CN106899060A - 便携充电式微秒脉冲电源 - Google Patents
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Abstract
本发明是便携充电式微秒脉冲电源，其结构包括锂电池组、直流升压逆变模块、可控硅调压模块、整流滤波模块、脉冲变压器、高压微秒脉冲输出、PWM信号发生器、IGBT驱动板、IGBT；其中锂电池连接直流升压逆变模块的输入端，流升压逆变模块输出端连接可控硅调压模块的输入端，可控硅调压模块连接整流滤波模块的输入端，整流滤波模块输出端连接脉冲变压器的第一输入端，脉冲变压器末端设有高压微秒脉冲输出；PWM信号发生器的输出端连接IGBT驱动板的输入端，IGBT驱动板连接IGBT的输入端，IGBT的输出端连接脉冲变压器的第二输入端。优点：（1）使用时无需插电，且体积小巧便于携带；（2）能够长时间空载运行；（3）采用模块化设计，结构简单，成本低。
Description
技术领域
本发明涉及一种便携充电式微秒脉冲电源，属于能量转换与储存技术领域。
背景技术
低温等离子体在环境污染治理、医学杀菌、材料改性及流动控制等领域具有广泛的应用及独特的优越性。而大气压低温等离子体具有对产生环境要求低，易于控制，环保无污染等优势受到人们的格外关注。
用于产生等低温离子体的电源主要有工频交流电源、高频电源、脉冲电源。与工频交流电源相比，脉冲与高频电源产生的大气压低温等离子体具有许多优势，例如更加容易产生均匀的大面积等离子体，在材料改性方面拥有更好的处理效果和更高的生产效率，在环保领域拥有反应器发热量较低，污染物处理效率高的优点等。但是高频电源自身发热较严重，对电源内部散热要求较高，所产生的等离子体温度也相对于脉冲电源而言较高。微秒脉冲电源具有制造成本低，发热量小，脉冲参数容易控制，因此特别适合于工业、医疗、生物领域的推广应用，尤其是小型化的微秒脉冲电源，在继承传统微秒脉冲电源的优势的同时还有方便灵活的特点，应用前景更加广泛。
现有的高压微秒脉冲电源分别有采用市电作为电能输入的电源与采用直流供电作为电源电能输入的电源。传统高压脉冲电源一般采用50HZ交流的市电作为电源电能输入，如专利CN 101924489 A中所述的，针对于空气消毒净化技术领域的涉及非热等离子脉冲电源，但其需要在具有稳定的市电供应的环境中才能使用，并且，其输出高压脉冲的各项参数无法灵活根据实际需要调节。还有针对将市电与低压脉冲信号进行高强度隔离，并将低压脉冲升压为高压脉冲的电源，如专利CN 103490662 A中所述的高隔离度高压脉冲电源，其采用通过树脂浇灌密封工艺制作的隔离变压器与光纤隔离转换器实现了市电与整流电路的高度隔离，以及低压脉冲信号和高压脉冲输出间的高度隔离，但其电源体积较大，光纤信号转换对控制电路设计生产成本有一定要求，其使用时需要有稳定的市电供应。同时也有采用高压直流电源作为高压脉冲电源供电来源的脉冲电源，如专利CN 103036469 A中所述，其采用外置的高压直流电源供电，通过对多个IGBT的串联分压，将高压直流转变成高压脉冲输出从而应用于食品杀菌等领域，但其工作时需要额外配置一个稳定的高压直流电源，其体积较大，对使用环境要求较高，不具有灵活性。传统的高压微秒脉冲电源在工作时都需要有稳定的市电供应或是稳定的外置高压直流电源，存在体积较大，不易携带，对使用环境有较高要求，且工作频率较高时不能长时间空载等问题。
发明内容
本发明提出的是一种便携充电式微秒脉冲电源，其目的旨在解决现有微秒脉冲电源需要接市电或外置高压直流电源作为电能输入，不易携带，且工作频率较高时不能长时间空载等问题，设计一种无需插电的小型化便携式微秒脉冲电源，其采用可充电的锂电池组供电，结构简单、紧凑，体积小，成本低，具有便携式特点，使用时无需插市电；脉冲变压器设有退磁绕组并留有气隙，使得该电源适合于空载运行，适合于不易获得稳定供电的场合使用，用以驱动具有杀菌消毒、伤口处理、材料处理等功能的小功率低温等离子体反应器。本发明提出的便携式微秒脉冲电源输出电压为0-25kV，脉冲频率0-10kHz，脉冲占空比0-20%，最大输出功率100W，根据所选择的31200MAH锂电池组，可以100W的输出功率持续工作3小时以上。
