CN108667336B - 双极性脉冲发生器 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种在技术上容易实现的双极性脉冲发生器，包括直流供电单元、谐振‑逆变单元、脉冲变压器和副边输出单元；所述直流供电单元包括两个直流电源、两个直流支撑电容和两个扼流圈；所述谐振‑逆变单元包括两个谐振电容和两个谐振开关。通过本发明可以以谐振变换加全桥逆变的方式得到一个频率可调、幅度可调、正负脉冲数量比可调的双极性脉冲发生器，具有效率高、结构简单、控制方便、成本低廉等优点。
Description
技术领域
本发明属电源变换领域，具体涉及一种双极性脉冲发生器。
背景技术
随着电力电子技术的发展，开关电源在各行业都得到了广泛的应用，作为开关电源的一种，谐振变换器由于其高效率、简单等优势，在业界得到了广泛应用。
目前在很多应用中都需要提供微秒级别、双极性脉冲电压的供电方案，例如静电除尘领域、VOCs脱除、废水零排放等领域。本发明提出了一种新的拓扑结构，通过谐振变换加全桥逆变的方式提供一个频率可调、幅度可调、正负脉冲数量比可调的双极性脉冲发生器，具有效率高、结构简单、控制方便、成本低廉等优点。
发明内容
本发明的目的在于提供一种新型的在技术上容易实现的双极性脉冲发生器。
本发明的具体技术方案如下：
一种双极性脉冲发生器，包括直流供电单元、谐振-逆变单元、脉冲变压器15和副边输出单元；所述直流供电单元包括两个直流电源、两个直流支撑电容和两个扼流圈；所述谐振-逆变单元包括两个谐振电容和两个谐振开关；其中，第一直流电源1第一输出端与第一直流支撑电容3第一输出端相连后，经第一扼流圈5后，一路经第一谐振开关7与脉冲变压器15输入端a相连；经第一扼流圈5后另一路经谐振电容13和脉冲变压器输入端b相连；经第一扼流圈5后还有一路经第三谐振开关9与脉冲变压器输入端c相连；第一直流电源1第二输出端与第一直流支撑电容3第二输出端相连后和工作地23相连；所述第二直流电源2第一输出端和第二直流支撑电容4第一输出端相连后和工作地23相连，第二直流电源2第二输出端与第二直流支撑电容5第二输出端相连后，经第二扼流圈6后一路经第二谐振开关8与脉冲变压器输入端a相连；经第二扼流圈6后另一路经谐振电容14与脉冲变压器输入端b相连；经第二扼流圈6后还有一路经第四谐振开关10、谐振电感17与脉冲变压器输入端c相连；脉冲变压器原边绕组中间抽头b和工作地23相连。
本发明的进一步设计在于：
谐振-逆变单元还包括第一谐振电感16和第二谐振电感17，第一谐振电感16连接于第一谐振开关7与脉冲变压器15输入端a之间；第二谐振电感17连接于第三谐振开关9和脉冲变压器15输入端c之间；
或者第一谐振电感16连接于第一谐振电容13与脉冲变压器15中间抽头b之间；第二谐振电感17连接于第二谐振电容14和脉冲变压器15中间抽头b之间，或第二谐振电感17连接于第二扼流圈6和第二谐振电容14之间；
或者第一谐振电感16连接于第一扼流圈5和第一谐振电容13之间；第二谐振电感17连接于第二扼流圈6和第二谐振电容14之间，或第二谐振电感17连接于第二谐振电容14和脉冲变压器15中间抽头b之间。
该双极性脉冲发生器还包括第一保护单元11和第二保护单元12；第一保护单元11第一输出端和第一谐振电容13第一输出端相连，第一保护单元11第二输出端和第一谐振电容13第二输出端相连；第二保护单元12第一输出端和第二谐振电容14第一输出端相连，第二保护单元12第二输出端和第二谐振电容14第二输出端相连。
第一保护单元11和第二保护单元12采用无源钳位吸收电路，如RCD、RC等形式，或者有源钳位电路，保护单元可以根据实际应用需求来选择是否采用，用于保护谐振开关7-10。
该双极性脉冲发生器还包括磁芯偏置单元，包括扼流圈18和限流电阻19、箝位电容21和直流电源20，所述直流电源20第一输出端经限流电阻19、扼流圈18和脉冲变压器输出端d相连，第二输出端和脉冲变压器输出端e相连；所述箝位电容21第一输出端经扼流圈18和脉冲变压器输出端d相连，第二输出端和脉冲变压器输出端e相连。
