CN106655871A - 一种节能型窄脉冲高压电源 - Google Patents

一种节能型窄脉冲高压电源 Download PDF

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Abstract

本发明涉及电源技术领域，特别是涉及一种节能型窄脉冲高压电源，包括充电电路、脉冲发生电路、典型脉冲压缩电路、负载LC1；还包括能量回收利用电路、能量转移利用电路；所述充电电路的正输出端与能量转移利用电路的第一正输入端相连，所述能量转移利用电路的正输出端与脉冲发生电路的正输入端相连；所述能量回收利用电路并联在负载LC1两端；所述能量回收利用电路的正输出端与能量转移利用电路的第二正输入端相连；充电电路的负输出端分别与能量回收利用电路的负输出端、能量转移利用电路的负输出端相连。在电源电路中增加能量回收利用电路、能量转移利用电路，解决磁压缩技术脉冲电源在具备显著电容特性的高压负载上能量再利用的问题。

Description

一种节能型窄脉冲高压电源
技术领域
本发明涉及电源技术领域，特别是涉及一种节能型窄脉冲高压电源。
背景技术
能量密度型脉冲电源要求输出电压脉冲具有窄脉宽、陡前沿特性。在脉冲放电过程中，开关必须承受相当大的电流上升率,有时可达到10000A/μs，显然已接近开关使用极限。英国学者W.S.Melville从“电感饱和后阻抗迅速下降”这一现象中得到启示，指出可以利用可饱和电感制成控制能量流动方向的“磁开关”，利用它可以将脉宽较大的电压脉冲压缩成为具有窄脉宽、陡前沿特性且能量更加集中的脉冲。
窄脉冲电源在很多领域都获得了广泛的应用，包括无损检测、脉冲电镀、工业废气处理、脉冲电解污水处理、高频脉冲感应加热、高功率激光泵、产生高功率带电粒子束、电弧焊接、电火花加工、静电除尘、臭氧制取和表面热处理等。在军事上,脉冲电源还用于电磁轨道炮、电磁脉冲模拟、粒子束武器、液电爆炸等领域。现有窄脉冲电源应用在具备显著电容特性的高压负载上时存在能耗高的问题。
发明内容
为了克服上述现有技术的不足，本发明提供了一种节能型窄脉冲高压电源，在电源电路中增加能量回收利用电路、能量转移利用电路，解决磁压缩技术脉冲电源在具备显著电容特性的高压负载上能量再利用的问题。
本发明所采用的技术方案是：
一种节能型窄脉冲高压电源，包括充电电路、脉冲发生电路、典型脉冲压缩电路、负载LC1；所述脉冲发生电路的正输出端与典型脉冲压缩电路的正输入端相连、所述典型脉冲压缩电路的正输出端与负载LC1的一端相连；还包括能量回收利用电路、能量转移利用电路；所述充电电路的正输出端与能量转移利用电路的第一正输入端相连，所述能量转移利用电路的正输出端与脉冲发生电路的正输入端相连；所述能量回收利用电路并联在负载LC1两端；所述能量回收利用电路的正输出端与能量转移利用电路的第二正输入端相连；充电电路的负输出端分别与脉冲发生电路的负输入端、典型脉冲压缩电路的负输入端、负载LC1的另一端、能量回收利用电路的负输出端、能量转移利用电路的负输出端相连。
其中，所述能量回收利用电路包括磁开关MS3和负载LC2，所述磁开关MS3的负输出端与负载LC2的一端相连。
其中，所述负载LC2需定制，一般由LC2上的所需工作电压确定其等效电容量，进而决定负载LC2的体量大小。比如要使Lc1和Lc2上的额定工作电压相等，Lc2的电容量取值则由下公式计算：
CLc2＝CLc1－2×Q消耗÷U2
其中：CLc2是Lc2的电容量；CLc1是Lc1的电容量；Q消耗是Lc1上消耗的能量和MS3上消耗的能量总和；U是Lc1和Lc2的额定工作电压。
其中，所述能量转移利用电路包括电容C0、二极管D1、二极管D2、二极管D4、电感L1、电感L2；所述电容C0正极与二极管D1负极、二极管D2正极、二极管D4负极相连；所述二极管D2负极与电感L1的一端相连，电感L1的另一端与脉冲发生电路的正输入端相连；所述二极管D4正极与电感L2的一端相连；所述电容C0负极与充电电路的负输出端相连；所述二极管D1正极与充电电路的正输出端相连。
其中，所述电感L2由可饱和电感替代。
其中，所述能量转移利用电路还包括辅助回收电路；所述辅助回收电路包括电阻R1、二极管D3；所述二极管D3负极与电感L2的另一端相连，所述二极管D3正极与电阻R1的一端相连，所述电阻R1的另一端与电容C0负极相连。
其中，所述典型脉冲压缩电路若干级磁压缩电路相串联构成。
其中，所述磁压缩电路由磁压缩电容C1和磁开关MS1构成，磁压缩电容C1正极与磁开关MS1的的一端相连。
