CN109448951B - 一种固态脉冲调制器的去磁电路 - Google Patents

一种固态脉冲调制器的去磁电路 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种固态脉冲调制器的去磁电路，包括直流充电电源E1、Marx开关组件模块、脉冲变压器T1、负载，直流充电电源E1经过Marx开关组件与脉冲变压器T1的初级侧连接，脉冲变压器的次级侧连接负载RL；所述直流充电电源E1与Marx开关组件模块的一个输入端连接，另一个输入端与开关管V的源极连接，开关管V的漏极与二极管D1的阳极连接，二极管D1的阴极连接Marx开关组件模块的输入端；所述隔离触发驱动模块A1分别用于驱动Marx开关组件模块和开关管V，控制开关管V与Marx开关组件模块内开关管同步导通与关断。本发明既回收了励磁电流，又避免了此部分损耗，提高了调制器整体效率，且电路简单，方便工程实现。

Description

一种固态脉冲调制器的去磁电路
技术领域
本发明涉及一种固态脉冲调制器去磁电路，特别是包含脉冲变压器式固态脉冲调制器的高效去磁功能的电路。
背景技术
随着科技的发展，加速器系统被广泛应用于军事，医疗、工业等领域。而高压脉冲调制器做为中小型加速器系统中的核心部件，其性能参数决定着加速器系统的性能。常见的高压脉冲调制器，其使用以氢闸流管为代表的气体开关做为放电开关，使用高压电容做为储能元件，存在体积重量大、使用寿命短、放电脉宽不可控等缺点。因此，使用固态器件做为放电开关、中低压电容做为储能器件的固态脉冲调制器成为发展趋势，有着广泛应用前景。受限于目前固态开关器件的电压参数水平，固态高压脉冲调制器多采用Marx发生器原理形式的电路拓扑，并联给多级电容充电，串联各级电容放电后经过脉冲变压器升压后得到所需的脉冲高压。
脉冲调制器放电波形为单向高压脉冲，因脉冲变压器励磁电流的存在，高重复频率工作时易导致脉冲变压器磁芯饱和，无法正常工作。因此在脉冲变压器上还需单独设置去磁绕组同时外加方向与放电脉冲相反的偏磁电源来为脉冲变压器去磁。这样，脉冲变压器需要增加去磁绕组会导致脉变体积、重量增加，同时外加偏磁电源也会带来体积、成本的增加。同时这种方式去磁电压很小，回路阻抗很小，励磁电流无法很快减小，导致去磁时间很长，高放电重复频率时铁芯易饱和，严重限制了该种固态脉冲调制器在高重复频率场合的应用。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种固态脉冲调制器的去磁电路，对固态脉冲调制器电路进行改进可以有效利用自身电路特性进行脉冲变压器去磁，大幅提高去磁效果，同时可以有效降低电路损耗，提高电路效率。
为了实现上述目的，本发明采用的技术方案为：一种固态脉冲调制器的去磁电路，包括直流充电电源E1、Marx开关组件模块、脉冲变压器T1、负载，直流充电电源E1经过Marx开关组件与脉冲变压器T1的初级侧连接，脉冲变压器的次级侧连接负载RL；所述直流充电电源E1与Marx开关组件模块的一个输入端连接，另一个输入端与开关管V的源极连接，开关管V的漏极与二极管D1的阳极连接，二极管D1的阴极连接Marx开关组件模块的输入端；所述隔离触发驱动模块A1分别用于驱动Marx开关组件模块和开关管V，控制开关管V与Marx开关组件模块内开关管同步导通与关断。
所述隔离触发驱动模块A1与系统控制器连接，用于接收系统控制器的控制信号。
所述Marx开关组件模块包括多个Marx开关组件，每个开关组件均有两个输入端J1和J3、两个输出端J2和J4，多个Marx开关组件输入输出相互连接形成Mrax开关组件模块。