所述副边输出单元为负载22，负载22采用容性负载、阻性和容性负载并联；脉冲变压器输出端f和负载22第一输出端相连，脉冲变压器输出端g和负载22第二输出端相连。
所述第一、第二谐振电容电容值相等；所述第一、第二谐振电感电感值相等。
本发明的谐振-逆变单元可扩展二个或多个单元并联而成。
所述直流电源可以为任何形式的直流电压源，例如三相整流电源、三相交流调压电源、直流调压电源或者任何形式的开关电源。
所述谐振开关7-10采用半导体开关IGBT、IGCT或GTO。
本发明通过一个谐振-逆变单元加一路脉冲变压器输出的方式来实现了双极性脉冲输出，并且脉冲频率可通过改变谐振开关工作频率来调节，脉冲幅度可通过调节直流电源电压幅度来调节，同时，通过改变两组谐振开关交替工作的频次来调节正负脉冲的数量比，甚至可以始终输出正脉冲或者负脉冲。
本发明可将施加在谐振开关上的电压降低为总直流母线电压的1/2，有效的减小了谐振开关的电压应力，从而可以采用低电压应力的开关装置，有效的减小了系统的应用成本，且有利于谐振开关保护电路的设计。
本发明的双极性脉冲发生器从拓扑结构上完全对称，可以有效的减少系统的差模噪声，另外，将变压器原边绕组中间抽头接地，可以有效的减小噪声电流对系统其他部分的影响。
本发明中由于谐振开关在工作状态时不是简单的串联，单独的谐振开关和其对应的谐振电容、谐振电感可以独立构成谐振回路，所以当一组谐振开关驱动不同步时，不会出现单个谐振开关由于承受电压应力过大而损坏的情况。
另外，在单个谐振-逆变单元中谐振开关电流应力不变的情况下，可通过并联多个谐振-逆变单元来增大系统的输出功率。
附图说明
图1是本发明实例1的结构示意图；
图2是本发明实例2的结构示意图；
图3是本发明实例3的结构示意图；
图4是本发明实例4的结构示意图；
图5是本发明实例5的结构示意图；
图6是本发明实例6的结构示意图。
图7是本发明实例7原边谐振单元扩展为2单元的结构示意图。
图8是本发明实例8原边谐振单元扩展为多单元的结构示意图。
图9是实例1的输出正脉冲等效工作电路。
图10是实例1的输出负脉冲等效工作电路。
图11是实例1的1个正负脉冲和1个负脉冲交替输出波形图。
图12是实例1的2个正脉冲和2个负脉冲交替输出波形图。
图13是实例1的n个正脉冲和m个负脉冲交替输出波形图。
图中：1-第一直流电源1；2-第二直流电源；3-第一直流支撑电容；4-第二直流支撑电容；5-第一扼流圈；6-第二扼流圈；7-第一谐振开关；8-第二谐振开关；9-第三谐振开并；10-第四谐振开关；11-第一保护单元；12-第二保护单元；13-第一谐振电容；14-第二谐振电容；15-脉冲变压器；16-第一谐振电感；17-第二谐振电感；18-扼流圈；19-限流电阻；20-直流电源；21-箝位电容；22-负载；23－表示工作地；24-扼流圈；25-扼流圈。
具体实施方式
下面结合附图，对本发明技术方案作进一步的阐述如下。
实例1
如图1所示，本发明的双极性脉冲发生器，包括直流供电单元、谐振-逆变单元、脉冲变压器15、磁芯偏置单元、吸收单元和副边输出单元。
如图1所示，具体来说第一直流电源1第一输出端和第一直流支撑电容3第一输出端相连后，经第一扼流圈5、第一谐振开关7、谐振电感16和脉冲变压器15输入端a相连，经第一扼流圈5、第一谐振电容13和脉冲变压器15输入端b相连，经第一扼流圈5、第三谐振开关9、第二谐振电感17和脉冲变压器15输入端c相连，第一直流电源1第二输出端和第一直流支撑电容3第二输出端相连后和工作地23相连。
如图1所示，具体来说第二直流电源2第一输出端和第二直流支撑电容4第一输出端相连后和工作地23相连，第二直流电源2第二输出端和第一直流支撑电容5第二输出端相连后，经第二扼流圈6、第二谐振开关8、第一谐振电感16和脉冲变压器15输入端a相连，经第二扼流圈6、第二谐振电容14和脉冲变压器15输入端b相连，经第一扼流圈5、第四谐振开关10、第二谐振电感17和脉冲变压器15输入端c相连。
