CN108923389A - 电子枪用高频开关电源系统高压闪络短路保护系统和保护方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种电子枪用高频开关电源系统高压闪络短路保护系统，包括，闪络电流检测电路，包括设置在电子枪用高频开关电源系统的高压滤波电容支路中的第一电流互感器，以及与所述的第一电流互感器并接的电阻；输出电流检测电路，包括设置在高压输出地端支路上的第二电流互感器，以及与所述的第二电流互感器并联的电阻；闪络保护控制电路，用以接收所述的输出电流检测电路和闪络电流检测电路的输出并与所述的电子枪用高频开关电源系统的可控连接。本发明在高压电源出现闪络打火时，采用穿心互感器隔离采样，通过逆变器的快速封断，具有抗干扰能力强、可靠性高、响应快、恢复快的特点，尤其适合电子枪系统中的高压电源。
Description
技术领域
本发明属于高压电源技术领域，具体涉及一种电子枪用高频开关电源系统高压闪络短路保护系统和保护方法。
背景技术
电子枪普遍应用于真空镀膜、熔炼、3D打印和焊接等工业、科研领域，电子枪需要高压电源提供几十千伏特甚至上百千伏特高压来加速电子束，电源输出功率在6kW-500kW左右。通常电子枪正常工况下，时常会发生闪络打火，主要由于随机的部件气体释放，造成电子枪内负高压阴极与阳极(地端)间发生拉弧现象，工况恶劣时有时高达1分钟打火数百次，瞬间放电电流可达几百A。在这种情况下，需要快速检测到闪络打火并封锁逆变器，避免大能量持续拉弧放电。同时在闪络打火结束时需要快速启动逆变器输出，恢复电子枪正常输出，这在电子束真空镀膜、电子束3D打印和电子束焊接应用中尤其重要。
常规采样保护电路是通过分流器直接采样闪络时的峰值电流，因为闪络时的峰值电流很高，容易在分流器上产生较高的压降，很容易损坏采样电路。同时闪络时，高压瞬态加在回路的分布电感上面，地回路电压瞬态被抬升很高的电压，容易损坏或干扰误到直接连接到采样回路的相关器件。所以隔离采样很重要。
另外，一般的高压电源闪络处理控制电路，比较器采集到闪络信号后，只做固定的延时处理，即为闪络保护重启动周期为固定周期，重启周期最多是为可设定模式，并且为了保证灭弧时间，周期间隔时间一般设定比较大。所以闪络灭弧不具备自适应能力，影响电子束工作的效率，满足不了电子枪电源连续性要求——快速保护，快速灭弧，自适应快速重启。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种电子枪用高频开关电源系统高压闪络短路保护系统，其具有高可靠、抗干扰、快速保护，快速灭弧等特点，可快速重启的高压闪络保护系统。
本发明的另一个目的是，提供一种电子枪用高频开关电源系统高压闪络短路保护方法。
本发明是通过以下技术方案实现的：
一种电子枪用高频开关电源系统高压闪络短路保护系统，包括，
闪络电流检测电路，包括设置在电子枪用高频开关电源系统的高压滤波电容支路中的第一电流互感器，以及与所述的第一电流互感器并接的电阻；
输出电流检测电路，包括设置在高压输出地端支路上的第二电流互感器，以及与所述的第二电流互感器并联的电阻；
闪络保护控制电路，用以接收所述的输出电流检测电路和闪络电流检测电路的输出并与所述的电子枪用高频开关电源系统的可控连接。
在上述技术方案中，所述的闪络保护控制电路的输出与所述的电子枪用高频开关电源系统的DC-AC逆变器可控连接。
在上述技术方案中，所述的第一电流互感器和第二电流互感器分别经整流桥后与电阻连接。
在上述技术方案中，所述的第一电流互感器和第二电流互感器为穿心型互感器。
在上述技术方案中，所述的输出电流检测电路的电阻还并联有滤波电容。
