；1个开关器件和1个二极管串联组成一个桥臂，2个开关器件和2个二极管组成的2个桥臂并联连接，并联的连接点即为该放电单元的输出；电容器接则至2个桥臂中开关器件和二极管的公共端；开关驱动连接至开关器件驱动极，以提供驱动信号。通过控制开关器件的通断，使各放电单元中的电容器串联起来对电感放电，从而使得电感储能，当开关器件受控断开使，电感会通过负载进行续流，从而在负载上获得高压，同时由于其电流不能发生突变，因此在短时间内，负载上的电流值不变，如果负载短路，短路电流不超过电感电流的最大值。电源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，从而控制电感电流。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，电路固有特性使得放电单元的失效不会发生开关器件动态均压不平衡的情况，有利于固态高压脉冲电流源的安全可靠运行及维护。

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，系统较为安全，成本较低；

2.放电单元中的半导体开关器件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；

3.开关器件的使用，使得电源输出参数能够在较大范围内调整，利于相关研究工作；

4.系统结构使得电源输出电压存在最大值，不易出现过压情况；

5.由于电路存在能量吸收功能，电感中存储的剩余能量能够被有效利用。

附图说明

图1为单极性固态高压脉冲电流源实施方式结构图。

图中标号：

101、102、103—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、144、145、146—续流二极管，各类二极管或二极管串联构成的硅堆；

151、152、153—各级电容充电单元；

161、162—高压二极管或硅堆；

171—电感，各类已知的铁芯电感或空心电感；

181—负载。

具体实施方式

本发明涉及一种脉冲电流源的实现方法。用半导体开关的同步开通，将低压的电容器串联起来对电感放电，从而产生电流脉冲，当开关器件关断时，电感通过负载续流，在负载上产生高压脉冲，由于电感电流不能突变，负载上高压脉冲幅值由负载特性决定。

本发明的实施方式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所示实施方式中，图中，基本放电单元有三个，其串联后构成电压叠加部分；高压二极管与电感串联构成感性储能部分；高压二极管与负载串联连构成能量吸收部分；三个部分并联连接。基本放电单元含有2个开关器件、2个开关驱动、2个二极管以及1个电容器；1个开关器件和1个二极管串联组成一个桥臂，2个开关器件和2个二极管组成的2个桥臂并联连接，并联的连接点即为该放电单元的输出；电容器接则至2个桥臂中开关器件和二极管的公共端；开关驱动连接至开关器件驱动极，以提供驱动信号。各级充电单元输出两端接到电容器两端对其进行充电。充电单元（151~153）分别向电容器（101~103）充电。当电容器（101~103）电压稳定后，如果开关驱动（121~126）分别对开关器件（111~116）发出驱动信号，则电容器（101~103）、开关器件（111~116）、高压二极管（161）以及电感（171）构成高压放电回路，电感（171）上承受正脉冲电压，此时电感（171）上出现向下的电流，且其值逐渐增大。与此同时，由于高压二极管（162）处于反偏状态，负载（181）上并无高压产生。开关器件（111~116）开通时间越长，电感（171）上的电流越大，但是其峰值也受制于电容器（101~103）的容量限制，在电源设计过程中，电容容值应尽量取大。

在电感（171）的充电过程中，如果开关驱动（121~126）发出置低的驱动信号时，开关器件（111~116）关断，此时电感（171）、高压二极管（161、162）以及负载（181）构成续流回路，此时负载上产生负高压，期间由于负载消耗能量，其电流会持续下降至零。在电感（171）的充电过程中，如果开关器件（111、113、115）先于开关（112、114、116）关断，则电感（171）将会通过开关器件（112、114、116）以及续流二极管（142、144、146）续流；在电感（171）的充电过程中，如果开关器件（112、114、116）先于开关器件（111、113、115）关断，则电感（171）将会通过开关器件（111、113、115）以及续流二极管（141、143、145）续流；在以上两个过程中，电感电流基本保持不变，但由于续流回路中存在损耗，故其电流值仍然会降低。

本发明所述的电路中，开关驱动部分所需提供的控制信号（131~136）同样需要进行隔离，通常采用光纤、光耦或者磁环隔离。通过调整开关（111~116）与续流二极管（141~146）的位置以及高压二极管（161、162）的极性，可改变输出脉冲电流的方向。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 (1)

1.一种具有单极性脉冲输出的全固态高压脉冲电流源，其特征在于由基本的放电单元串联构成，并通过使用电感与高压二极管，使负载上的电流保持恒定，同时其电压值由负载特性与电感电流参数同时决定；充电单元接到放电单元中电容器两端，并为其充电；各级放电单元串联连接构成电压叠加部分；高压二极管与电感构成感性储能部分；负载与高压二极管串联构成能量吸收部分；电压叠加电路单元、感性储能部分以及能量吸收部分三者并联连接；

其中，所述基本放电单元由开关器件、开关驱动电路、二极管以及电容器经电路连接构成，基本放电单元含有2个开关器件、2个开关驱动、2个二极管以及1个电容器；1个开关器件和1个二极管串联组成一个桥臂，2个开关器件和2个二极管组成的2个桥臂并联连接，并联的连接点即为该放电单元的输出；电容器接至2个桥臂中开关器件和二极管的公共端；开关驱动连接至开关器件驱动极。