其中，负载工作在负高压情况下，所述充电电路的正输出端和的负输出端方向对调连接在电路中；所述二极管D1、二极管D2、二极管D3、二极管D4的正负极对调连接在电路中。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
本发明在电源电路中增加能量回收利用电路、能量转移利用电路；能量回收利用电路，通过磁开关MS3连接负载LC2；工作时负载LC1从前级磁压缩获得脉冲能量并消耗部分能量，其剩余的能量再通过磁开关MS3对负载LC2供应能量；能量转移利用电路，通过负载、电感L2、电容C0的三个元件用LC震荡的方式将负载上未消耗的能量转移到电源前级储能电容C0上；负载LC1上能量消耗的越少，则回收利用的能量越多，提高了高压电源利用率，充电损耗小、转换效率高；这两种电路可以一起应用，也可以单独应用，均能提高能量利用率；使用辅助回收电路解决了由于电容C0容值比负载容值大很多(C0电压比负载电压低很多)的情况下能量从Lc2转移到C0的效率低的问题。
附图说明
图1为本发明实施例方框图；
图2为本发明第一实施例电路原理图；
图3为本发明第二实施例电路原理图；
图4为本发明第三实施例电路原理图；
图5为本发明第四实施例电路原理图；
图6为本发明电路工作时负载LC1、负载LC2、二极管D3和电容C0的波形图；
图中：S01、充电电路；S02、能量转移利用电路；S03、脉冲发生电路；S04、典型脉冲压缩电路；S05、负载LC1；S06、能量回收利用电路；S07、辅助回收电路。
具体实施方式
下面结合附图对本发明进一步说明。
如图1所示，一种节能型窄脉冲高压电源，包括充电电路S01、脉冲发生电路S03、典型脉冲压缩电路S04、负载LC1S05；所述脉冲发生电路S03的正输出端与典型脉冲压缩电路S04的正输入端相连、所述典型脉冲压缩电路S04的正输出端与负载LC1S05的一端相连；还包括能量回收利用电路S06、能量转移利用电路S02；所述充电电路S01的正输出端与能量转移利用电路S02的第一正输入端相连，所述能量转移利用电路S02的正输出端与脉冲发生电路S03的正输入端相连；所述能量回收利用电路S06并联在负载LC1S05两端；所述能量回收利用电路S06的正输出端与能量转移利用电路S02的第二正输入端相连；充电电路S01的负输出端分别与脉冲发生电路S03的负输入端、典型脉冲压缩电路S04的负输入端、负载LC1S05的另一端、能量回收利用电路S06的负输出端、能量转移利用电路S02的负输出端相连。
如图2所示，所述为本发明第一实施例电路原理图，包括充电电路S01、脉冲发生电路S03、典型脉冲压缩电路S04、负载LC1S05、能量回收利用电路S06、能量转移利用电路S02；所述能量回收利用电路S06包括磁开关MS3和负载LC2，所述磁开关MS3的负输出端与负载LC2的一端相连；负载LC2定制负载以获得合适的电容量，负载LC2的电容量可以使负载LC2达到想要的电压；Lc2的电容量取值由下公式计算：
CLc2＝CLc1－2×Q消耗÷U2
其中：CLc2是Lc2的电容量；CLc1是Lc1的电容量；Q消耗是Lc1上消耗的能量和MS3上消耗的能量总和；U是Lc1和Lc2的额定工作电压。
工作时负载LC1S05从前级磁压缩获得脉冲能量并消耗部分能量，剩余的能量再通过磁开关MS3对负载LC2供应能量。
所述能量转移利用电路S02包括电容C0、用于防止能量转移时对充电电路S01产生影响的二极管D1、用于防止电容C0和脉冲发生电路S03发生往返反复震荡的二极管D2、使能量单向转移的二极管D4、用于降低电容C0对脉冲发生电路S03充电冲击的电感L1、电感L2；所述电容C0正极与二极管D1负极、二极管D2正极、二极管D4负极相连；所述二极管D2负极与电感L1的一端相连，电感L1的另一端与脉冲发生电路S03的正输入端相连；所述二极管D4正极与电感L2的一端相连；所述电感L2的另一端与磁开关MS3的负输出端相连；所述电容C0负极与充电电路S01的负输出端相连；所述二极管D1正极与充电电路S01的正输出端相连。
所述电感L2可由可饱和电感替代。
所述能量转移利用电路S02还包括辅助回收电路S07；所述辅助回收电路S07包括电阻R1、二极管D3；所述二极管D3负极与电感L2的另一端相连，所述二极管D3正极与电阻R1的一端相连，所述电阻R1的另一端与电容C0负极相连。二极管D3用于增大电容C0的容值，在能量从LC2转移到C0的过程中提供额外的电荷，电压低的情况下提高能量从LC2转移到C0的效率。R1用于保护D3，防止D3因电流过大损坏。辅助回收电路S07用LC震荡的方式将LC2上未消耗的能量转移到电源前级储能电容C0上。