在上述技术方案中，还包括RL阻尼网络，其包括串联在电子枪用高频开关电源系统的高压输出上的功率电阻R1和电感L。
在上述技术方案中，RL阻尼网络还包括与所述的电感L并联的电阻R2。
在上述技术方案中，：闪络保护控制电路包括闪络基准电路、闪络判定电路以及闪络保护自锁控制电路；所述的，所述的闪络判定电路包括闪络判定电路16包括第一比较器Ua1B、自锁二极管Dk1和闪络基准电路上闪络判定基准与第一比较器Ua1B负输入端相连，闪络电流检测电路的闪络电流采样信号与第一比较器Ua1B正输入端相连，第一比较器Ua1B输出为闪络封锁信号，第一比较器Ua1B输出通过电阻Ra3连接到二极管Dk1的阳极，二极管Dk1的阴极与第一比较器Ua1B的正输入端相连以使电阻Ra3和二极管Dk1形成正反馈。
在上述技术方案中，闪络保护自锁控制电路包括第二比较器Ua1C和二极管Dk2，其中闪络基准电路的闪络保护自锁控制基准连接到第二比较器Ua1C的负输入端，输出电流检测电路的输出电流采样信号连接到第二比较器Ua1C的正输入端，第二比较器Ua1C的输出连接到二极管Dk2的阴极，二极管Dk2的阳极与闪络判定电路中的二极管Dk1的阳极连接。
在上述技术方案中，闪络基准电路包括运放Ua1A、电阻Ra5和电阻Ra6，其中运放Ua1A配置为跟随器，输入基准Iref通过运放Ua1A缓冲输出闪络判定基准，运放Ua1A缓冲输出通过Ra5和Ra6分压成闪络保护自锁控制基准。
在上述技术方案中，所述的跟随器和比较器均为TL084。
一种所述的电子枪用高频开关电源系统高压闪络短路保护系统的保护方法，包括以下步骤，
1)当高压输出与高压输出地端发生闪络放电时，闪络放电电流通过高压滤波电容释放而快速上升并被闪络电流检测电路检测到，当闪络放电电流大于额定电流的预定倍数时第一比较器Ua1B输出翻转，闪络封锁信号变高平，封锁DC-AC逆变器输出，实现闪络快速封锁；高压滤波电容持续放电，能量向RL阻尼网络中的电感L转移；
2)若高压滤波电容的电荷还未放完，闪络放电就结束，则闪络封锁信号变低电平，重新启动DC-AC逆变器；
3)若闪络放电持续，当高压滤波电容电压翻转并大于高压整流桥的正向管压降时，高压整流桥导通，闪络放电通过高压整流桥持续，整流桥输出电流增大，同时高压滤波电容支路电流下降为零；在这一过程中，当整流桥输出电流大于额定电流预定倍数时，输出电流检测电路输出的桥电流采样信号大于自锁控制基准，第二比较器Ua1C输出变高，使闪络判定电路输出自锁，确保在高压滤波电容支路电流下降到小于额定电流预定倍数时闪络封锁信号持续有效以持续关闭DC-AC逆变器，在封锁过程中，闪络放电电流开始下降并降到小于额定电流预定倍数时，闪络判定电路的自锁解除，闪络封锁信号变低，DC-AC逆变器解锁，高压整流桥开始输出电流。
在上述技术方案中，所述的闪络判定基准设定为1.4倍的电源输出额定电流，闪络保护自锁控制基准设定为1.2倍的电源输出额定电流。
本发明的优点和有益效果为：
本发明在高压电源出现闪络打火时，采用穿心互感器隔离采样，通过逆变器的快速封断，实现高压电源的保护，通过闪络保护控制，在闪络打火结束时及时启动逆变器输出。具有抗干扰能力强、可靠性高、响应快、恢复快的特点，尤其适合电子枪系统中的高压电源。
附图说明
图1为闪络保护电路框图；
图2为闪络保护控制电路。
对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，可以根据以上附图获得其他的相关附图。
具体实施方式
为了使本技术领域的人员更好地理解本发明方案，下面结合具体实施例进一步说明本发明的技术方案。
实施例一
一种电子枪用高频开关电源系统高压闪络短路保护系统，包括，