所述Marx开关组件包括二极管V1、二极管V2、开关管V3、储能电容C1，输入端J1与二极管V1的阳极连接，二极管V1的阴极连接输出端J2；输入端J3连接二极管V2的阳极，二极管V2的阴极连接输出端J4；二极管V1的阳极通过电容C1与二极管V2的阳极连接；二极管V1的阳极与开关管V3的漏极连接，开关管V3的源极与二极管V2的阴极连接。
在直流充电电源E1的输出端串接隔离电感L1。
在放电结束后，系统控制器停止输出触发信号至隔离驱动模块A1，所述隔离驱动模块A1无输出，开关管V以及Marx组件中的开关管V3均关断，此时脉冲变压器T1的初级侧、二极管D1、Marx开关组件之间形成通路，励磁电流为Marx开关组件内的储能电容C1充电，完成去磁。
本发明的优点在于：利用励磁电感与储能电容谐振，既回收了励磁电流，避免了此部分损耗，提高了调制器整体效率；由于具备了快速去磁的功能，可高频工作，扩展了固态脉冲调制器的应用适应性；无需增加偏磁电源和脉冲变压器偏磁绕组，缩减了固态脉冲调制器配置，减小整体体积、重量和成本；同时，本发明涉及的元器件为原固态脉冲调制器内部通用器材，可便于实现工程化，且本发明通过在固态脉冲变压器内部进行电路微调就可以实现去磁功能，容易实现。
附图说明
下面对本发明说明书各幅附图表达的内容及图中的标记作简要说明：
图1为脉冲变压器式Marx固态脉冲调制器电路原理示意图；
图2为脉冲变压器式Marx固态脉冲调制器的放电回路等效图；
图3为现有技术中脉冲变压器式Marx固态脉冲调制器的去磁回路等效图；
图4为本发明电路原理示意图；
图5为本发明放电回路示意图；
图6为本发明去磁回路等效图。
具体实施方式
下面对照附图，通过对最优实施例的描述，对本发明的具体实施方式作进一步详细的说明。
如图1所示，E1为直流充电电源，E2为偏磁电源，L1为隔离电感，S1～Sn为Marx开关组件，A1为隔离触发驱动模块，T1为脉冲变压器，RL为负载等效电阻，其中，J1～J4为S1对外的接线端子。
利用直流充电电源输出较低的充电电压为多组储能电容充电，然后利用多组开关对储能电容进行串联放电，从而实现较高电压输出，再通过脉冲变压器进行耦合升压，得到所需的高脉冲电压,简略概括就是并联充电，串联放电。因为放电时各组储能电容电位发生变化，处于高电压端的储能电容电位升高，为保护充电电源，还需要在充电电源输出端串接一只充电隔离电感器用于隔离高压。脉冲调制器放电波形为单向高压脉冲，放电回路见图2，因脉冲变压器励磁电流的存在，高重复频率工作时易导致脉冲变压器磁芯饱和，无法正常工作。因此需要设计去磁电路，传统的在脉冲调制器中增加偏磁电原会带来体积、成本的增加。又因回路中二极管的存在，导致去磁电压被二极管钳位至各组二极管管压降之和，去磁电压很小(去磁电路原理示意图如图3)，回路阻抗很小，励磁电流无法很快减小，导致去磁时间很长，去磁效果较差，为此涉及一种新的去磁电路，基于脉冲调制器电路的微调来实现去磁功能。
通过在固态脉冲调制器电路中增加固态开关管和二极管，控制固态开关管的导通和关断时序与固态开关组件的固态开关管一致，在实现正常放电的同时，改变去磁电流的回路，实现高效去磁；本发明可以有效利用自身电路特性进行脉冲变压器去磁，大幅提高去磁效果，同时可以有效降低电路损耗，提高电路效率(电路原理示意图如图4所示)。
如图4所示，本发明的技术方案是：在没有偏磁电源和脉冲变压器偏磁绕组的情况下，增加一个二极管和一个固态开关管以及其对应驱动电路，通过控制固态开关管的导通与关断与固态开关组件的开关管的导通与关断同步，以及结合二极管自身的正向导通和方向隔离，使固态脉冲调制器在放电工作时，通过固态开关管、开关组件和脉冲变压器初级形成放电回路，在放电工作结束后，脉冲变压器的励磁电感与固态开关组件的储能电容形成串联谐振，由于励磁电流存储在脉冲变压器的励磁电感上，且经过半个谐振周期后，可将励磁电流的能量转换为开关组件的储能电容的储能。本技术方案可快速完成铁芯的去磁，使得脉冲变压器可以工作在很高频率而不饱和。本发明所述的高效去磁电路，既回收了励磁电流，避免了此部分损耗，提高了固态脉冲调制器整体效率，而且具备了快速去磁的功能，无需外加去磁电路和去磁电源，减少了固态脉冲调制器的整体体积和成本。
