CN108809274A - 一种脉冲功率发生装置 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及高功率脉冲技术。本发明公开了一种带有复位电路的脉冲功率发生装置，不仅能够实现多个模块磁芯的复位，还能够回收脉冲过后磁芯中剩余的能量，提高系统的能量利用率。本发明的脉冲功率发生装置，包括直线型变压器驱动源，所述直线型变压器驱动源包括k个模块，每个模块的初级线圈通过磁芯与次级线圈耦合，所述初级线圈上连接有复位电路，所述复位电路包括复位电容、复位开关和续流二极管，所述复位电容一端与复位开关的一端及续流二极管负极连接，所述复位电容另一端与所述初级线圈热端连接，所述复位开关的另一端接地，所述续流二极管正极接地；k为整数，k＞1。本发明的复位电路，结构简单，工作可靠，效果明显。
Description
技术领域
本发明涉及高功率脉冲技术，特别涉及脉冲功率发生装置，具体涉及直线型变压器驱动源(英文缩写为：LTD)磁芯复位电路。
背景技术
随着大功率元器件的发展，近年以来高功率脉冲技术发展非常迅猛，应用领域不断扩大，特别是在激光技术领域、等离子技术领域等的应用取得了长足的发展。
脉冲功率技术的本质是能量在时间和空间上的压缩，实现功率的增益，提高能量密度。通过设计、优化电路拓扑结构，产生了多种脉冲发生装置，其中最具有代表性的就是LTD。研究效率更高、系统更紧凑的LTD已经成为脉冲功率技术的一个重要方向。
LTD技术是基于感应叠加和感应隔离原理，采用多个模块串联而成，每个模块都有一个储能元件，如电容等，通过开关的闭合在脉冲变压器初级产生一个脉冲电压，通过脉冲变压器磁芯耦合到次级。脉冲变压器次级共用一个线圈，因此次级输出电压等于所有模块输出电压的叠加。
通常各个模块都具有相同的结构参数。
图1是包含三个模块的LTD原理图。当开关SM1闭合时，电容CS1通过脉冲变压器T1初级线圈放电，电压V1通过脉冲变压器T1耦合到次级线圈。如果三个模块结构参数相同，负载电阻RL两端的电压VL可以表达为：VL＝3nV1，n为脉冲变压器的传输比。图1中，二极管DL为负载整流二极管。
在LTD中，磁芯材料价格昂贵，磁芯体积过大不仅成本高，而且会严重影响装置的输出性能，因此，在满足所需磁通密度增量的条件下，希望磁芯的体积尽可能小。提高磁通密度增量的最有效的办法就是复位，即外加磁场使磁芯反向磁化直至反向饱和。
LTD传统的复位方式有两种，即直流复位和脉冲复位。
直流复位的原理是利用直流源Ure对LTD模块的磁芯进行复位，每个模块的次级都需要增加一个复位绕组Nre，和直流电源Ure，电路原理如图2所示。
为了避免主回路的高压脉冲损坏直流电源，需要在直流电源Ure和LTD磁芯之间加入隔离装置，通常采用扼流圈Lch，与此同时必然引入线阻Rch。此外，每个LTD模块的磁芯都需要一路独立的复位电流，因此往往需要直流电源提供Ure数百安培的电流，所以用于LTD磁芯复位的能耗巨大，效率低下。
脉冲复位是利用外部电路产生的单向脉冲为脉冲变压器磁芯复位，电路原理如图3所示。
复位电容CR通过电源Ure、限流电阻R1充电储能。在脉冲间隔期，闭合开关S，脉冲变压器磁芯通过回路产生的单向脉冲完成复位。为了使回路中产生单向脉冲，需要使脉冲变压器复位线圈电感L1、电阻R以及复位电容CR谐振电路工作在过阻尼状态，因此需要选择一个合适阻值的电阻R。
由于复位电流很大，电路损耗非常大，而且这种复位电路需要开关S承受来自主回路放电的高压，对开关器件要求高，结构复杂。
上述复位方式都需要额外的电源提供大量的能量，系统的能量利用效率较低；为了降低脉冲过后负载承受的反向电压，通常在电路中加入续流路径(如续流二极管等)将磁芯中剩余的能量释放掉，进一步造成能量的浪费；此外为了防止脉冲期间的高压损坏电源，需要建立高压隔离电路，并选用结构复杂的耐高压开关器件，不利于系统的紧凑化设计。
发明内容
本发明的主要目的在于提供一种带有复位电路的脉冲功率发生装置，不仅能够实现多个模块磁芯的复位，还能够回收脉冲过后磁芯中剩余的能量，提高系统的能量利用率。
为了实现上述目的，根据本发明具体实施方式的一个方面，提供了一种脉冲功率发生装置，包括直线型变压器驱动源，所述直线型变压器驱动源包括k个模块，每个模块的初级线圈通过磁芯与次级线圈耦合，其特征在于，所述初级线圈上连接有复位电路，所述复位电路包括复位电容、复位开关和续流二极管，所述复位电容一端与复位开关的一端及续流二极管负极连接，所述复位电容另一端与所述初级线圈热端(非接地端)连接，所述复位开关的另一端接地，所述续流二极管正极接地；k为整数，k＞1。
进一步的，所述k个模块具有相同结构。
具体的，所述复位开关采用IGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor绝缘栅双极型晶体管)构成。
