CN107086809B - 基于平衡绕组的脉冲电压源 - Google Patents

Abstract

本发明属于电源技术领域，具体为一种基于平衡绕组的脉冲电压源。本发明脉冲电压源是基于平衡绕组的脉冲叠加器，其电路结构包括：串联谐振电路，升压平衡电路，倍压整流电路，放电截尾电路；本发明主要采用半导体开关器件、升压器、谐振芯片等器件，根据不同需求产生相应频率、幅值、占空比的脉冲电压，可适用于电阻、电容等负载；其结构简单、功能稳定、安全可靠。相比于其它脉冲电压源，具有频率更高、下降沿时间更短、每一级负载电容电压差更小等特点。

Description

基于平衡绕组的脉冲电压源

技术领域

本发明属于电源技术领域，具体涉及一种基于平衡绕组的脉冲电压源。

背景技术

电压源是指能输出恒定电压的电源。脉冲式电压源有着广泛应用，例如：在环保领域，利用快脉冲放电离解有机物进行污水处理，等离子体脱硫脱硝处理烟气；在生物医学领域，快脉冲产生磁场作用于人体；在材料和精密加工领域，快脉冲产生等离子体的化学活性可以对材料进行表面改性；在食品加工领域，快脉冲放电逐渐应用于食品保鲜和杀菌；在工业领域，则可用于材料的加工。随着科技的进步创新，某些重要领域对电压源的要求不断提高。因此研究一种频率更高、下降沿时间更短、负载电容电压差更小的脉冲电压源具有很高的前沿性和重要性。

发明内容

本发明的目的在于提供一种能够输出更高频率、更陡下降沿脉冲的脉冲电压源。

传统的脉冲叠加器在对电阻和电容等负载放电时，存在明显的脉冲拖尾现象，不利于形成脉冲方波；并且由于负载电容的不同，造成叠加器各级之间存在电压差。本发明在传统脉冲叠加器的基础上，通过增加截尾技术和平衡技术，很好的克服了拖尾和压差的问题，使整个脉冲叠加器可以输出最大几十千伏、最高频率几十千赫兹的脉冲方波。

本发明提供的脉冲电压源，是基于平衡绕组的脉冲叠加器，包括：串联谐振电路，升压平衡电路，倍压整流电路，放电截尾电路；其电路结构参见图1；其中：

所述串联谐振电路包括：电压源DC，半导体开关器件S1～S4，电感Lr，电容Cr。其中：

电压源DC既可以为可调节电压源，也可以为某固定幅值输出的电压源。

半导体开关器件S1～S4带有反并联二极管，使串联谐振电路可工作于断续电流模式。

所述升压平衡电路包括：串心磁环M1～M3，平衡绕组B12和平衡绕组B23。其中：串心磁环M1～M3的副边匝数比原边匝数更大，实现高频升压电路。

平衡绕组B12为绕制在串心磁环M1和串心磁环M2间的绕组，平衡绕组B23为绕制在串心磁环M2和串心磁环M3间的绕组；相邻两级的平衡绕组同名端相连，每一级平衡绕组和副边绕组的绕制方向相同。

所述倍压整流电路包括：二极管D5～D10和电容Cd1～Cd6。

所述放电截尾电路包括：电容Ci1～Ci3，半导体开关器件F1～F3，半导体开关器件J1～J3和负载电阻或电容R。其中：

半导体开关器件F1～F3同时导通时，电容Ci1～Ci3串联在一起对负载电阻或电容R放电。

半导体开关器件J1～J3同时导通时，可以迅速将电路中杂散电容和负载电阻或电容R中的能量释放，形成快速的下降沿。

本发明脉冲电压源主要采用半导体开关器件(如金属氧化物半导体场效应晶体管MOSFET、绝缘栅双极性晶体管IGBT等)、升压器(如串心磁环等)、谐振芯片(UC3867)等器件，能根据不同需求产生相应频率、幅值、占空比的脉冲电压，可适用于电阻、电容等负载。具体来说，本发明可以通过调节电压源DC的电压或者调节串联谐振电路中四个半导体开关器件S1～S4的驱动频率，来改变输出脉冲的电压值；通过调节放电截尾电路的三个半导体开关器件F1～F3的驱动信号，来控制输出脉冲的频率、占空比；通过调节放电截尾电路的三个半导体开关器件J1～J3的驱动信号，来控制输出脉冲的下降沿时间，使整个脉冲叠加器可以输出最大几十千伏、最高频率几十千赫兹的脉冲方波。