闪络电流检测电路1，包括设置在电子枪用高频开关电源系统的高压滤波电容支路中的第一电流互感器，以及与所述的第一电流互感器并接的电阻；
输出电流检测电路2，包括设置在高压输出地端支路上的第二电流互感器，以及与所述的第二电流互感器并联的电阻；
闪络保护控制电路3，用以接收所述的输出电流检测电路和闪络电流检测电路的输出并与所述的电子枪用高频开关电源系统的可控连接。
其中，所述的闪络保护控制电路的输出与所述的电子枪用高频开关电源系统的DC-AC逆变器可控连接。
具体地说，高压闪络保护系统包括闪络电流检测电路1、输出电流检测电路2、闪络保护控制电路3、RL阻尼电路4和升压电路20。其中升压电路20包括DC-AC逆变器8、升压变压器7、高压整流桥6和高压滤波电容5，是一种常规开关型高压电源电路。闪络电流检测电路1包括第一互感器Tarc、整流桥18和电阻Rarc，第一互感器Tarc为穿心型互感器，高压滤波电容支路13穿过第一互感器Tarc。输出电流检测电路2包括第二互感器Tave、整流桥19、电阻Ra和电容Ca，第二互感器Tave为穿心型互感器，高压输出地端12穿过第二互感器Tave。闪络保护控制电路3分别通过闪络电流采样信号9、输出电流采样信号10与闪络电流检测电路1和输出电流检测电路2相连。闪络保护控制电路3输出闪络封锁信号11与升压电路20的DC-AC逆变器相连。RL阻尼电路4串联在升压电路输出高压端14和和高压输出21之间，其包括串联在电子枪用高频开关电源系统的高压输出上的功率电阻R1和电感L。还包括与所述的电感L并联的电阻R2。高压闪络放电时，因为储能电容的能量很大，瞬间产生很高强度的EMI，RL阻尼电路可以有效降低上述的影响。其中，R1是起到RC或RLC串联阻尼参数的作用，起到让主回路放电能量尽快通过该电阻衰减和吸收。另外的R2和电感并联，作用是闪络短路时，输出高压在瞬时都通过这RL并联电路承担，并且放电峰值抑制也是由这个电路来抑制的。即，该高压电源短路时的缓冲阻尼电路为减弱大功率高压电源短路冲击的缓冲电路，可以有效降低短路时的EMI干扰，从而保护放电时对电源自身和对其他设备的冲击和干扰。
当高压输出21与高压输出地端12发生闪络打火时，高压滤波电容5通过高压滤波电容支路13和RL阻尼电路4快速放电，形成高快速的尖峰闪络电流，RL阻尼电路4一定程度地抑制了输出电流峰值。闪络电流检测电路1和输出电流检测电路2检测到该尖峰电流，分别输出闪络电流采样信号9和输出电流采样信号10，经过闪络保护控制电路3处理，输出闪络封锁信号11，关闭DC-AC逆变器输出，并在闪络放电结束后重新启动DC-AC逆变器输出。
实施例二
闪络保护控制电路3包括闪络基准电路15，闪络判定电路16，闪络保护自锁控制电路17。闪络基准电路15包括运放Ua1A、电阻Ra5和电阻Ra6，其中运放Ua1A配置为跟随器，输入基准Iref通过运放Ua1A缓冲输出闪络判定基准22，与闪络判定电路16相连，运放Ua1A缓冲输出通过Ra5和Ra6分压，形成闪络保护自锁控制基准23，通过电阻Ra7连接到闪络保护自锁控制电路17中第二比较器Ua1C的负输入端；闪络判定电路16包括第一比较器Ua1B、自锁二极管Dk1和电阻Ra1、Ra2、Ra3，闪络判定基准22通过电阻Ra2与第一比较器Ua1B负输入端相连，闪络电流采样信号9通过电阻Ra2与第一比较器Ua1B正输入端相连，第一比较器Ua1B输出闪络封锁信号11，并通过电阻Ra3连接到二极管Dk1的阳极，二极管Dk1的阴极与第一比较器Ua1B的正输入端相连，Ra3和Dk1形成正反馈；闪络保护自锁控制电路17，包括第二比较器Ua1C、二极管Dk2和电阻Ra7、Ra8，其中闪络保护自锁控制基准23通过电阻Ra7连接到第二比较器Ua1C的负输入端，输出电流采样信号10通过电阻Ra8连接到第二比较器Ua1C的正输入端，Ua1C的输出连接到二极管Dk2的阴极，Dk2的阳极与闪络判定电路16中的Dk1的阳极、Ra3的一端连接在一起。
