CN104660090A - 一种采用功率模块并联的脉冲大电流输出电路 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种采用功率模块并联的脉冲大电流输出电路，该电路包括：信号产生单元，用于产生脉冲电压信号；放大单元，用于放大脉冲电压信号，生成脉冲高压信号；转换单元，用于采用功率模块并联的方式将脉冲高压信号转化为脉冲大电流信号。本发明所述技术方案采用信号产生单元产生频率可调标准脉冲信号，经过放大转换形成脉冲大电流，稳流单元进行调节控制，提高了输出波形的稳定性，输出电流精度高；且采用功率模块并联技术，筛选功率模块并附加调节电阻实现大电流稳定输出，增加了脉冲电流电路的输出电流幅值。

Description

一种采用功率模块并联的脉冲大电流输出电路

技术领域

本发明涉及脉冲电流输出电路。更具体地，涉及一种采用功率模块并联的脉冲大电流输出电路。

背景技术

脉冲电流发生电路研究是今年来随着脉冲功率发展起来的领域，其重要功能是产生大功率、大幅值的脉冲功率信号。脉冲功率源是电磁发射系统的重要组成部分，是电磁发射技术的基础和研究重点,其作用是向电磁发射平台提供高电压、大电流、高功率的电能。采用大功率半导体器件作为脉冲功率源的开关器件,满足了脉冲功率源小型化、模块化、高功率、重频率、全固态等重要发展趋势。为电磁发射提供能量的脉冲大电流发生电路是电磁发射系统的重要组成部分，也是电磁发射技术的基础和研究的重点。脉冲功率技术主要应用在等离子体物理与受控核聚变研究、闪光X射线照相、核爆炸模拟、大功率微波、高功率激光、电磁脉冲、电磁发射、粒子束武器、电磁成形等领域，在现代科学、国防科研和工业民用领域都有着重要的科学意义与应用价值。

目前脉冲电流发生电路主要由初级储能、中间储能和脉冲形成系统和转换系统组成。电路原理是：先将能量在较长时间内储存起来，然后再瞬间释放出来，从而获得脉冲电流。电压源模块通过电容、电感或机械储能获得高压；其次，经过电压放大反馈向中间储能和脉冲形成系统注入能量；最后通过高速功率开关器件及控制电路使得电压源瞬间施加到负载，产生脉冲大电流。

该脉冲大电流发生电路多采用电容并联达到高电压，转换得到大电流，其结构简单易行。但在转换过程中采用单只功率模块将电压转换为电流，单只功率模块转换能量有限；另外脉冲电流电路输出电流较大时系统线路间产生交流阻抗，增大了电路中的负载，导致脉冲电流源的输出电流值较小，无法稳定输出，精度差。脉冲大电流发生电路产生电流幅值最大为50A，无法满足大电流需求。