所述串联谐振电路各部分组件的连接方式为：电压源DC的正极接半导体开关器件S1和S4的漏极，电压源DC的负极接半导体开关器件S2和S3的源极；半导体开关器件S1的漏极接电压源DC的正极和半导体开关器件S4的漏极，半导体开关器件S1的源极接半导体开关器件S2的漏极和电感Lr的一端；半导体开关器件S2的漏极接半导体开关器件S1的源极和电感Lr的一端，半导体开关器件S2的源极接半导体开关器件S3的源极和电压源DC的负极；半导体开关器件S3的漏极接半导体开关器件S4的源极和电容Cr的一端，半导体开关器件S3的源极接半导体开关器件S2的源极和电压源DC的负极；半导体开关器件S4的漏极接电压源DC的正极和半导体开关器件S1的漏极，半导体开关器件S4的源极接半导体开关器件S3的漏极和电容Cr的一端；电感Lr的一端接半导体开关器件S1的源极和半导体开关器件S2的漏极，电感Lr的另一端接串心磁环M1原边的一端；电容Cr的一端接半导体开关器件S4的源极和半导体开关器件S3的漏极，电容Cr的另一端接串心磁环M3原边的一端。

所述升压平衡电路各部分组件的连接方式为：串心磁环M1原边的一端接电容Lr的一端，串心磁环M1原边的另一端接串心磁环M2原边的一端；串心磁环M2原边的一端接串心磁环M1原边的另一端，串心磁环M2原边的另一端接串心磁环M3原边的一端；串心磁环M3原边的一端接串心磁环M2原边的另一端，串心磁环M3原边的另一端接电容Cr的一端；平衡绕组B12的一侧绕制在串心磁环M1上，平衡绕组B12的另一侧绕制在串心磁环M2上；平衡绕组B23的一侧绕制在串心磁环M2上，平衡绕组B23的另一侧绕制在串心磁环M3上；串心磁环M1副边的一端接二极管D5的负极和二极管D6的正极，串心磁环M1副边的另一端接电容Cd1的一端和电容Cd2的一端；串心磁环M2副边的一端接二极管D7的负极和二极管D8的正极，串心磁环M2副边的另一端接电容Cd3的一端和电容Cd4的一端；串心磁环M3副边的一端接二极管D10的负极和二极管D19的正极，串心磁环M3副边的另一端接电容Cd5的一端和电容Cd6的一端。