闪络基准电路15分别为闪络判定电路16、闪络保护自锁控制电路17提供判定基准信号22和23，其大小根据电源输出电流要求进行设定，由于Ra5和Ra6的分压，闪络保护基准23比闪络判定基准22要小，其大小可以通过调节Ra5和Ra6的比值来设定，如：闪络判定基准22设定为1.4倍的电源输出额定电流，闪络保护自锁控制基准23设定为1.2倍的电源输出额定电流。
实施例三
以闪络判定基准22设定为1.4倍的电源输出额定电流，闪络保护自锁控制基准23设定为1.2倍的电源输出额定电流为例，当高压输出21与高压输出地端12发生闪络放电时，闪络放电电流通过高压滤波电容5释放，快速上升，并被闪络电流检测电路1检测到，当闪络放电电流大于额定电流的1.4倍时，闪络电流采样信号9超过闪络判定基准22，第一比较器Ua1B输出翻转，闪络封锁信号11变高平，封锁DC-AC逆变器输出，实现闪络快速封锁。高压滤波电容5持续放电，能量向阻尼网络4中的电感L转移。
若高压滤波电容5的电荷还未放完，闪络放电就结束，则闪络封锁信号11变低电平，重新启动DC-AC逆变器8。
若闪络放电持续，当高压滤波电容5电压翻转，并大于高压整流桥6的正向管压降时，高压整流桥6导通，闪络放电通过高压整流桥持续，整流桥输出电流增大，同时高压滤波电容支路13电流下降为零。在这一过程中，当整流桥输出电流大于1.2倍额定电流时，输出电流检测电路2输出的桥电流采样信号10大于自锁控制基准23，第二比较器Ua1C输出变高，使闪络判定电路16输出自锁，确保在高压滤波电容支路13电流下降到小于1.4倍额定电流情况下，闪络封锁信号11持续有效，关闭DC-AC逆变器。
在封锁过程中，闪络放电电流开始下降，当降到小于1.2倍额定电流时，电流采样信号10低于闪络保护基准23，第二比较器Ua1C输出变低电平，闪络判定电路16的自锁解除，闪络封锁信号11变低，DC-AC逆变器解锁，高压整流桥开始输出电流。
本电路闪络保护电路可以实现快速闪络打火的检测和封锁，并能确保闪络放电过程中逆变器处于封锁状态。同时当输出电流减小到保护阈值以下时，及时解除逆变器的封锁。实现闪络快速保护的同时，保证了输出电流的不间断输出。
以上对本发明做了示例性的描述，应该说明的是，在不脱离本发明的核心的情况下，任何简单的变形、修改或者其他本领域技术人员能够不花费创造性劳动的等同替换均落入本发明的保护范围。
Claims (13)
1.一种电子枪用高频开关电源系统高压闪络短路保护系统，其特征在于：包括，
闪络电流检测电路，包括设置在电子枪用高频开关电源系统的高压滤波电容支路中的第一电流互感器，以及与所述的第一电流互感器并接的电阻；
输出电流检测电路，包括设置在高压输出地端支路上的第二电流互感器，以及与所述的第二电流互感器并联的电阻；
闪络保护控制电路，用以接收所述的输出电流检测电路和闪络电流检测电路的输出并与所述的电子枪用高频开关电源系统的可控连接。
2.根据权利要求1所述的一种电子枪用高频开关电源系统高压闪络短路保护系统，其特征在于：所述的闪络保护控制电路的输出与所述的电子枪用高频开关电源系统的DC-AC逆变器可控连接。
3.根据权利要求1所述的一种电子枪用高频开关电源系统高压闪络短路保护系统，其特征在于：所述的第一电流互感器和第二电流互感器分别经整流桥后与电阻连接。
4.根据权利要求1所述的一种电子枪用高频开关电源系统高压闪络短路保护系统，其特征在于：所述的第一电流互感器和第二电流互感器为穿心型互感器。
