CN103684032B - 一种复合脉冲发生电路 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种复合脉冲发生电路，包括直流源，直流源的正极与开关管S1的集电极和二极管D1的阴极连接，直流源的负极与二极管D2的阳极和开关管S2的发射极连接；开关管S1的发射极分别与二极管D2的阴极和耦合电感Lm的a端同时连接，二极管D1的阳极分别与开关管S2的集电极和耦合电感Lm的b端同时连接，开关管S1的集电极和二极管D1阴极与负载的正用导线连接，耦合电感Lm的c端与负载的负用导线连接。本发明的复合脉冲发生电路，通过控制开关管S1、S2的开通和关断，实现了双向多电平非对称脉冲、双极性非对称、单极性脉冲和直流等多种波形输出。

Description

一种复合脉冲发生电路
技术领域
本发明属于电力电子技术领域，涉及一种复合脉冲发生电路。
背景技术
由于脉冲的通断特性，使得在电极之间可产生高强度的交变脉冲电场，从而能实现直流电场条件下难以实现的现象或效果，因此被广泛应用于表面处理、金属加工、污水处理以及军工航天等领域。
脉冲电源在不同的使用条件下对脉冲波形的形状往往有特殊的要求，负载环境和用途不同，所需脉冲模式和电压等级不同，甚至在工作状态图中不同时刻需要不同的脉冲类型和幅值。脉冲波形的形状对相应的应用场合的处理效果往往会有较大影响。常见的脉冲波形有矩形波、三角波、梯形波、锯齿波等脉冲形状。矩形波脉冲属于应用较多的一种，由矩形波演变过来的脉冲形式主要有单向方波脉冲、直流叠加方波脉冲、双极性方波等脉冲形式，以双极性方波脉冲应用较多。
当前，双极性方波脉冲发生电路主要分为两类：
第一类为双向等幅方波脉冲发生电路，该类电路的特点是所发脉冲正向幅值与反向幅值相等。
名称为“一种脉冲发生器”的发明专利，公开号为CN102437773A，公开日期为2012.05.02，公开了一种双极性脉冲电路，其虽然利用电感电容储能放电的方法实现了双极性脉冲输出，实现简单，但仅能实现正负向脉冲个数1：1对称型交流脉冲输出，应用范围受到限制，且脉冲参数调节较难。
名称为“双极脉冲电源及并联多台该双极脉冲电源的电源装置”的一项发明，公开号为CN102047548A，公开日期为2011.05.04，提到了一种脉冲发生电路，通过控制全桥电路中的开关器件实现了双极性脉冲输出，既可以实现正负向脉冲个数1：1的对称双极性脉冲输出，也可实现正负脉冲个数不等的双极性脉冲输出，控制方式较为灵活，但无法适用于要求正负向脉冲幅值不等场合。
由于双向等幅方波脉冲正负向幅值不可调或幅值调节量相等，因此这类电路在于对某些需要正负幅值需要不对称的场合无法满足性能要求，适用范围往往受到限制。
第二类为双向非等幅方波脉冲发生电路，这类电路的特点是所发脉冲正负向幅值可以独立调节，实现非对称型脉冲输出。
名称为“用于微弧氧化的高频大功率多波形电源”的发明，公开号为CN1523745A，公开日期为2004.08.25，公开了一种双极性脉冲的电源装置，其通过控制两个直流电源之间的四个开关器件实现了多波形输出，但由于所需脉冲幅值可调，因此装置需提供两路幅值可调直流电源，电路拓扑和控制方式较为复杂，且大大增加了装置的成本。
名称为“超快变换变极性方波电流弧焊电源装置”发明，专利公开号为CN101125389A，公开日期为2008.2.20，公开了一种可产生双极性脉冲的电源装置，其将直流电压源和全桥变换电路组合，首先采用逆变法将直流电转化为一定的电压脉冲，然后将此脉冲电压叠加在一个辅助直流源上，形成双极性脉冲，但该装置需要一个额外的辅助电源，电路拓扑较为复杂。
文献《变极性微弧氧化脉冲电源拓扑结构的研究》中提出了一种用于微弧氧化电源双极性脉冲发生电路，通过在直流母线上分出两路独立控制，一路产生直流电压基准，另一路产生脉冲，叠加在负载两端，形成幅值可调的双极性脉冲，但其本质上相当于一个等效的辅助电源，电路拓扑和控制方式非常复杂。
双向非等幅方波脉冲发生电路由于正负向脉冲幅值不等，在工业生产中应用较广，但目前该类脉冲发生电路一般需要一个或多个辅助直流源，成本较高，电路结构及控制方式都较为复杂。