进一步的，所述复位电容与初级线圈电感谐振于复位开关触发频率。
具体的，所述复位电容为极性电容，其负极与初级线圈热端连接。
进一步的，所述复位电容由两个以上电容并联构成。
进一步的，所述复位开关由两个以上开关并联构成。
进一步的，所述续流二极管有k只，每只续流二极管正极分别与对应模块的初级线圈冷端(接地端)连接。
进一步的，所述续流二极管并联有电阻。
本发明的有益效果是，不仅能实现变压器磁芯的复位，还能回收脉冲过后励磁电感中剩余的能量，提高了能量的利用效率。此外，由于复位电路设置在变压器初级端，承受的脉冲电压较低，因此可以采用功率较小的开关，如IGBT等，有利于系统的紧凑化和模块化设计。
下面结合附图和具体实施方式对本发明做进一步的说明。本发明附加的方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。
附图说明
构成本申请的一部分的附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的具体实施方式、示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：
图1是现有技术LTD结构示意图；
图2是直流复位电路原理示意图；
图3是脉冲复位电路原理示意图；
图4是本发明实施例1电路结构示意图；
图5是不带复位电路时变压器T1初级电流波形；
图6是不带复位电路时变压器T2初级电流波形；
图7是带复位电路时变压器T1初级电流波形；
图8是带复位电路时变压器T2初级电流波形；
图9是实施例2电路结构示意图。
其中，100为复位电路。
具体实施方式
需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的具体实施方式、实施例以及其中的特征可以相互组合。现将参考附图并结合以下内容详细说明本发明。
为了使本领域技术人员更好的理解本发明方案，下面将结合本发明具体实施方式、实施例中的附图，对本发明具体实施方式、实施例中的技术方案进行清楚、完整的描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的具体实施方式、实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施方式、实施例，都应当属于本发明保护的范围。
本发明针对直流复位和脉冲复位存在的问题，对LTD的磁芯复位进行了以下几个方面改进：
(1)为了避免使用额外的绕组，将复位电路搭建在初级绕组或次级绕组上；
(2)为了降低复位电路承受的来自主回路的脉冲高压，将复位电路搭建在匝数较低的绕组上；
(3)将主回路脉冲过后磁芯中的能量回收利用，提高了整个系统的能量利用效率。
本发明的脉冲功率发生装置，包括由k个模块构成的直线型变压器驱动源，每个模块产生的脉冲电流流过脉冲变压器初级线圈，通过磁芯耦合到次级线圈，在次级线圈中形成电压叠加，根据不同的脉冲变压器传输比和模块数量，可以提供极高密度的能量输出。
本发明的脉冲功率发生装置，初级线圈上连接有复位电路。
本发明的复位电路包括复位电容、复位开关和续流二极管。
复位电容一端与复位开关的一端及续流二极管负极连接。
复位电容另一端与每个初级线圈热端连接，复位开关的另一端接地，续流二极管正极接地。
其中，k为整数，k＞1。
本发明的这种复位电路，复位电容、复位开关和续流二极管为各个模块的共用元件，可以为k个模块提供复位电流，使得脉冲功率发生装置电路结构大大简化。
实施例1
如图4所示，本例脉冲功率发生装置也采用直线型变压器驱动源，本例直线型变压器驱动源由2个模块构成，2个模块的初级线圈通过脉冲变压器T1磁芯与次级线圈耦合，在次级线圈中产生电压叠加，输出高压脉冲。
参见图4，本例脉冲功率发生装置2个模块具有完全相同的结构参数。驱动开关SM1和驱动开关SM2由同一个脉冲触发，储能电容CS1和储能电容CS2电容相等，脉冲变压器T1和脉冲变压器T2结构参数相同，脉冲电压V1＝V2，负载电阻RL两端的电压VL＝2nV1，n为脉冲变压器的传输比。
由图4可见，本例脉冲功率发生装置初级线圈上连接有复位电路100。复位电路100包括复位电容CR、复位开关SR以及续流二极管DF1和续流二极管DF2。
为了获得更大的电容量，本例复位电容CR采用极性电容。其正极与复位开关SR的一端及续流二极管DF1和续流二极管DF2负极连接，复位电容CR负极与初级线圈热端连接，复位开关SR的另一端接地，续流二极管DF1和续流二极管DF2正极接地。
由图4可见，本例的复位电路采用了2只续流二极管DF1和续流二极管DF2，可以提供更大的电流通道，并且2只续流二极管正极分别连接对应模块初级线圈的冷端，可以缩短电流路径，降低电流损耗。