因此，需要提供一种采用功率模块并联的脉冲大电流输出电路。

发明内容

本发明的一个目的在于提供一种采用功率模块并联的脉冲大电流输出电路，以满足脉冲电流源大功率需求。

为达到上述目的，本发明采用下述技术方案：

一种采用功率模块并联的脉冲大电流输出电路，该电路包括：

信号产生单元，用于产生脉冲电压信号；

放大单元，用于放大脉冲电压信号，生成脉冲高压信号；

转换单元，用于采用功率模块并联的方式将脉冲高压信号转化为脉冲大电流信号。

优选地，该电路还包括：

稳流单元，用于对脉冲大电流信号进行滤波，提高脉冲大电流信号的稳定性。

优选地，该电路还包括：

反馈负载回路，用于对脉冲大电流信号进行采样，生成反馈信号调节放大单元对脉冲电压信号的放大倍数，提高脉冲大电流信号幅值的稳定性。

优选地，转换单元包括：

并联功率模块，包括至少两个并联的参数相同的功率模块，并联功率模块用于将脉冲高压信号转化为脉冲大电流信号；

供电模块，用于给并联功率模块供电；

至少两个分别与各功率模块连接的调节电阻，用于根据各功率模块的运行参数，通过自身调节的方式调节各功率模块的输出电流相同。

优选地，转换单元还包括：

连接在并联功率模块输出端的保护模块，用于使转换单元在超出额定功率或异常时停止工作，从而保护采用功率模块并联的脉冲大电流输出电路。

本发明的有益效果如下：

本发明所述技术方案采用信号产生单元产生频率可调标准脉冲信号，经过放大转换形成脉冲大电流，稳流单元进行调节控制，提高了输出波形的稳定性，输出电流精度高；且采用功率模块并联技术，筛选功率模块并附加调节电阻实现大电流稳定输出，增加了脉冲电流电路的输出电流幅值，可达到100A。

附图说明

下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步详细的说明。

图1示出采用功率模块并联的脉冲大电流输出电路示意图。

图2示出采用功率模块并联的脉冲大电流输出电路中的转换单元示意图。

具体实施方式

为了更清楚地说明本发明，下面结合优选实施例和附图对本发明做进一步的说明。附图中相似的部件以相同的附图标记进行表示。本领域技术人员应当理解，下面所具体描述的内容是说明性的而非限制性的，不应以此限制本发明的保护范围。

如图1所示，本实施例提供的采用功率模块并联的脉冲大电流输出电路，包括：信号产生单元1、放大单元2、转换单元3、稳流单元4和反馈负载回路5；

本实施例电路连接关系为：信号产生单元1输出端与放大单元2的输入端通过电缆连接，放大单元2的输出端与转换单元3输入端通过线缆连接，转换单元3输出端与稳流单元4输入端通过线缆连接，稳流单元4输出端与反馈负载回路5的输入端通过线缆连接，反馈负载回路5输出端与转换单元3控制端通过数据线连接，稳流单元4输出端为电路输出接口。

本实施例电路工作方式为：信号产生单元1由可编程逻辑器件产生频率和幅值可调的标准脉冲信号，该脉冲电压信号经过同轴线缆进入放大单元2进行电压放大，产生脉冲高压信号；脉冲高压信号经过转换单元3输出脉冲大电流信号进入稳流单元4。稳流单元4进行滤波和波形控制，输出稳定脉冲电流信号，同时反馈负载回路5对稳流单元4输出的稳定脉冲电流信号进行采样，提供反馈信号调节放大单元2对脉冲电压信号的放大倍数，保证脉冲大电流信号幅值稳定。

本实施例电路中各单元的功能为：

信号产生单元1采用直接数字合成(DDS)技术，生成稳定、精确具有快速上升沿和下降沿的方波。产生的脉冲方波频率10Hz～100kHz连续可调，上升下降时间小于100ns。

放大单元2采用三级放大，同时三级放大器的电源端电路采用电容滤波保证放大信号稳定，主要功能是将脉冲信号通过DC-DC模块变成脉冲高压信号。标准脉冲信号经过三级放大，依次通过AD713JN、AD847JN和2N4124放大器进行放大。其中三级放大器的输入端和三级放大器的电源端电路同样进行电容滤波，使标准信号源放大时不受外界干扰信号影响。三路放大器的低端均设置RC电路滤波，保证放大后电压稳定。

转换单元采用功率模块并联技术，筛选工作状态近似的功率模块，同时每个功率模块附加调节电阻，实现功率模块并联稳定输出，且在转换单元的并联功率模块输出端附加保护电路：

如图2所示，转换单元包括：并联功率模块31、保护模块32、供电模块33和调节电阻34；

转换单元中电路连接关系为：输入的脉冲高压信号与并联功率模块31的输入端通过电缆连接；并联功率模块31的输出端与保护模块32输入端通过电缆连接；直流供电模块33输出端分别与并联功率模块31电源端和保护模块32电源端通过电缆连接；调节电阻34与并联功率模块31调节端通过电缆连接。保护模块32的输出端为转换单元输出。