发明内容
本发明的目的是提供一种复合脉冲发生电路，解决了现有技术中结构不合理，应用范围受限制的问题。
本发明采用的技术方案是，一种复合脉冲发生电路，包括直流源，直流源的正极与开关管S1的集电极和二极管D1的阴极连接，直流源1的负极与二极管D2的阳极和开关管S2的发射极连接；开关管S1的发射极分别与二极管D2的阴极和耦合电感Lm的a端同时连接，二极管D1的阳极分别与开关管S2的集电极和耦合电感Lm的b端同时连接，开关管S1的集电极和二极管D1阴极与负载的正用导线连接，耦合电感Lm的c端与负载的负用导线连接。
本发明所述的复合脉冲发生电路，其特点还在于：
所述的直流源选用整流电路或DC-DC变换电路。
所述的开关管S1、S2选用IGBT、MOSFET或IGCT的全控型开关器件。
本发明的有益效果是：
（1）该复合脉冲发生电路拓扑基于耦合电感实现，结构简单，可实现多种脉冲输出，特别是无需额外的辅助电源可实现双向多电平脉冲输出。
（2）该复合脉冲发生电路无需电路改动，仅控制开关管的开通关断即可实现双向多电平非对称脉冲、双极性非对称脉冲、单极性脉冲、直流等多种输出方式。
（3）该复合脉冲发生电路可应用在中大功率场合，可以通过开关器件的扩容方式和脉冲拓扑的并联方式扩大容量至更高。
（4）该复合脉冲发生电路可以直接在原有直流源上进行改造，简单灵活。
（5）该复合脉冲发生电路可以实现宽范围频率输出。
（6）该复合脉冲发生电路可以实现导通周期，脉冲宽度的灵活调节。
本发明的复合脉冲发生电路，适合于微弧氧化的应用需求，能够实现双向多电平非对称脉冲、双极性非对称、单极性脉冲和直流等多种形式输出，电路拓扑和控制方式简单，特别是在无需辅助电源即可实现双向多电平非对称脉冲输出，从而实现良好的膜层效果。该电路还适用于磁控溅射等表面处理设备以及弧焊电源等脉冲电源，在工业生产中有良好的应用前景。
附图说明
图1是本发明复合脉冲发生电路的电路拓扑图；
图2为本发明复合脉冲发生电路在双向多电平非对称脉冲模式下工作模态1.1的工作状态图；
图3为本发明复合脉冲发生电路在双向多电平非对称脉冲模式下工作模态1.2的工作状态图；
图4为本发明复合脉冲发生电路在双向多电平非对称脉冲模式下工作模态1.3的工作状态图；
图5为本发明复合脉冲发生电路在双向多电平非对称脉冲模式下工作模态1.4的工作状态图；
图6为本发明复合脉冲发生电路在双向多电平非对称脉冲模式下工作模态1.5的工作状态图；
图7为本发明复合脉冲发生电路在双极性非对称模式下工作模态2.1的工作状态图；
图8为本发明复合脉冲发生电路在双极性非对称模式下工作模态2.2的工作状态图；
图9为本发明复合脉冲发生电路在双极性非对称模式下工作模态2.3的工作状态图；
图10为本发明复合脉冲发生电路在双极性非对称模式下工作模态2.4的工作状态图；
图11为本发明复合脉冲发生电路在单极性模式下工作模态3.1的工作状态图；
图12为本发明复合脉冲发生电路在单极性模式下工作模态3.2的工作状态图；
图13为本发明复合脉冲发生电路在直流模式下工作模态4的工作状态图；
图14是本发明复合脉冲发生电路在双向多电平非对称脉冲模式下的工作波形；
图15是本发明复合脉冲发生电路在双极性非对称脉冲模式下的工作波形；
图16是本发明复合脉冲发生电路在单极性脉冲模式下的工作波形；
图17是本发明复合脉冲发生电路在直流模式下的工作波形。
图中，1.直流源，2.脉冲变换器电路，
另外，S1、S2代表开关管，D1、D2代表二极管，Lm代表耦合电感，Uo代表负载电压。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步说明。
如图1，本发明复合脉冲发生电路的电路拓扑，包括直流源1和脉冲变换器电路2，脉冲变换器电路2内部包括开关管S1、S2，二极管D1、D2，以及耦合电感Lm，具体的电路拓扑结构是：
直流源1的正极与开关管S1的集电极和二极管D1的阴极连接，直流源1的负极与二极管D2的阳极和开关管S2的发射极连接；开关管S1的发射极分别与二极管D2的阴极和耦合电感Lm的a端同时连接，二极管D1的阳极分别与开关管S2的集电极和耦合电感Lm的b端同时连接，开关管S1的集电极和二极管D1阴极与负载的正用导线连接，耦合电感Lm的c端与负载的负用导线连接。