所述倍压整流电路各部分组件的连接方式为：二极管D5的正极接电容Cd1的另一端、电容Ci1的一端、半导体开关器件J1的发射极、半导体开关器件F2的发射极和半导体开关器件J2的集电极，二极管D5的负极接串心磁环M1副边的一端和二极管D6的正极；二极管D6的正极接二极管D5的负极和串心磁环M1副边的一端，二极管D6的负极接电容Cd2的另一端、电容Ci1的另一端和半导体开关器件F1的集电极；电容Cd1的另一端接二极管D5的正极、电容Ci1的一端和半导体开关器件J1的发射极，电容Cd1的一端接串心磁环M1副边的另一端和电容Cd2的一端；电容Cd2的另一端接二极管D6的负极、电容Ci1的另一端和半导体开关器件F1的集电极，电容Cd2的一端接串心磁环M1副边的另一端和电容Cd1的一端；二极管D7的正极接电容Cd3的另一端、电容Ci2的一端、半导体开关器件J2的发射极、半导体开关器件F3的发射极和半导体开关器件J3的集电极，二极管D7的负极接串心磁环M2副边的一端和二极管D8的正极；二极管D8的正极接二极管D7的负极和串心磁环M2副边的一端，二极管D8的负极接电容Cd4的另一端、电容Ci2的另一端和半导体开关器件F2的集电极；电容Cd3的另一端接二极管D7的正极、电容Ci2的一端和半导体开关器件J2的发射极、半导体开关器件F3的发射极和半导体开关器件J3的集电极，电容Cd3的一端接串心磁环M2副边的另一端和电容Cd4的一端；电容Cd4的另一端接二极管D8的负极、电容Ci2的另一端和半导体开关器件F2的集电极，电容Cd4的一端接串心磁环M2副边的另一端和电容Cd3的一端；二极管D9的正极接电容Cd5的另一端、电容Ci3的一端、半导体开关器件J3的发射极、负载电阻或电容R的一端，二极管D9的负极接串心磁环M3副边的一端和二极管D10的正极；二极管D10的正极接二极管D9的负极和串心磁环M3副边的一端，二极管D10的负极接电容Cd6的另一端、电容Ci3的另一端和半导体开关器件F3的集电极；电容Cd5的另一端接二极管D9的正极、电容Ci3的一端和半导体开关器件J3的发射极、负载电阻或电容R的一端，电容Cd5的一端接串心磁环M3副边的另一端和电容Cd6的一端；电容Cd6的另一端接二极管D10的负极、电容Ci3的另一端和半导体开关器件F3的集电极，电容Cd6的一端接串心磁环M3副边的另一端和电容Cd5的一端。

所述放电截尾电路各部分组件的连接方式为：电容Ci1的另一端接二极管D6的负极、电容Cd2的另一端和半导体开关器件F1的集电极，电容Ci1的一端接电容Cd1的另一端、二极管D5的正极、半导体开关器件J1的发射极、半导体开关器件F2的发射极和半导体开关器件J2的集电极；半导体开关器件F1的集电极接二极管D6的负极、电容Cd2的另一端和电容Ci1的另一端，半导体开关器件F1的发射极接半导体开关器件J1的集电极和负载电阻或电容R的另一端；半导体开关器件J1的集电极接半导体开关器件F1的发射极和负载电阻或电容R的另一端，半导体开关器件J1的发射极接二极管D5的正极、电容Cd1的另一端、电容Ci1的一端、半导体开关器件F2的发射极和半导体开关器件J2的集电极；电容Ci2的另一端接二极管D8的负极、电容Cd4的另一端和半导体开关器件F2的集电极，电容Ci2的一端接电容Cd3的另一端、二极管D7的正极、半导体开关器件J2的发射极、半导体开关器件F3的发射极和半导体开关器件J3的集电极；半导体开关器件F2的集电极接二极管D8的负极、电容Cd4的另一端和电容Ci2的另一端，半导体开关器件F2的发射极接电容Ci1的一端、二极管D5的正极、电容Cd1的另一端、半导体开关器件J2的集电极、半导体开关器件J1的发射极；半导体开关器件J2的集电极接电容Ci1的一端、二极管D5的正极、电容Cd1的另一端、半导体开关器件F2的发射极、半导体开关器件J1的发射极，半导体开关器件J2的发射极接二极管D7的正极、电容Cd3的另一端、电容Ci2的一端、半导体开关器件F3的发射极和半导体开关器件J3的集电极；电容Ci3的另一端接二极管D10的负极、电容Cd6的另一端和半导体开关器件F3的集电极，电容Ci3的一端接电容Cd5的另一端、二极管D9的正极、半导体开关器件J3的发射极、负载电阻或电容R的一端和地GND；半导体开关器件F3的集电极接二极管D10的负极、电容Cd6的另一端和电容Ci3的另一端，半导体开关器件F3的发射极接电容Ci2的一端、二极管D7的正极、电容Cd3的另一端、半导体开关器件J3的集电极、半导体开关器件J2的发射极；半导体开关器件J3的集电极接电容Ci2的一端、二极管D7的正极、电容Cd3的另一端、半导体开关器件F3的发射极、半导体开关器件J2的发射极，半导体开关器件J3的发射极接二极管D9的正极、电容Cd5的另一端、电容Ci3的一端、负载电阻或电容R的一端和地GND；负载电阻或电容R的另一端接半导体开关器件F1的发射极和半导体开关器件J1的集电极，负载电阻或电容R的一端接二极管D9的正极、电容Cd5的另一端、电容Ci3的一端、和地GND。