如图1所示，具体来说第一保护单元11第一输出端和第一谐振电容13第一输出端相连，第一保护单元11第二输出端和第一谐振电容13第二输出端相连。
如图1所示，具体来说第二保护单元12第一输出端和第二谐振电容14第一输出端相连，第二保护单元12第二输出端和第二谐振电容14第二输出端相连。
如图1所示，具体来说副边输出单元为负载22，负载22可以为容性负载、阻性和容性负载并联。脉冲变压器输出端f和负载22第一输出端相连，脉冲变压器输出端g和负载22第二输出端相连。
如图1所示，磁芯偏置单元，包括扼流圈18和限流电阻19、箝位电容21和直流电源20，所述直流电源20第一输出端经限流电阻19、扼流圈18和脉冲变压器输出端d相连，第二输出端和脉冲变压器输出端e相连；所述箝位电容21第一输出端经扼流圈18和脉冲变压器输出端d相连，第二输出端和脉冲变压器输出端e相连。
本发明的工作原理如下：
下面以附图1为例，叙述本发明的具体工作原理：
第一、第二直流电源通过第一扼流圈5给第一谐振电容13、第二扼流圈6给谐振电容14充电，控制电路控制第一、第四谐振开关（7、10）开通形成谐振回路给变压器副边提供能量，谐振电路包括变压器15原边，第一谐振开关7、第四谐振开关10、第三、第四谐振电容（13、14）及第一、第二谐振电感（16、17），此时电路输出正脉冲，等效工作电路如图9所示；控制电路控制第二、第三谐振开关（8、9）开通形成谐振回路给变压器副边提供能量，谐振电路包括变压器15原边，第二谐振开关8、第三谐振开关9、第一、第二谐振电容（13、14）及第一、第二谐振电感（16，17），此时电路输出负脉冲，等效工作电路如图10所示。
主要波形如图11-13所示，可以看到通过改变两组谐振开关交替工作的频次来调节正负脉冲的数量比，甚至可以始终输出正脉冲或者负脉冲。图11为1个正负脉冲和1个负脉冲交替输出，图12为2个正负脉冲和2个负脉冲交替输出，图13为n个正负脉冲和m个负脉冲交替输出，当n为0时，始终为负脉冲输出，当m为0时，始终为正脉冲输出。
图1的等效谐振电路如图9-10所示，通过等效谐振电路及主要波形可见，负载两端电压u2的脉冲电压持续时间由等效谐振电路的谐振参数决定，由等效电路分析可知，同等直流母线电压的情况下，脉冲变压器变比越大，u2的幅值越大，同时脉冲电压持续时间越大。在某些应用场合，需要控制脉冲电压持续时间，这时候就需要减小脉冲变压器变比，同时增加直流母线电压以保持输出电压幅度，而这又会带来谐振开关电压应力高的问题，导致系统成本及保护电路的部分的开销增大，而本发明由于在一个谐振电路中串联了2个谐振开关，将谐振开关的电压应力降低了1/2，从而降低了系统的成本。
另一方面，本发明采用的拓扑在结构上完全对称，可以有效的减少系统的差模噪声，另外，将变压器原边绕组中间抽头接地，可以有效的减小噪声电流对系统其他部分的影响。
另一方面，本发明中由于谐振开关在工作状态时不是简单的串联，单独的谐振开关和其对应的谐振电容、谐振电感可以独立构成谐振回路，所以当一组谐振开关驱动不同步时，不会出现单个谐振开关由于承受电压应力过大而损坏的情况。另外在单个谐振-逆变单元中谐振开关电流应力不变的情况下，可通过并联多个谐振-逆变单元来增大系统的输出功率。
实例2
如图2所示，本实例与实例1的不同之处在于第一、第二谐振电感（16、17）可采用脉冲变压器的漏感来代替，可通过合理设计脉冲变压器的参数来得到合适的电感量。
实例3
如图3所示，本实例与实例1的不同之处在于第一谐振电感16和第二谐振电感17在电路中所处的位置不同。第一谐振电感16连接于第一谐振电容13与脉冲变压器15中间抽头b之间；第二谐振电感17连接于第二谐振电容14和脉冲变压器15中间抽头b之间。
实例4
如图4所示，本实例与实例1的不同之处在于第一谐振电感16和第二谐振电感17在电路中所处的位置不同。第一谐振电感16连接于第一扼流圈5和第一谐振电容13之间；第二谐振电感17连接于第二扼流圈6和第二谐振电容14之间。
实例5