直流源1选用所有可提供稳定直流电压或电流的电路，如整流电路或DC-DC变换电路。
开关管S1、S2均选用IGBT、MOSFET或IGCT等所有全控型开关器件。
本发明复合脉冲发生电路在不同模式下的使用方法是，
第一种，当所需电路类型为双向多电平非对称脉冲发生电路即电路工作于双向多电平非对称脉冲模式时，具体按以下步骤操作：
步骤1、如图2，即电路工作在工作模态1.1的工作状态图，开关管S1关断，开关管S2开通，电流由直流源1的正极经过负载、耦合电感cb端、开关管S2到直流源1的负极。此时输出电压Uo等于直流源电压U；
步骤2、如图3，即电路工作在工作模态1.2的工作状态图，开关管S1开通，开关管S2关断，电流由耦合电感b端经过二极管D1、开关管S1到耦合电感c端。此时输出电压Uo等于零；
步骤3、如图4，即电路工作在工作模态1.3的工作状态图，开关管S1开通，开关管S2开通，直流源1正极经过负载、耦合电感cb端、开关管S2到电源1的负极，另一方面直流源1正极经过开关管S1、耦合电感ca端、耦合电感cb端到直流源1的负极。此时输出电压Uo等于耦合电感ca端的电压-Um；
步骤4、如图5，即电路工作在工作模态1.4的工作状态图，开关管S1开通，开关管S2关断，电流由耦合电感b端经过二极管D1、开关管S1到耦合电感c端。此时输出电压Uo等于零；
步骤5、如图6，即电路工作在工作模态1.5的工作状态图，开关管S1关断，开关管S2关断，一方面电流由耦合电感b端经过二极管D1、负载到耦合电感c端，另一方面电流由耦合电感b端经过二极管D1、直流源、二极管D2、耦合电感a端到耦合电感c端。此时输出电压Uo等于耦合电感ca端的电压Um和直流源电压U之和；
步骤6、重复步骤1、2、3、4、5过程N次，N为大于等于0的整数；
电路工作在双向多电平非对称脉冲模式下，工作波形如图14所示。
第二种，当所需电路类型为双极性非对称脉冲电路即电路工作在双极性非对称脉冲模式时，具体按以下步骤操作：
步骤1、如图7，即工作在工作模态2.1的工作状态图，开关管S1关断，开关管S2开通，电流由直流源1的正极经过负载、耦合电感cb端、开关管S2到直流源1的负极。此时输出电压Uo等于电源电压U；
步骤2、如图8，即工作在工作模态2.2的工作状态图，开关管S1开通，开关管S2关断，电流由耦合电感b端经过二极管D1、开关管S1到耦合电感c端。此时输出电压Uo等于零；
步骤3、重复步骤1、2过程N次，N为大于等于0的整数；
步骤4、如图9，即电路工作在工作模态2.3的工作状态图，开关管S1开通，开关管S2开通，直流源1正极经过负载、耦合电感cb端、开关管S2到电源1的负极，另一方面直流源1正极经过开关管S1、耦合电感ca端、耦合电感cb端到电源1的负极。此时输出电压Uo等于耦合电感ca端的电压-Um；
步骤5、如图10，即电路工作在工作模态2.4的工作状态图，开关管S1关断，开关管S2开通，电流由耦合电感b端经过二极管D1、开关管S1到耦合电感c端。此时输出电压Uo等于零；
步骤6、重复步骤4、5过程N次，N为大于等于0的整数；
电路工作在双极性非对称脉冲模式下，工作波形如图15所示。
第三种，当所需电路类型为单极性脉冲发生电路即电路工作在单极性脉冲模式时，具体按以下步骤操作：
步骤1、如图11，即工作模态3.1的工作状态图，开关管S1关断，开关管S2导通，电流从直流源1的正极经过负载、耦合电感cb端、开关管S2到直流源1负极，此时输出电压等于直流源电压U；
步骤2、如图12，即工作模态3.2的工作状态图，开关管S1关断，开关管S2关断，电路中无电流回路，此时Uo等于零；
步骤3、重复步骤1、2过程N次，N为大于等于0的整数；
电路工作在单极性脉冲模式下，工作波形如图16所示。
第四种，当所需电路类型为直流电路即电路工作在直流模式时，具体按以下步骤操作：
步骤1、如图13，即工作模态4的工作状态图，开关管S1关断，开关管S2导通，电流从直流源1的正极经过负载、耦合电感cb端、开关管S2到直流源1负极，此时输出电压等于直流源电压U；