本发明的优点和有益效果为：

1.能根据不同需要，产生相应频率、占空比和幅值的电压脉冲，可适用于电阻、电容等负载，结构简单、功能稳定、安全可靠；

2.在传统脉冲叠加器的基础上，通过增加截尾技术和平衡技术，很好的克服了拖尾和压差的问题，使整个脉冲叠加器可以输出最大几十千伏、最高频率几十千赫兹的脉冲方波。

附图说明

图1为本发明脉冲电压源的电路结构图。

具体实施方式

下面结合实施例对本发明做进一步的详细描述，但本发明的保护范围并不限于此。

如图1所示(在实际的脉冲叠加器中并不一定只含有三级输出，可能有更多级输出，这里只用了三级，是为了更好的说明)，本发明总体结构由四个主要部分组成：1串联谐振电路；2升压平衡电路；3倍压整流电路；4放电截尾电路。

本发明具体组成为：1串联谐振电路，采用电压源DC，半导体开关器件S1～S4，电感Lr，电容Cr；2升压平衡电路，采用串心磁环M1～M3，平衡绕组B12和平衡绕组B23；3倍压整流电路，采用二极管D5～D10和电容Cd1～Cd6；4放电截尾电路，采用电容Ci1～Ci3，半导体开关器件F1～F3，半导体开关器件J1～J3和负载电阻或电容R。

本发明提供的脉冲电压源方案为：1.将负载正确安装完毕。2.调节电压源DC提高一定幅值的电压。3.调节串联谐振电路中四个半导体开关器件S1～S4的驱动频率。4.调节放电截尾电路的三个半导体开关器件F1～F3的驱动信号，来控制输出脉冲的频率、占空比。5.调节放电截尾电路的三个半导体开关器件J1～J3的驱动信号，来控制输出脉冲的下降沿时间。

尽管上文对本发明做了详细解释说明，但是本发明并不局限于此。工作人员可以根据本发明的原理进行修改完善。所以但凡按照本发明原理所做的修改，都应当理解为落入本发明的保护范围。

Claims (1)

1.一种脉冲电压源，是基于平衡绕组的脉冲叠加器，其特征在于，包括：串联谐振电路，升压平衡电路，倍压整流电路，放电截尾电路；其中：

所述串联谐振电路包括：电压源DC，半导体开关器件S1～S4，电感Lr，电容Cr；其中：

电压源DC为可调节电压源，或某固定幅值输出的电压源；

半导体开关器件S1～S4带有反并联二极管，使串联谐振电路工作于断续电流模式；

所述升压平衡电路包括：串心磁环M1～M3，平衡绕组B12和平衡绕组B23；其中：

串心磁环M1～M3的副边匝数比原边匝数更大，用于实现高频升压；

平衡绕组B12为绕制在串心磁环M1和串心磁环M2间的绕组，平衡绕组B23为绕制在串心磁环M2和串心磁环M3间的绕组；相邻两级的平衡绕组同名端相连，每一级平衡绕组和副边绕组的绕制方向相同；

所述倍压整流电路包括：二极管D5～D10和电容Cd1～Cd6；

所述放电截尾电路包括：电容Ci1～Ci3，半导体开关器件F1～F3，半导体开关器件J1～J3和负载电阻或电容R；其中：

半导体开关器件F1～F3同时导通时，电容Ci1～Ci3串联在一起对负载电阻或电容R放电；

半导体开关器件J1～J3同时导通时，可以迅速将电路中杂散电容和负载电阻或电容R中的能量释放，形成快速的下降沿；

通过调节电压源DC的电压或者调节串联谐振电路中四个半导体开关器件S1～S4的驱动频率，来改变输出脉冲的电压值；通过调节放电截尾电路的三个半导体开关器件F1～F3的驱动信号，来控制输出脉冲的频率、占空比；通过调节放电截尾电路的三个半导体开关器件J1～J3的驱动信号，来控制输出脉冲的下降沿时间，使整个脉冲叠加器可以输出最大几十千伏、最高频率几十千赫兹的脉冲方波；

