CN108573790A - 基于igbt控制的单相节能型三角形脉冲磁场发生器 - Google Patents

基于igbt控制的单相节能型三角形脉冲磁场发生器 Download PDF

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熊慧
毛英杰
刘近贞
付浩
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Abstract

本发明提供了一种基于IGBT控制的单相节能型三角形脉冲磁场发生器，其主要包括主电路、控制电路和泄放电路。主电路包括直流电源、限流电阻、储能电容、充放电开关、二极管及磁场激励线圈，直流电源通过限流电阻向储能电容充电，充电阶段结束后，储能电容向磁场激励线圈放电，当电流达到要求值时，断开放电开关，线圈内的电流通过二极管续流回馈给储能电容，产生近似三角形的电流脉冲，从而实现能量的回收，提高能量的利用率；控制电路包括微控制器系统和驱动控制模块，微控制器系统用于产生稳定可靠的控制时序信号，驱动控制模块用于控制相应开关IGBT的导通和关断；泄放电路用于断电后，泄放储能电容内残余的电量，以保证人身安全。

Description

基于IGBT控制的单相节能型三角形脉冲磁场发生器
技术领域
本发明属于生物磁学技术领域，涉及一种基于IGBT控制的单相节能型三角形脉冲磁场发生器，特别涉及一种基于IGBT精确控制和二阶RLC动态电路响应原理在磁场激励线圈内产生近似三角形的电流脉冲并实现能量回收利用的方法。
背景技术
磁场是一种客观存在的特殊物质，具有波粒的辐射特性，能够对生物体的生理机制产生影响。脉冲磁场对细胞结构和功能的影响与生物体的治疗作用，逐渐成为生物磁学研究的热点与焦点，已经被广泛应用于生物医学、精神疾病临床诊疗和脑基础认知研究等领域。
如，中国发明专利“基于亥姆霍兹线圈和IGBT模块的均匀脉冲磁场发生器”(公布号：CN103520836A，公布日：2014年01月22日)提供了一种产生均匀脉冲磁场的方式，用于肿瘤的治疗，但脉冲磁场的幅值恒定；中国发明专利“基于线圈球面聚焦和IGBT单管并联的脉冲磁场发生器”(公布号：CN103531325A，公布日：2014年01月22日)涉及一种利用五线圈球面优化聚焦的脉冲磁场发生器，提高了磁场的聚焦性能，用于更精确的诱导肿瘤细胞凋亡避免对周围正常组织的损伤，但是依然只能产生类似正弦的磁场脉冲且脉冲的宽度不可调节。
大量的研究结果表明：近似三角形的电流脉冲所产生的磁场脉冲，能够在空间目标组织靶位点感生出近似矩形的电场，可以提高能量的传递效率，且脉冲宽度可调的脉冲磁场能够选择性的刺激在空间重叠的神经元集群，显著改善神经兴奋的功效。现如今，在单相磁场发生器领域，传统的近似三角形脉冲磁场发生电路在续流阶段将磁场激励线圈内的能量以热量的形式散失，效率较低。续流阶段开始时，磁场激励线圈内的电流大都在kA级，所储存的能量相当可观，如果能够对该部分能量进行回收利用，将会大大提高系统的能量利用率。
发明内容
针对上述现有技术的缺陷和改进需求，本发明提供了一种基于IGBT控制的单相节能型三角形脉冲磁场发生器，其目的在于不仅仅能够在磁场激励线圈内产生幅值和宽度可调的近似三角形电流脉冲，而且还能够回收利用线圈内的能量，由此实现节能再利用的功能，达到节能的效果。
本发明提供了一种基于IGBT控制的单相节能型三角形脉冲磁场发生器，包括主电路、控制电路和保护泄放电路。
更进一步地，所述主电路包括充电回路、放电回路和续流回路。
更进一步地，所述充电回路包括高压直流电源E、限流电阻R、充电开关Q及储能电容C，所述高压直流电源E用于向储能电容C充电；所述限流电阻R用于限制充电回路的电流大小；所述充电开关Q用于控制充电回路的连通或者断开，当充电开关Q导通时，充电回路连通，当充电开关Q关断时，充电回路断开；所述储能电容C为能量储存元件。
更进一步地，所述放电回路包括储能电容C、放电开关IGBT1B和IGBT2A及磁场激励线圈L，所述储能电容C通过放电开关IGBT1B和IGBT2A与磁场激励线圈L相连；所述放电开关IGBT1B和IGBT2A用于控制放电回路的连通或者断开，当IGBT1B和IGBT2A同时导通时，放电回路连通，当IGBT1B和IGBT2A同时关断时，放电回路断开。
更进一步地，所述续流回路包括磁场激励线圈L、大功率二极管D1和D2及储能电容C，所述磁场激励线圈L通过大功率二极管D1和D2与储能电容C相连，在放电开关IGBT1B和IGBT2A同时关断之后，所述磁场激励线圈L内的电流通过大功率二极管D1和D2回馈给储能电容，实现能量的回收利用，避免该部分能量以热能的形式消耗，从而达到节能的效果。
更进一步地，所述控制电路包括微控制器系统和驱动控制模块，所述微控制器系统用于产生稳定可靠的控制时序信号；所述驱动控制模块用于驱动相应开关IGBT的导通和关断。
更进一步地，所述保护泄放电路包括泄放开关S和泄放电阻Rd，所述泄放开关S和泄放电阻Rd串联之后并联在所述储能电容C两端，用于在故障或者检修等状态下，手动闭合泄放开关S，泄放储能电容内残余的电量，以保证人身安全。
本发明采用以上技术方案后，主要有如下的有益效果：