步骤3、重复步骤1过程N次，N为大于等于0的整数；
电路工作在直流模式下，工作波形如图17所示。
本发明的复合脉冲发生电路，通过控制开关管S1、S2的开通和关断，实现了双向多电平非对称脉冲、双极性非对称、单极性脉冲和直流等多种波形输出，电路结构和控制方式简单，特别是无需辅助电源即可实现双向多电平脉冲输出，该电路还适用于磁控溅射等表面处理设备以及弧焊电源等脉冲电源，在工业生产中有良好的应用前景。

Claims (1)

1.一种复合脉冲发生电路，其特征在于：包括直流源(1)，直流源(1)的正极与开关管S1的集电极和二极管D1的阴极连接，直流源(1)的负极与二极管D2的阳极和开关管S2的发射极连接；开关管S1的发射极分别与二极管D2的阴极和耦合电感的a端同时连接，二极管D1的阳极分别与开关管S2的集电极和耦合电感的b端同时连接，开关管S1的集电极和二极管D1阴极与负载的正用导线连接，耦合电感的c端与负载的负用导线连接；
所述的直流源(1)选用整流电路或DC-DC变换电路；
所述的开关管S1、开关管S2选用IGBT、MOSFET或IGCT的全控型开关器件；
该复合脉冲发生电路根据以下四种模式，选择相应的连接关系，
第一种，当所需电路类型为双向多电平非对称脉冲发生电路即电路工作于双向多电平非对称脉冲模式时，具体连接方式是：
1)开关管S1关断，开关管S2开通，电流由直流源(1)的正极经过负载、耦合电感c端及b端、开关管S2到直流源(1)的负极，此时输出电压Uo等于直流源电压U；
2)开关管S1开通，开关管S2关断，电流由耦合电感b端经过二极管D1、开关管S1到耦合电感c端，此时输出电压Uo等于零；
3)开关管S1开通，开关管S2开通，直流源(1)正极经过负载、耦合电感c端及b端、开关管S2到直流源(1)的负极，另一方面直流源(1)正极经过开关管S1、耦合电感c端及a端、耦合电感c端及b端到直流源(1)的负极，此时输出电压Uo等于耦合电感c端及a端的电压-Um；
4)开关管S1开通，开关管S2关断，电流由耦合电感b端经过二极管D1、开关管S1到耦合电感c端，此时输出电压Uo等于零；
5)开关管S1关断，开关管S2关断，一方面电流由耦合电感b端经过二极管D1、负载到耦合电感c端，另一方面电流由耦合电感b端经过二极管D1、直流源(1)、二极管D2、耦合电感a端到耦合电感c端，此时输出电压Uo等于耦合电感c端及a端的电压Um和直流源电压U之和；
第二种，当所需电路类型为双极性非对称脉冲电路即电路工作在双极性非对称脉冲模式时，具体连接方式是：
1)开关管S1关断，开关管S2开通，电流由直流源(1)的正极经过负载、耦合电感c端及b端、开关管S2到直流源(1)的负极，此时输出电压Uo等于电源电压U；
2)开关管S1开通，开关管S2关断，电流由耦合电感b端经过二极管D1、开关管S1到耦合电感c端，此时输出电压Uo等于零；
3)开关管S1开通，开关管S2开通，直流源(1)正极经过负载、耦合电感c端及b端、开关管S2到直流源(1)的负极，另一方面直流源(1)正极经过开关管S1、耦合电感c端及a端、耦合电感c端及b端到直流源(1)的负极，此时输出电压Uo等于耦合电感c端及a端的电压-Um；
4)开关管S1关断，开关管S2开通，电流由耦合电感b端经过二极管D1、开关管S1到耦合电感c端，此时输出电压Uo等于零；
第三种，当所需电路类型为单极性脉冲发生电路即电路工作在单极性脉冲模式时，具体连接方式是：
1)开关管S1关断，开关管S2导通，电流从直流源(1)的正极经过负载、耦合电感c端及b端、开关管S2到直流源(1)负极，此时输出电压等于直流源电压U；
2)开关管S1关断，开关管S2关断，电路中无电流回路，此时Uo等于零；
第四种，当所需电路类型为直流电路即电路工作在直流模式时，具体连接方式是：
开关管S1关断，开关管S2导通，电流从直流源(1)的正极经过负载、耦合电感c端及b端、开关管S2到直流源(1)负极，此时输出电压等于直流源电压U。
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