所述串联谐振电路各部分组件的连接方式为：电压源DC的正极接半导体开关器件S1和S4的漏极，电压源DC的负极接半导体开关器件S2和S3的源极；半导体开关器件S1的漏极接电压源DC的正极和半导体开关器件S4的漏极，半导体开关器件S1的源极接半导体开关器件S2的漏极和电感Lr的一端；半导体开关器件S2的漏极接半导体开关器件S1的源极和电感Lr的一端，半导体开关器件S2的源极接半导体开关器件S3的源极和电压源DC的负极；半导体开关器件S3的漏极接半导体开关器件S4的源极和电容Cr的一端，半导体开关器件S3的源极接半导体开关器件S2的源极和电压源DC的负极；半导体开关器件S4的漏极接电压源DC的正极和半导体开关器件S1的漏极，半导体开关器件S4的源极接半导体开关器件S3的漏极和电容Cr的一端；电感Lr的一端接半导体开关器件S1的源极和半导体开关器件S2的漏极，电感Lr的另一端接串心磁环M1原边的一端；电容Cr的一端接半导体开关器件S4的源极和半导体开关器件S3的漏极，电容Cr的另一端接串心磁环M3原边的一端；

所述升压平衡电路各部分组件的连接方式为：串心磁环M1原边的一端接电容Lr的一端，串心磁环M1原边的另一端接串心磁环M2原边的一端；串心磁环M2原边的一端接串心磁环M1原边的另一端，串心磁环M2原边的另一端接串心磁环M3原边的一端；串心磁环M3原边的一端接串心磁环M2原边的另一端，串心磁环M3原边的另一端接电容Cr的一端；平衡绕组B12的一侧绕制在串心磁环M1上，平衡绕组B12的另一侧绕制在串心磁环M2上；平衡绕组B23的一侧绕制在串心磁环M2上，平衡绕组B23的另一侧绕制在串心磁环M3上；串心磁环M1副边的一端接二极管D5的负极和二极管D6的正极，串心磁环M1副边的另一端接电容Cd1的一端和电容Cd2的一端；串心磁环M2副边的一端接二极管D7的负极和二极管D8的正极，串心磁环M2副边的另一端接电容Cd3的一端和电容Cd4的一端；串心磁环M3副边的一端接二极管D10的负极和二极管D19的正极，串心磁环M3副边的另一端接电容Cd5的一端和电容Cd6的一端；

所述倍压整流电路各部分组件的连接方式为：二极管D5的正极接电容Cd1的另一端、电容Ci1的一端、半导体开关器件J1的发射极、半导体开关器件F2的发射极和半导体开关器件J2的集电极，二极管D5的负极接串心磁环M1副边的一端和二极管D6的正极；二极管D6的正极接二极管D5的负极和串心磁环M1副边的一端，二极管D6的负极接电容Cd2的另一端、电容Ci1的另一端和半导体开关器件F1的集电极；电容Cd1的另一端接二极管D5的正极、电容Ci1的一端和半导体开关器件J1的发射极，电容Cd1的一端接串心磁环M1副边的另一端和电容Cd2的一端；电容Cd2的另一端接二极管D6的负极、电容Ci1的另一端和半导体开关器件F1的集电极，电容Cd2的一端接串心磁环M1副边的另一端和电容Cd1的一端；二极管D7的正极接电容Cd3的另一端、电容Ci2的一端、半导体开关器件J2的发射极、半导体开关器件F3的发射极和半导体开关器件J3的集电极，二极管D7的负极接串心磁环M2副边的一端和二极管D8的正极；二极管D8的正极接二极管D7的负极和串心磁环M2副边的一端，二极管D8的负极接电容Cd4的另一端、电容Ci2的另一端和半导体开关器件F2的集电极；电容Cd3的另一端接二极管D7的正极、电容Ci2的一端和半导体开关器件J2的发射极、半导体开关器件F3的发射极和半导体开关器件J3的集电极，电容Cd3的一端接串心磁环M2副边的另一端和电容Cd4的一端；电容Cd4的另一端接二极管D8的负极、电容Ci2的另一端和半导体开关器件F2的集电极，电容Cd4的一端接串心磁环M2副边的另一端和电容Cd3的一端；二极管D9的正极接电容Cd5的另一端、电容Ci3的一端、半导体开关器件J3的发射极、负载电阻或电容R的一端，二极管D9的负极接串心磁环M3副边的一端和二极管D10的正极；二极管D10的正极接二极管D9的负极和串心磁环M3副边的一端，二极管D10的负极接电容Cd6的另一端、电容Ci3的另一端和半导体开关器件F3的集电极；电容Cd5的另一端接二极管D9的正极、电容Ci3的一端和半导体开关器件J3的发射极、负载电阻或电容R的一端，电容Cd5的一端接串心磁环M3副边的另一端和电容Cd6的一端；电容Cd6的另一端接二极管D10的负极、电容Ci3的另一端和半导体开关器件F3的集电极，电容Cd6的一端接串心磁环M3副边的另一端和电容Cd5的一端；