转换单元的主要功能为将脉冲高压信号转化为脉冲大电流信号，其中各模块的功能为：

并联功率模块31中的各功率模块均采用IXFN60N60功率模块，用于将输入600V电压转化60A电流。IXFN60N60功率模块具有反应速度快，绝缘性好，功率大，转换效率高，抗干扰能力强等优点。根据实验数据筛选三个运行参数相同的功率模块，将三只功率模块并联的电路作为并联功率模块31。

调节电阻34的阻值根据并联功率模块31中各功率模块的运行参数进行自身调节，以保证三只功率模块的输出电流完全相同。

保护模块32采用OP07保护电路，用于使转换单元在超出额定功率或异常时停止工作，保护电路。

供电模块33主要为并联功率模块31和保护模块32供电，其电压稳定度影响并联功率模块31的工作状态，进而影响脉冲电流的稳定度。供电模块33设计采用隔离和稳压滤波两级的设计思路。首先，对输入供电模块33的直流供电电压采用高隔离DC/DC变换器进行隔离变压输出。然后，对供电模块33输出的脉冲供电电压按照需要进行稳压和滤波，再提供给并联功率模块31和保护模块32，其中：

供电模块33选用的隔离DC/DC变换器型号为VI-26L，前级输入12V直流电压，后级输出15V直流电压。后端选择三次高密度滤波电容来稳定输出电压,同时对单位电容尺寸的优化设计减小了电容的等效串联电阻以及输出电压纹波。

稳流单元4主要是采用电路滤波对脉冲大电流信号进行滤波，减小波纹，减小脉冲电流的上升下降时间，保证输出脉冲大电流信号的稳定。

反馈负载回路5采用500μΩ宽频标准功率负载，优选的是采用Vishay公司的分流电阻WSMS2908作为宽频标准功率负载，用于将稳流单元4输出的稳定的脉冲电流转化为电压信号进行反馈调节，Vishay公司的分流电阻WSMS2908特点是电感量小、阻值稳定、频带宽。反馈负载回路5将脉冲电流幅值转化为电压测量进行反馈调节。

本实施例提供的采用功率模块并联的脉冲大电流发生电路采用筛选并串联电阻实现功率模块并联，将脉冲电流的幅值提高到150A，频率范围10Hz～100kHz。

显然，本发明的上述实施例仅仅是为清楚地说明本发明所作的举例，而并非是对本发明的实施方式的限定，对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动，这里无法对所有的实施方式予以穷举，凡是属于本发明的技术方案所引伸出的显而易见的变化或变动仍处于本发明的保护范围之列。

Claims (5)

1.一种采用功率模块并联的脉冲大电流输出电路，其特征在于，该电路包括：

信号产生单元，用于产生脉冲电压信号；

放大单元，用于放大所述脉冲电压信号，生成脉冲高压信号；

转换单元，用于采用功率模块并联的方式将所述脉冲高压信号转化为脉冲大电流信号。

2.根据权利要求1所述的采用功率模块并联的脉冲大电流输出电路，其特征在于，该电路还包括：

稳流单元，用于对所述脉冲大电流信号进行滤波，提高脉冲大电流信号的稳定性。

3.根据权利要求1或2所述的采用功率模块并联的脉冲大电流输出电路，其特征在于，该电路还包括：

反馈负载回路，用于对脉冲大电流信号进行采样，生成反馈信号调节放大单元对脉冲电压信号的放大倍数，提高脉冲大电流信号幅值的稳定性。

4.根据权利要求1所述的采用功率模块并联的脉冲大电流输出电路，其特征在于，所述转换单元包括：

并联功率模块，包括至少两个并联的参数相同的功率模块，所述并联功率模块用于将脉冲高压信号转化为脉冲大电流信号；

供电模块，用于给并联功率模块供电；

至少两个分别与各功率模块连接的调节电阻，用于根据各功率模块的运行参数，通过自身调节的方式调节各功率模块的输出电流相同。

5.根据权利要求4所述的采用功率模块并联的脉冲大电流输出电路，其特征在于，所述转换单元还包括：

连接在并联功率模块输出端的保护模块，用于使转换单元在超出额定功率或异常时停止工作，从而保护采用功率模块并联的脉冲大电流输出电路。