1、本发明采用IGBT作开关元件，控制方便且精度高，大大缩小了系统电路的体积，布局合理紧凑，有效减小了回路的杂散电感，提高了系统的稳定性能。
2、磁场激励线圈内强电流脉冲的幅值和宽度可以通过控制放电开关IGBT的导通时间进行调节，时间可调精度可以达到微秒级。
3、放电开关同时断开之后，磁场激励线圈内的电流通过大功率二极管组成的续流回路回馈给储能电容，实现能量的回收利用，大大提高了系统整体的能量利用率。
附图说明
本发明的装置可以通过附图给出的非限定性实施例进一步说明。
图1为本发明基于IGBT控制的单相节能型三角形脉冲磁场发生器的原理框图；
图2为本发明实施例基于IGBT控制的单相节能型三角形脉冲磁场发生器的整体电路拓扑原理图；
图3为实施例在磁场激励线圈内产生近似三角形电流脉冲的开关IGBT控制时序图，图中高电平表示开关IGBT导通，低电平表示开关IGBT关断；
图4为实施例充电过程中系统充电回路的等效电路图；
图5为实施例放电过程中系统放电回路的等效电路图；
图6为实施例续流过程中系统续流回路的等效电路图；
附图中，虚线箭头表示各等效电路中电流的方向。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清晰明了，下面结合附图和实施例对本发明作进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用于解释本发明，而非限定本发明。在不脱离本发明上述技术思想的情况下，根据本领域普通技术知识和惯用方法，做出各种替换和变更，均应包括在本发明范围之内。
根据图2和图3所示，图2是本发明的整体电路拓扑原理图，图3是一个周期内开关IGBT控制时序图。在一个完整的周期内，系统的工作过程分为四个阶段：充电阶段，死区保护时间阶段，放电阶段和续流阶段。下面根据图3所示的IGBT控制时序详细地说明在一个完整的周期内，磁场激励线圈中产生近似三角形电流脉冲并实现线圈内能量回收利用的过程。
根据图3和图4所示，在充电阶段，控制充电开关Q导通，放电开关IGBT1B和IGBT2A关断，高压直流电源E向储能电容C充电。在充电的过程中，限流电阻R用于限制充电电流，防止充电开关Q因电流过大而损坏。充电时间tc的长短取决于充电时间常数τc＝RC，当储能电容C的容值一定时，可以通过改变限流电阻R的值来调节充电时间tc，其中tc＞4.6τc，因为当充电时间大于4.6τc时，储能电容两端电压达到高压直流电源E输出电压U0的99％，已趋于稳定状态，其电流方向如图4所示。
根据图2和图3所示，在死区保护时间阶段，储能电容C的电量已经被充满，其两端的电压和高压直流电源E的输出电压U0相等，控制充电开关Q关闭。为了防止充电开关Q、放电开关IGBT1B和IGBT2A同时导通造成直流母线短路，在放电开关IGBT1B和IGBT2A开通之前设置一段死区时间td。在死区保护时间阶段内，充电开关Q、放电开关IGBT1B和IGBT2A均处于关断状态，整个系统中没有电流回路存在。
根据图3和图5所示，在放电阶段，控制放电开关IGBT1B和IGBT2A同时导通，储能电容C快速向磁场激励线圈L放电。由于磁场激励线圈L自身有一定的内阻r，当满足条件时，储能电容C、磁场激励线圈L和内阻r构成RLC二阶欠阻尼振荡系统，线圈内的电流瞬间就可以达到很大，其电流方向如图5所示。磁场激励线圈L的内阻r一般很小，几乎趋近于0，系统振荡衰减的周期可以简化等效为为了使磁场激励线圈L内的电流以近似直线的形式上升，储能电容C的容值应该尽可能的大并且放电时间tdisc通常要限制在振荡周期的四分之一时间之内(即)。当储能电容的容值足够大时，在放电阶段的短时间内其两端的电压下降幅度很小，可以被视为一个恒压源，磁场激励线圈内的电流IL以近似于(其中U0为高压直流电源的输出电压，即放电阶段开始时储能电容C两端的初始电压)的速率直线上升至要求值Imax，其中 在此阶段，通过控制放电开关IGBT1B和IGBT2A的导通时间tdisc可以实现对磁场激励线圈内电流幅值和宽度的调节，储能电容C两端的电压为
根据图3和图6所示，在续流阶段，当磁场激励线圈L内的电流达到要求值Imax时，控制放电开关IGBT1B和IGBT2A同时关断，储能电容C、磁场激励线圈L和内阻r依然构成RLC二阶欠阻尼振荡系统，线圈内的电流通过大功率二极管D1和D2回馈给储能电容，使储能电容两端的电压升高并储存能量，实现能量的回收利用。续流回路电流的方向如图6所示，磁场激励线圈L内的电流IL以近似于(其中U1为放电阶段结束时储能电容C两端的电压)的速率从要求值Imax直线减小，当储能电容两端的电压和线圈两端的电压相等时，线圈内的电流为零，续流阶段结束。在此阶段，线圈内的电流通过续流回路回馈给储能电容，而不是通过功率电阻消耗，实现了能量的回收利用，大大提高了系统的能量利用率。
如图2所示，在系统工作的过程中，无论何种原因导致装置出现故障，需要进行人为检修操作时，必须先切断高压直流电源与主电路的连接，然后手动闭合泄放开关S，使储能电容内的残余能量通过泄放电阻Rb释放，以保证人身安全。
以上实施例应理解为仅用于说明本发明而非限制本发明的保护范围。在阅读本发明记载的内容之后，技术人员可以对本发明做各种改动或者修改，这些等效变化和修饰同样在本发明权利要求所限定的范围之内。