5.根据权利要求1所述的一种电子枪用高频开关电源系统高压闪络短路保护系统，其特征在于：所述的输出电流检测电路的电阻还并联有滤波电容。
6.根据权利要求1所述的一种电子枪用高频开关电源系统高压闪络短路保护系统，其特征在于：还包括RL阻尼网络，其包括串联在电子枪用高频开关电源系统的高压输出上的功率电阻R1和电感L。
7.根据权利要求6所述的一种电子枪用高频开关电源系统高压闪络短路保护系统，其特征在于：RL阻尼网络还包括与所述的电感L并联的电阻R2。
8.根据权利要求1所述的一种电子枪用高频开关电源系统高压闪络短路保护系统，其特征在于：闪络保护控制电路包括闪络基准电路、闪络判定电路以及闪络保护自锁控制电路；所述的，所述的闪络判定电路包括闪络判定电路16包括第一比较器Ua1B、自锁二极管Dk1和闪络基准电路上闪络判定基准与第一比较器Ua1B负输入端相连，闪络电流检测电路的闪络电流采样信号与第一比较器Ua1B正输入端相连，第一比较器Ua1B输出为闪络封锁信号，第一比较器Ua1B输出通过电阻Ra3连接到二极管Dk1的阳极，二极管Dk1的阴极与第一比较器Ua1B的正输入端相连以使电阻Ra3和二极管Dk1形成正反馈。
9.根据权利要求8所述的一种电子枪用高频开关电源系统高压闪络短路保护系统，其特征在于：闪络保护自锁控制电路包括第二比较器Ua1C和二极管Dk2，其中闪络基准电路的闪络保护自锁控制基准连接到第二比较器Ua1C的负输入端，输出电流检测电路的输出电流采样信号连接到第二比较器Ua1C的正输入端，第二比较器Ua1C的输出连接到二极管Dk2的阴极，二极管Dk2的阳极与闪络判定电路中的二极管Dk1的阳极连接。
10.根据权利要求8所述的一种电子枪用高频开关电源系统高压闪络短路保护系统，其特征在于：闪络基准电路包括运放Ua1A、电阻Ra5和电阻Ra6，其中运放Ua1A配置为跟随器，输入基准Iref通过运放Ua1A缓冲输出闪络判定基准，运放Ua1A缓冲输出通过Ra5和Ra6分压成闪络保护自锁控制基准。
11.根据权利要求10所述的一种电子枪用高频开关电源系统高压闪络短路保护系统，其特征在于：所述的跟随器和比较器均为TL084。
12.一种如权利要求1-11任一项所述的电子枪用高频开关电源系统高压闪络短路保护系统的保护方法，其特征在于，包括以下步骤，
1)当高压输出与高压输出地端发生闪络放电时，闪络放电电流通过高压滤波电容释放而快速上升并被闪络电流检测电路检测到，当闪络放电电流大于额定电流的预定倍数时第一比较器Ua1B输出翻转，闪络封锁信号变高平，封锁DC-AC逆变器输出，实现闪络快速封锁；高压滤波电容持续放电，能量向RL阻尼网络中的电感L转移；
2)若高压滤波电容的电荷还未放完，闪络放电就结束，则闪络封锁信号变低电平，重新启动DC-AC逆变器；
3)若闪络放电持续，当高压滤波电容电压翻转并大于高压整流桥的正向管压降时，高压整流桥导通，闪络放电通过高压整流桥持续，整流桥输出电流增大，同时高压滤波电容支路电流下降为零；在这一过程中，当整流桥输出电流大于额定电流预定倍数时，输出电流检测电路输出的桥电流采样信号大于自锁控制基准，第二比较器Ua1C输出变高，使闪络判定电路输出自锁，确保在高压滤波电容支路电流下降到小于额定电流预定倍数时闪络封锁信号持续有效以持续关闭DC-AC逆变器，在封锁过程中，闪络放电电流开始下降并降到小于额定电流预定倍数时，闪络判定电路的自锁解除，闪络封锁信号变低，DC-AC逆变器解锁，高压整流桥开始输出电流。
13.如权利要求12所述的保护方法，其特征在于，所述的闪络判定基准设定为1.4倍的电源输出额定电流，闪络保护自锁控制基准设定为1.2倍的电源输出额定电流。
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