负载LC1上能量消耗的越少，则回收利用的能量越多，通过这种方法可以再次利用负载上未消耗的能量，提高电能使用效率。
所述能量回收利用电路S06、能量转移利用电路S02与可以单独应用在电源电路中。
如图3所示，为本发明第二实施例电路原理图；与第一实施例的区别在于只使用能量回收利用电路S06；第二实施例包括充电电路S01、脉冲发生电路S03、典型脉冲压缩电路S04、负载LC1S05、能量回收利用电路S06；所述充电电路S01的正输出端与脉冲发生电路S03的正输入端相连，所述脉冲发生电路S03的正输出端与典型脉冲压缩电路S04的正输入端相连、典型脉冲压缩电路S04的正输出端与负载LC1S05的一端相连；所述充电电路S01的负输出端、所述脉冲发生电路S03的负输出端、典型脉冲压缩电路S04的负输出端、负载LC1S05的另一端相连；所述能量回收利用电路S06并联在负载LC1S05两端；所述能量回收利用电路S06包括磁开关MS3和负载LC2，所述磁开关MS3的负输出端与负载LC2的一端相连。
负载LC2定制负载以获得合适的电容量，负载LC2的电容量可以使负载LC2达到想要的电压；工作时负载LC1S05从前级磁压缩获得脉冲能量并消耗部分能量，其剩余的能量再通过磁开关MS3对负载LC2供应能量。通过这种方法可以再次利用负载上未消耗的能量，提高电能使用效率。如果Lc1工作消耗是总能量的17％，MS3的损耗是总能量的3％，那么在相同的供电能量下，通过第二实施例可增加80％的产出。在产出相同的情况下通过第二实施例可以节能约44％。
如图4所示，为本发明第三实施例电路原理图；与第一实施例的区别在于使用能量转移利用电路S02；第三实施例包括充电电路S01、脉冲发生电路S03、典型脉冲压缩电路S04、负载LC1S05、能量转移利用电路S02；所述脉冲发生电路S03的正输出端与典型脉冲压缩电路S04的正输入端相连、典型脉冲压缩电路S04的正输出端与负载LC1S05的一端相连；所述充电电路S01的正输出端与能量转移利用电路S02的第一正输入端相连，所述能量转移利用电路S02的正输出端与脉冲发生电路S03的正输入端相连；所述典型脉冲压缩电路S04的正输出端与能量转移利用电路S02的第二正输入端相连；充电电路S01的负输出端分别与脉冲发生电路S03的负输入端、典型脉冲压缩电路S04的负输入端、负载LC1S05的另一端、能量转移利用电路S02的负输出端相连。
所述能量转移利用电路S02包括电容C0、用于防止能量转移时对充电电路S01产生影响的二极管D1、用于防止电容C0和脉冲发生电路S03发生往返反复震荡的二极管D2、使能量单向转移的二极管D4、用于降低电容C0对脉冲发生电路S03充电冲击的电感L1、电感L2；所述电容C0正极与二极管D1负极、二极管D2正极、二极管D4负极相连；所述二极管D2负极与电感L1的一端相连，电感L1的另一端与脉冲发生电路S03的正输入端相连；所述二极管D4正极与电感L2的一端相连；所述电感L2的另一端与磁开关MS3的负输出端相连；所述电容C0负极与充电电路S01的负输出端相连；所述二极管D1正极与充电电路S01的正输出端相连。
所述能量转移利用电路S02还包括辅助回收电路S07；所述辅助回收电路S07包括电阻R1、二极管D3；所述二极管D3负极与电感L2的另一端相连，所述二极管D3正极与电阻R1的一端相连，所述电阻R1的另一端与电容C0负极相连。
如果原电源工作损耗是20％，负载消耗是20％，能量转移利用电路S02和辅助回收电路S07的损耗是10％，则能量可以回收50％。在相同产出的情况下，仅通过第三实施例可以节能约33％。
如图5所示，为本发明第四实施例电路原理图；与第一实施例的区别在于负载工作在负高压情况下，所述充电电路S01的正输出端和的负输出端方向对调连接在电路中；所述二极管D1、二极管D2、二极管D3、二极管D4的正负极对调连接在电路中，工作原理不变。
如图6所示，为本发明电路工作时负载LC1、负载LC2、二极管D3和电容C0的波形图；在典型脉冲压缩电路S04上的磁开关MS2打开时，电容C2能量转移至负载LC1S05上；在负载LC1S05的电压到达峰值时磁开关MS3打开，能量从负载LC1S05转移至负载LC2；在负载LC2的电压达到峰值之后，能量从负载LC2转移到电容C0，电容C0上的电压升高，完成能量回收。