本发明的技术解决方案：便携充电式微秒脉冲电源，其结构由锂电池组101、直流升压逆变模块102、可控硅调压模块103、整流滤波模块104、脉冲变压器105、高压微秒脉冲输出106、PWM信号发生器107、IGBT驱动板108、IGBT 109组成；其中锂电池组101的输出端连接直流升压逆变模块102的输入端，流升压逆变模块102的输出端连接可控硅调压模块103的输入端，可控硅调压模块103的输出端连接整流滤波模块104的输入端，整流滤波模块104的输出端连接脉冲变压器105的第一输入端，脉冲变压器105末端设有高压微秒脉冲输出106； PWM信号发生器107的输出端连接IGBT驱动板108的输入端，IGBT驱动板108的输出端连接IGBT 109的输入端，IGBT 109的输出端连接脉冲变压器105的第二输入端。
本发明的优点：
（1）使用时无需插电，且体积小巧灵活，便于携带，特别适合于野外、战场、边远地区等不易获得供稳定供电的环境下使用；
（2）可以在脉冲频率较高时仍能够长时间空载运行；
（3）采用模块化设计，各模块间拆装更换容易，结构简单，成本低，适合于大规模生产并于杀菌环保、生物医学、材料处理等领域推广使用。
附图说明
附图1是便携充电式微秒脉冲电源结构示意图。
附图2是便携充电式微秒脉冲电源电路原理图。
附图3是便携充电式微秒脉冲电源脉冲变压器电路原理图。
附图4是便携充电式微秒脉冲电源脉冲变压器结构图。
其中101是锂电池组、102是直流升压逆变模块、103是可控硅调压模块、104是整流滤波模块、105是脉冲变压器、106是高压微秒脉冲输出、107是PWM信号发生器、108是IGBT驱动板、109是IGBT（绝缘栅双极型晶体管）、201是EE型铁氧体磁芯、202是脉冲变压器骨架、203是一次侧绕组、204是二次侧绕组、205是气隙、206是去磁绕组，207是一次侧绕组接正极性端出线、208是一次侧绕组接IGBT集电极端、209是二次侧绕组高压输出端出线、210是去磁绕组接正极性整流输出的一端、211是去磁绕组接IGBT发射极的一端出线、212是二次侧绕组接地端出线。
具体实施方式
对照附图1和附图2，便携充电式微秒脉冲电源，其结构由锂电池组101、直流升压逆变模块102、可控硅调压模块103、整流滤波模块104、脉冲变压器105、高压微秒脉冲输出106、PWM信号发生器107、IGBT驱动板108、IGBT 109组成；其中锂电池组101的输出端连接直流升压逆变模块102的输入端，流升压逆变模块102的输出端连接可控硅调压模块103的输入端，可控硅调压模块103的输出端连接整流滤波模块104的输入端，整流滤波模块104的输出端连接脉冲变压器105的第一输入端，脉冲变压器105末端设有高压微秒脉冲输出106；PWM信号发生器107的输出端连接IGBT驱动板108的输入端，IGBT驱动板108的输出端连接IGBT 109的输入端，IGBT 109的输出端连接脉冲变压器105的第二输入端。
所述锂电池组101采用输出12V DC的锂电池组，型号为JMD20-D2。
所述直流升压逆变模块102包括1个变压器，2个绝缘栅双极型晶体管，1个集成芯片IC3，焊接在1个PCB板上，1个两路输出的集成芯片IC3控制2个绝缘栅双极型晶体管以固定的频率、占空比导通和关断，两个绝缘栅双极型晶体管的集电极连在带有中心抽头的升压变压器一次侧两个线圈的两端，一次侧中心抽头接到锂电池组101的正极输出端口上。
所述可控硅调压模块103采用可控硅电子调压器，型号：4000W交流调压器，可控硅型号：BTA41600B。
所述整流滤波缓冲模块104的整流桥输出口并联有滤波电容C1，在整流滤波缓冲模块104的正极性输出端口上串联有一个由电阻R1、二极管D3、电感L1构成的电流突变抑制电路。