Claims (7)

1.一种基于IGBT控制的单相节能型三角形脉冲磁场发生器，其特征在于，包括主电路、控制电路和保护泄放电路。
2.如权利要求书1所述的基于IGBT控制的单相节能型三角形脉冲磁场发生器，其特征在于，所述主电路包括充电回路、放电回路和续流回路。
3.如权利要求书2所述的基于IGBT控制的单相节能型三角形脉冲磁场发生器，其特征在于，所述充电回路包括高压直流电源E、限流电阻R、充电开关Q及储能电容C，所述高压直流电源E用于为主电路提供电源，向储能电容C充电；所述限流电阻R用于限制充电回路的电流大小；所述充电开关Q用于控制充电回路的连通或者断开，当充电开关Q导通时，充电回路连通，当充电开关Q关断时，充电回路断开；所述储能电容C为能量储存元件。
4.如权利要求书2所述的基于IGBT控制的单相节能型三角形脉冲磁场发生器，其特征在于，所述放电回路包括储能电容C、放电开关IGBT1B和IGBT2A及磁场激励线圈L，所述储能电容C通过放电开关IGBT1B和IGBT2A与磁场激励线圈L相连；所述放电开关IGBT1B和IGBT2A用于控制放电回路的连通或者断开，当放电开关IGBT1B和IGBT2A同时导通时，放电回路连通，当放电开关IGBT1B和IGBT2A同时关断时，放电回路断开；所述磁场激励线圈L内电流波形的峰值和宽度可以通过控制所述放电开关IGBTIB和IGBT2A的导通时间进行调节。
5.如权利要求书2所述的基于IGBT控制的单相节能型三角形脉冲磁场发生器，其特征在于，所述续流回路包括磁场激励线圈L、大功率二极管D1和D2及储能电容C，所述磁场激励线圈L通过大功率二极管D1和D2与储能电容C相连组成电流续流回路，在放电开关IGBT1B和IGBT2A同时关断之后，所述磁场激励线圈L内的电流通过大功率二极管D1和D2及回馈给储能电容，实现能量的回收利用，避免该部分能量以热能的形式消耗，从而达到节能的效果。
6.如权利要求书1所述的基于IGBT控制的单相节能型三角形脉冲磁场发生器，其特征在于，所述控制电路包括微控制器系统和驱动控制模块，所述微控制器系统用于产生稳定可靠的控制时序信号；所述驱动控制模块用于驱动控制相应开关IGBT的导通和关断。
7.如权利要求书1所述的基于IGBT控制的单相节能型三角形脉冲磁场发生器，其特征在于，所述保护泄放电路包括泄放开关S和泄放电阻Rd，所述泄放开关S和泄放电阻Rd串联之后并联在所述储能电容C两端，用于在故障或者检修等状态下，泄放储能电容内残余的电量，以保证人身安全。
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