如图5所示，本实例与实例1的不同之处在于第一谐振电感16和第二谐振电感17在电路中所处的位置不同。第一谐振电感16连接于第一扼流圈5和第一谐振电容13之间；第二谐振电感17连接于第二谐振电容14和脉冲变压器15中间抽头b之间。
实例6
如图6所示，本实例与实例1的不同之处在于第一谐振电感16和第二谐振电感17在电路中所处的位置不同。第一谐振电感16连接于第一谐振电容13与脉冲变压器15中间抽头b之间；第二谐振电感17连接于第二扼流圈6和第二谐振电容14之间。
实例7
如图7所示，上述实例1至实例6在单个谐振-逆变单元中谐振开关电流应力不变的情况下，可通过并联2个谐振-逆变单元来增大系统的输出功率。
如图7所示，扩展的变压器原边电路采用第二组直流电源来供电，但这不是必须的，也可以只采用一组直流电源，即将第一直流电源1的第一输出端连接到谐振开关24，第二直流电源2的第二输出端连接到谐振开关25，第一直流电源1的第二输出端连接到工作地23，第二直流电源2的第一输出端连接到工作地23。
实例8
上述实例7中在单个谐振-逆变单元中谐振开关电流应力不变的情况下，可通过并联2个谐振-逆变单元来增大系统的输出功率，但不限于只扩展2路，可以根据应用需要扩展更多路，如图8所示。
实例9
上述实例1到实例8中的采用了工作地23，工作地一般连接到大地，但这并不是本发明必须的，工作地23即使不连接到大地，也不影响本变换器的应用。
实例10
优选的，上述实例1到实例8（除实例2）中的第一谐振电感16和第二谐振电感17电感值相同，谐振电容13和谐振电容14电容值相同，但这并不是本发明所必须的，即使第一谐振电感16和第二谐振电感17的参数、第一谐振电容13和第二谐振电容14的参数不相同，也不影响本变换器的实际应用。
以上内容是结合具体的优选实例对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施只局限于以上这些说明。对于本发明所属技术领域的技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以作出若干简单推演或替换，都应当视为属于本发明的保护范围。
Claims (10)
1.一种双极性脉冲发生器，其特征是：包括直流供电单元、谐振-逆变单元、脉冲变压器(15)和副边输出单元；所述直流供电单元包括两个直流电源、两个直流支撑电容和两个扼流圈；所述谐振-逆变单元包括两个谐振电容和两个谐振开关；其中，第一直流电源(1)第一输出端与第一直流支撑电容(3)第一输出端相连后，经第一扼流圈(5)后，一路经第一谐振开关(7)与脉冲变压器输入端a相连；经第一扼流圈(5)后另一路经第一谐振电容(13)和脉冲变压器输入端b相连；经第一扼流圈(5)后还有一路经第三谐振开关(9)与脉冲变压器输入端c相连；第一直流电源第二输出端与第一直流支撑电容第二输出端相连后和工作地(23)相连；第二直流电源第一输出端和第二直流支撑电容第一输出端相连后和工作地(23)相连，第二直流电源第二输出端与第二直流支撑电容第二输出端相连后，经第二扼流圈(6)后一路经第二谐振开关（8）与脉冲变压器输入端a相连；经第二扼流圈(6)后另一路经第二谐振电容(14）与脉冲变压器输入端b相连；经第二扼流圈(6)后还有一路经第四谐振开关(10)与脉冲变压器输入端c相连；脉冲变压器原边绕组中间抽头b和工作地(23)相连。
2.根据权利要求1所述的双极性脉冲发生器，其特征是：谐振-逆变单元还包括第一谐振电感（16）和第二谐振电感（17)，第一谐振电感(16)连接于第一谐振开关(7)与脉冲变压器(15)输入端a之间；第二谐振电感(17)连接于第三谐振开关(9)和脉冲变压器(15)输入端c之间；
或者第一谐振电感(16)连接于第一谐振电容(13)与脉冲变压器(15)中间抽头b之间；第二谐振电感(17)连接于第二谐振电容(14)和脉冲变压器(15)中间抽头b之间，或第二谐振电感(17)连接于第二扼流圈(6)和第二谐振电容(14)之间；