所述脉冲变压器105包括EE型铁氧体磁芯201、脉冲变压器骨架202、一次侧绕组203、二次侧绕组204、气隙205、去磁绕组206，一次侧绕组接正极性端出线207、一次侧绕组接IGBT集电极端出线208、二次侧绕组高压输出端出线209、去磁绕组接正极性整流输出端出线210、去磁绕组接IGBT发射极出线211、二次侧绕组接地端出线212；其中去磁绕组206串联一个快速恢复二极管D4后并联在脉冲变压器T2一次侧绕组的正极性端；采用EE型铁氧体磁芯201，变压器一次侧绕组203与去磁绕组206共同绕制在脉冲变压器骨架202最里层，其外部采用玛拉胶聚酯绝缘胶带包裹，变压器二次侧绕组204绕制在脉冲变压器骨架202外层，层间也采用玛拉胶聚酯绝缘胶带包裹，EE型磁芯留有宽度为0.2mm的气隙205；一次绕组接正极性端出线207连接整流滤波模块104正极性输出端；一次绕组接IGBT集电极端出线208连接IGBT 109集电极端；去磁绕组接正极性整流输出端出线210与快速恢复二极管D4连接，去磁绕组接IGBT发射极出线211连接IGBT 109发射极一端。
所述PWM信号发生器107 上集成有三位八数码显示器以及3个调节按钮。
所述IGBT驱动板108的型号为TX-DP101。
所述PWM信号发生器上集成有三位八数码显示器以及3个调节按钮，PWM信号发生器型号：TELESKY 2路PWM脉冲频率占空比可调方波矩形波信号发生器。
所述的PWM信号发生器和IGBT驱动板由一个两路输出开关电源供电，开关电源型号：JMD20-D2。
实际操作时，12V锂电池组作为电源供电来源，通过升压逆变模块将12V直流逆变为220V交流，再通过带有调压旋钮的可控硅调压器进行连续调压，调压器输出再经过整流滤波模块输出为直流电，将脉冲变压器一次侧绕组与去磁绕组并联，再与IGBT串联；将整流滤波模块输出的直流电加在串联的IGBT和变压器一次侧两段，PWM信号发生器与IGBT驱动板由一个模块化开关电源供电，开关电源的电能输入来源于直流升压逆变模块的输出；PWM信号发生器上集成有一个3位八字码显示器可现实PWM信号发生器输出PWM波的频率和占空比，通过三个按钮进行对低压方波信号的频率和占空比的调节，IGBT驱动板对低压PWM方波信号进行放大，使其能够控制IGBT的导通关断；脉冲变压器按照正激式设置，一次侧绕组与去磁绕组并联，使得变压器具有良好的抗磁饱和性能，IGBT的导通与关断将整流滤波模块的输出变成脉冲方波作为脉冲变压器输入，再将脉冲变压器二次侧绕组输出加在低温等离子体反应器的高压电极与地电极上从而产生低温等离子体。
本发明将充电电池组集成于小型微秒脉冲电源内，使用时无需插电；PWM生成器上集成有三位八数码显示器以及三个调节按钮，可通过按钮控制生成的PWM波的频率和占空比；脉冲变压器按正激设计，设有去磁绕组与气隙，适合于长时间空载运行；电源各部分采用模块化紧凑型设计，以使其生产成本降低且易于拆装，且体积小便于携带。
实施例1
本发明的一个实施例包含附图1所示的锂电池组101、直流升压逆变模块102、可控硅调压模块103、整流滤波模块104、脉冲变压器105、高压微秒脉冲输出106、PWM信号发生器107、IGBT驱动板108与IGBT 109。上述模块或部件按照如附图2所示的接线图将各个模块之间进行连接并装与电源箱内。其中锂电池组101的输出端连接直流升压逆变模块102，流升压逆变模块102的输出端连接可控硅调压模块103，可控硅调压模块103的输出端连接整流滤波模块104，整流滤波模块104连接脉冲变压器105，脉冲变压器105末端设有高压微秒脉冲输出106；直流升压逆变模块102中的升压变压器T2的二次侧两根出线作为可控硅调压器模块的交流输入，同时也作为控制模块中开关电源的交流输入，连接PWM信号发生器107和IGBT驱动板108，IGBT驱动板108连接IGBT 109，IGBT 109连接脉冲变压器105。所述直流升压逆变模块102包括1个变压器，2个IGBT，1个集成芯片IC3，全部都焊接在一个PCB板上，构成整体性的模块；1个两路输出的集成芯片IC3控制2个IGBT以固定的频率、占空比导通和关断，两个IGBT的集电极连在带有中心抽头的升压变压器一次侧两个线圈的两端，一次侧中心抽头接到锂电池组101的正极输出端口上。
EE形铁芯在工作时会因两块磁芯震动发出噪声，在实施例中，采用原型变压器可有效降低噪声。脉冲变压器105磁芯选用圆形铁基超微晶磁芯，磁芯需设置0.1mm-0.4mm气隙，出于绝缘的考虑，绕制圆形变压器时，可将一次侧绕组与去磁绕组集中绕制在圆形磁芯的一端扇形区域内，二次侧高压绕组集中在另一端扇形区域分层绕制。