Claims (9)

1.一种节能型窄脉冲高压电源，包括充电电路、脉冲发生电路、典型脉冲压缩电路、负载LC1；所述脉冲发生电路的正输出端与典型脉冲压缩电路的正输入端相连、所述典型脉冲压缩电路的正输出端与负载LC1的一端相连；其特征在于：还包括能量回收利用电路、能量转移利用电路；所述充电电路的正输出端与能量转移利用电路的第一正输入端相连，所述能量转移利用电路的正输出端与脉冲发生电路的正输入端相连；所述能量回收利用电路并联在负载LC1两端；所述能量回收利用电路的正输出端与能量转移利用电路的第二正输入端相连；充电电路的负输出端分别与脉冲发生电路的负输入端、典型脉冲压缩电路的负输入端、负载LC1的另一端、能量回收利用电路的负输出端、能量转移利用电路的负输出端相连。
2.根据权利要求1所述的一种节能型窄脉冲高压电源，其特征在于：所述能量回收利用电路包括磁开关MS3和负载LC2，所述磁开关MS3的负输出端与负载LC2的一端相连。
3.根据权利要求2所述的一种节能型窄脉冲高压电源，其特征在于：所述负载LC2需定制，根据负载LC2的等效电容量确定负载LC2的大小。
4.根据权利要求1所述的一种节能型窄脉冲高压电源，其特征在于：所述能量转移利用电路包括电容C0、二极管D1、二极管D2、二极管D4、电感L1、电感L2；所述电容C0正极与二极管D1负极、二极管D2正极、二极管D4负极相连；所述二极管D2负极与电感L1的一端相连，电感L1的另一端与脉冲发生电路的正输入端相连；所述二极管D4正极与电感L2的一端相连；所述电容C0负极与充电电路的负输出端相连；所述二极管D1正极与充电电路的正输出端相连。
5.根据权利要求4所述的一种节能型窄脉冲高压电源，其特征在于：所述电感L2由可饱和电感替代。
6.根据权利要求4所述的一种节能型窄脉冲高压电源，其特征在于：所述能量转移利用电路还包括辅助回收电路；所述辅助回收电路包括电阻R1、二极管D3；所述二极管D3负极与电感L2的另一端相连，所述二极管D3正极与电阻R1的一端相连，所述电阻R1的另一端与电容C0负极相连。
7.根据权利要求1所述的一种节能型窄脉冲高压电源，其特征在于：所述典型脉冲压缩电路若干级磁压缩电路相串联构成。
8.根据权利要求1所述的一种节能型窄脉冲高压电源，其特征在于：所述磁压缩电路由磁压缩电容C1和磁开关MS1构成，磁压缩电容C1正极与磁开关MS1的的一端相连。
9.根据权利要求1-8所述任意一种节能型窄脉冲高压电源，其特征在于：负载工作在负高压情况下，所述充电电路的正输出端和的负输出端方向对调连接在电路中；所述二极管D1、二极管D2、二极管D3、二极管D4的正负极对调连接在电路中。
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