所述放电截尾电路各部分组件的连接方式为：电容Ci1的另一端接二极管D6的负极、电容Cd2的另一端和半导体开关器件F1的集电极，电容Ci1的一端接电容Cd1的另一端、二极管D5的正极、半导体开关器件J1的发射极、半导体开关器件F2的发射极和半导体开关器件J2的集电极；半导体开关器件F1的集电极接二极管D6的负极、电容Cd2的另一端和电容Ci1的另一端，半导体开关器件F1的发射极接半导体开关器件J1的集电极和负载电阻或电容R的另一端；半导体开关器件J1的集电极接半导体开关器件F1的发射极和负载电阻或电容R的另一端，半导体开关器件J1的发射极接二极管D5的正极、电容Cd1的另一端、电容Ci1的一端、半导体开关器件F2的发射极和半导体开关器件J2的集电极；电容Ci2的另一端接二极管D8的负极、电容Cd4的另一端和半导体开关器件F2的集电极，电容Ci2的一端接电容Cd3的另一端、二极管D7的正极、半导体开关器件J2的发射极、半导体开关器件F3的发射极和半导体开关器件J3的集电极；半导体开关器件F2的集电极接二极管D8的负极、电容Cd4的另一端和电容Ci2的另一端，半导体开关器件F2的发射极接电容Ci1的一端、二极管D5的正极、电容Cd1的另一端、半导体开关器件J2的集电极、半导体开关器件J1的发射极；半导体开关器件J2的集电极接电容Ci1的一端、二极管D5的正极、电容Cd1的另一端、半导体开关器件F2的发射极、半导体开关器件J1的发射极，半导体开关器件J2的发射极接二极管D7的正极、电容Cd3的另一端、电容Ci2的一端、半导体开关器件F3的发射极和半导体开关器件J3的集电极；电容Ci3的另一端接二极管D10的负极、电容Cd6的另一端和半导体开关器件F3的集电极，电容Ci3的一端接电容Cd5的另一端、二极管D9的正极、半导体开关器件J3的发射极、负载电阻或电容R的一端和地GND；半导体开关器件F3的集电极接二极管D10的负极、电容Cd6的另一端和电容Ci3的另一端，半导体开关器件F3的发射极接电容Ci2的一端、二极管D7的正极、电容Cd3的另一端、半导体开关器件J3的集电极、半导体开关器件J2的发射极；半导体开关器件J3的集电极接电容Ci2的一端、二极管D7的正极、电容Cd3的另一端、半导体开关器件F3的发射极、半导体开关器件J2的发射极，半导体开关器件J3的发射极接二极管D9的正极、电容Cd5的另一端、电容Ci3的一端、负载电阻或电容R的一端和地GND；负载电阻或电容R的另一端接半导体开关器件F1的发射极和半导体开关器件J1的集电极，负载电阻或电容R的一端接二极管D9的正极、电容Cd5的另一端、电容Ci3的一端、和地GND。