Claims (9)
1.便携充电式微秒脉冲电源，其特征是由锂电池组、直流升压逆变模块、可控硅调压模块、整流滤波模块、脉冲变压器、高压微秒脉冲输出、PWM信号发生器、IGBT驱动板、IGBT组成；其中锂电池组的输出端连接直流升压逆变模块的输入端，流升压逆变模块的输出端连接可控硅调压模块的输入端，可控硅调压模块的输出端连接整流滤波模块的输入端，整流滤波模块的输出端连接脉冲变压器的第一输入端，脉冲变压器末端设有高压微秒脉冲输出；PWM信号发生器的输出端连接IGBT驱动板的输入端，IGBT驱动板的输出端连接IGBT的输入端，IGBT的输出端连接脉冲变压器的第二输入端。
2.根据权利要求1所述的便携充电式微秒脉冲电源，其特征是所述锂电池组采用输出12V DC的锂电池组。
3.根据权利要求1所述的便携充电式微秒脉冲电源，其特征是所述直流升压逆变模块包括1个变压器，2个绝缘栅双极型晶体管，1个集成芯片，焊接在1个PCB板上，1个两路输出的集成芯片控制2个绝缘栅双极型晶体管以固定的频率、占空比导通和关断，两个绝缘栅双极型晶体管的集电极连在带有中心抽头的升压变压器一次侧两个线圈的两端，一次侧中心抽头接到锂电池组的正极输出端口上。
4.根据权利要求1所述的便携充电式微秒脉冲电源，其特征是所述可控硅调压模块采用可控硅电子调压器。
5.根据权利要求1所述的便携充电式微秒脉冲电源，其特征是所述整流滤波缓冲模块的整流桥输出口并联有滤波电容，在整流滤波缓冲模块的正极性输出端口上串联有一个由电阻、二极管、电感构成的电流突变抑制电路。
6.根据权利要求1所述的便携充电式微秒脉冲电源，其特征是所述脉冲变压器包括EE型铁氧体磁芯、脉冲变压器骨架、一次侧绕组、二次侧绕组、气隙、去磁绕组，一次侧绕组接正极性端出线、一次侧绕组接IGBT集电极端出线、二次侧绕组高压输出端出线、去磁绕组接正极性整流输出端出线、去磁绕组接IGBT发射极出线、二次侧绕组接地端出线；其中去磁绕组串联一个快速恢复二极管后并联在脉冲变压器一次侧绕组的正极性端；变压器一次侧绕组与去磁绕组共同绕制在脉冲变压器骨架最里层，其外部采用玛拉胶聚酯绝缘胶带包裹，变压器二次侧绕组绕制在脉冲变压器骨架外层，层间也采用玛拉胶聚酯绝缘胶带包裹，EE型铁氧体磁芯留有宽度为0.2mm的气隙；一次绕组接正极性端出线连接整流滤波模块正极性输出端；一次绕组接IGBT集电极端出线连接IGBT集电极端；去磁绕组接正极性整流输出端出线与快速恢复二极管连接，去磁绕组接IGBT发射极出线连接IGBT发射极一端。
7.根据权利要求1所述的便携充电式微秒脉冲电源，其特征是所述PWM信号发生器上集成有三位八数码显示器以及3个调节按钮。
8.根据权利要求7所述的便携充电式微秒脉冲电源，其特征是所述的PWM信号发生器和IGBT驱动板由一个两路输出开关电源供电。
9.如权利要求1所述的便携充电式微秒脉冲电源的工作方法，其特征是包括如下步骤：
（1）12V锂电池组作为电源供电来源，通过升压逆变模块将12V直流逆变为220V交流，再通过带有调压旋钮的可控硅调压器进行连续调压，调压器输出再经过整流滤波模块输出为直流电，将脉冲变压器一次侧绕组与去磁绕组并联，再与IGBT串联；
（2）将整流滤波模块输出的直流电加在串联的IGBT和变压器一次侧两段，PWM信号发生器与IGBT驱动板由一个模块化开关电源供电，开关电源的电能输入来源于直流升压逆变模块的输出；
（3）PWM信号发生器上集成有一个3位八字码显示器可实现PWM信号发生器输出PWM波的频率和占空比，通过三个按钮进行对低压方波信号的频率和占空比的调节，IGBT驱动板对低压PWM方波信号进行放大，使其能够控制IGBT的导通关断；
（4）脉冲变压器按照正激式设置，一次侧绕组与去磁绕组并联，使得变压器具有良好的抗磁饱和性能，IGBT的导通与关断将整流滤波模块的输出变成脉冲方波作为脉冲变压器输入，再将脉冲变压器二次侧绕组输出加在低温等离子体反应器的高压电极与地电极上从而产生低温等离子体。
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