或者第一谐振电感(16)连接于第一扼流圈(5)和第一谐振电容(13）之间；第二谐振电感（17）连接于第二扼流圈（6）和第二谐振电容(14）之间，或第二谐振电感（17）连接于第二谐振电容（14）和脉冲变压器（15）中间抽头b之间。
3.根据权利要求2所述的双极性脉冲发生器，其特征是：该双极性脉冲发生器还包括第一保护单元(11)和第二保护单元(12)；第一保护单元(11)第一输出端和第一谐振电容(13)第一输出端相连，第一保护单元(11)第二输出端和第一谐振电容(13)第二输出端相连；第二保护单元(12)第一输出端和第二谐振电容(14)第一输出端相连，第二保护单元(12)第二输出端和第二谐振电容(14)第二输出端相连。
4.根据权利要求3所述的双极性脉冲发生器，其特征是：第一保护单元(11)和第二保护单元(12)采用无源钳位吸收电路，或者有源钳位电路。
5.根据权利要求3所述的双极性脉冲发生器，其特征是：还包括磁芯偏置单元，磁芯偏置单元包括扼流圈(18）和限流电阻(19)、箝位电容(21)和直流电源(20)，所述直流电源(20)第一输出端经限流电阻(19)、扼流圈(18)和脉冲变压器输出端d相连，第二输出端和脉冲变压器输出端e相连；所述箝位电容(21)第一输出端经扼流圈(18)和脉冲变压器输出端d相连，第二输出端和脉冲变压器输出端e相连。
6.根据权利要求5所述的双极性脉冲发生器，其特征是：所述副边输出单元为负载(22)，负载(22)采用容性负载、阻性和容性负载并联；脉冲变压器输出端f和负载(22)第一输出端相连，脉冲变压器输出端g和负载(22)第二输出端相连。
7.根据权利要求6所述的双极性脉冲发生器，其特征是：第一、第二谐振电容电容值相等；第一、第二谐振电感电感值相等。
8.根据权利要求1、2、3、4、5、6或7所述的双极性脉冲发生器，其特征是：其中谐振-逆变单元可扩展二个或多个单元并联而成。
9.根据权利要求8所述的双极性脉冲发生器，其特征是：所述直流电源采用三相整流电源、三相交流调压电源、直流调压电源或者开关电源。
10.根据权利要求8所述的双极性脉冲发生器，其特征是：所述谐振开关采用半导体开关IGBT、IGCT或GTO。
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- 2018-06-01 CN CN201810555767.9A patent/CN108667336B/zh active Active
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Application publication date: 20181016 Assignee: Nanjing Nanhuan New Energy Technology Co.,Ltd. Assignor: NANJING GUODIAN ENVIRONMENTAL PROTECTION TECHNOLOGY Co.,Ltd. Contract record no.: X2024980000784 Denomination of invention: Bipolar pulse generator Granted publication date: 20231024 License type: Common License Record date: 20240117 |
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Denomination of invention: Bipolar pulse generator Granted publication date: 20231024 Pledgee: Ningbo Bank Co.,Ltd. Nanjing Branch Pledgor: NANJING GUODIAN ENVIRONMENTAL PROTECTION TECHNOLOGY Co.,Ltd. Registration number: Y2024980009141 |