对于更多数量的模块结构，可以参照此例，采用相同数量的续流二极管与对应模块的初级线圈连接，为各个初级线圈提供独立的电流通道。
本例中，复位开关SR采用IGBT构成，具有饱和压降低、控制电路简单的特点。
本例复位电容CR与初级线圈电感组成的谐振电路谐振于复位开关SR的触发频率，可以获得更大的复位电流。
为了得到更大容量的电容，复位电容CR可以采用两个以上电容并联构成。
同样的，为了扩大复位开关的电流承载能力，复位开关也可以由两个以上开关并联构成。
在某些应用场合，还可以通过在续流二极管上并联电阻的方法，提高续流二极管的反应速度。
仿真分析
通过仿真分析在相同脉冲电压条件下复位电路对变压器达到饱和时间(即最大有效脉冲伏秒积)的影响，根据变压器的饱和特性，观察变压器初级电流的波形，判断变压器是否饱和。
图5、图6为不带复位电路的脉冲功率发生装置仿真模型中变压器T1、变压器T2初级电流波形。
电路参数设置为：储能电容CS1和储能电容CS2容量为0.05F，初始电压为100V，驱动开关SM1和驱动开关SM2触发周期设为1ms，导通时间设为0.3ms，饱和变压器的饱和伏秒积设为240mvs。
观察图5、图6的两个电流波形可知，LTD两个模块的变压器初级电流Ipri相等，并且都在0.223ms时发生突变，由变压器的饱和特性可知，此时变压器进入了饱和状态。
增加复位电路后，复位电路中复位电容CR容量为500μF，初始电压为50V，复位开关SR触发周期设为1ms，导通时间0.3ms。
图7、图8为此时脉冲功率发生装置中脉冲变压器T1、脉冲变压器T2初级电流的仿真结果。
观察图7、图8的两个电流波形可知，LTD两个模块的变压器初级电流Ipri相等，并且都经历系统的变化过程，整个过程电流波形都没有发生突变。由变压器的饱和特性可知，变压器没有达到饱和状态。
综上所述，在相同脉冲电压的作用下，该复位电路提高了变压器的饱和时间，即最大有效脉冲伏秒积，所以该复位电路具有复位效果。此外，复位电路能够同时实现LTD不同模块中变压器磁芯同时复位，且复位效果相同。
实施例2
本例脉冲功率发生装置结构如图9所示，由3个结构参数相同的模块构成。
由于增加了一个模块，本例复位电路100采用了续流二极管DF1、续流二极管DF2和续流二极管DF3，共3只续流二极管。3只续流二极管正极分别与脉冲变压器T1、脉冲变压器T2和脉冲变压器T3初级线圈冷端连接，电路连接关系如图9所示。电路工作原理参见实施例1的描述，在此不再赘述。
通过上面实施例的描述可见，本发明的脉冲功率发生装置，不需要为每个模块设置独立的复位电路，复位电路100中所有元器件都可以共用，每个模块变压器磁芯都可以同时得到复位，且复位效果相同。
本发明的复位电路，结构简单，工作可靠，效果明显，使得本发明的脉冲功率发生装置结构得到了进一步的简化，系统结构更加紧凑。特别是对于模块数量大，系统输出电压高的脉冲功率发生装置，本发明复位电路的优越性更加突出。
Claims (9)
1.一种脉冲功率发生装置，包括直线型变压器驱动源，所述直线型变压器驱动源包括k个模块，每个模块的初级线圈通过磁芯与次级线圈耦合，其特征在于，所述初级线圈上连接有复位电路，所述复位电路包括复位电容、复位开关和续流二极管，所述复位电容一端与复位开关的一端及续流二极管负极连接，所述复位电容另一端与所述初级线圈热端连接，所述复位开关的另一端接地，所述续流二极管正极接地；k为整数，k＞1。
2.根据权利要求1所述的一种脉冲功率发生装置，其特征在于，所述k个模块具有相同结构。
3.根据权利要求1所述的一种脉冲功率发生装置，其特征在于，所述复位开关采用IGBT构成。
4.根据权利要求1所述的一种脉冲功率发生装置，其特征在于，所述复位电容与初级线圈电感谐振于复位开关触发频率。
5.根据权利要求1所述的一种脉冲功率发生装置，其特征在于，所述复位电容为极性电容，其负极与初级线圈热端连接。
6.根据权利要求1所述的一种脉冲功率发生装置，其特征在于，所述复位电容由两个以上电容并联构成。
7.根据权利要求1所述的一种脉冲功率发生装置，其特征在于，所述复位开关由两个以上开关并联构成。
8.根据权利要求1所述的一种脉冲功率发生装置，其特征在于，所述续流二极管有k只，每只续流二极管正极分别与对应模块的初级线圈冷端连接。
9.根据权利要求1所述的一种脉冲功率发生装置，其特征在于，所述续流二极管并联有电阻。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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| GR01 | Patent grant | ||
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