在去磁电路工作时，实际为脉冲变压器的励磁电感与各组开关组件的储能电容并联后的等效电容谐振，由于二级管的存在，去磁时间为谐振的半周期；在不考虑二极管压降和回路损耗的情况下，去磁时间t为：
Figure BDA0001878545580000051
其中，Lm为脉冲变压器的励磁电感，Cn为各组开关组件储能电容的并联容量。
如图4所示，E1为直流充电电源，L1为隔离电感，S1～Sn为Marx固态开关组件，D1为快恢复二极管，V为IGBT开关管，A1为隔离触发驱动模块，T1为脉冲变压器，RL为负载等效电阻，其中，S1～Sn为相同的开关组件，S1～Sn包含对外的接线端子为J1～J4、储能电容C1、快恢复二极管V1、快恢复二极管V2和IGBT开关管V3。
如图4所示,直流充电电源E1的正端连接隔离电感L1的一端，直流充电电源E1的负连接到地，隔离电感L1的另一端分别连接到开关组件S1:J1和快恢复二极管D1:K(负极)，快恢复二极管D1:A(正极)分别连接到IGBT开关管V:D和脉冲变压器初级T1:2，IGBT开关管V:S连接到开关组件S1:J3，开关组件Sm:J2连接到开关组件Sm+1:J1，开关组件Sm:J4连接到开关组件Sm+1:J3(其中，m＝1,2…n-1)，开关组件Sn:J4分别连接到地和脉冲变压器初级T1:1，隔离触发驱动模块A1输入端连接到系统触发信号，隔离触发驱动模块A1的n+1个输出端分别连接到IGBT开关管V:G、开关组件S1-V3:G、开关组件S2-V3:G、…和开关组件Sn-V3:G，脉冲变压器次级输出T1:3和T1:4分别连接到等效负载RL两端。
如图4所示,固态开关组件S1～Sn内部连接说明：接线端子J1分别连接到快恢复二极管V1:A、储能电容C1:+和IGBT开关管V3:D，快恢复二极管V1:K连接到接线端子J2，储能电容C1:-分别连接到接线端子J3和快恢复二极管V2:A，IGBT开关管V3:S分别连接到接线端子J4和快恢复二极管V2:K。
本发明的工作原理可分为3个过程进行说明，如下：
充电过程：如图4所示，系统停止输出触发信号，隔离驱动模块A1无驱动输出，IGBT开关管V和开关组件的IGBT开关管S1:V3～Sn:V3均为关断状态，直流充电电源E1通过充电隔离电感L1，到开关组件S1:J1,再经过开关组件S1～Sn，最后通过Sn:J4回到直流充电电源E1的负端，形成充电回路；在充电电流经过开关组件S1～Sn时，通过开关组件的快恢复二极管S1:V1～Sn:V1与开关组件的快恢复二极管S1:V2～Sn:V2,实现对开关组件的储能电容S1:C1～Sn:C1的并联充电，并充上相同的电压Ui。
放电过程：如图5所示，系统输出触发信号，隔离驱动模块A1输出n+1个驱动信号到IGBT开关管的栅极，IGBT开关管V和开关组件的IGBT开关管S1:V3～Sn:V3均开通；通过各个开关组件S1～Sn的J3与J4、脉冲变压器T1的初级和IGBT开关管V形成串联放电回路，其中，由于各个开关组件S1～Sn内部IGBT开关管V3导通，各个开关组件S1～Sn内部电流将由J3→C1→V3→J4；由于各个储能电容为串联工作，且电压不能突变的特性，所以在脉冲变压器T1初级绕组两端形成电压为n倍于Ui的高压，再经脉冲变压器升压后对负载RL进行放电。在放电过程中，S1:C1的两端电位发生变化，因此需要使用充电隔离电感L1保护直流充电电源E1的安全。
去磁过程：如图6所示，在放电结束后，系统停止输出触发信号，隔离驱动模块A1无驱动输出，IGBT开关管V和开关组件的IGBT开关管S1:V3～Sn:V3均为关断状态，由于励磁电感有励磁电流的存在，且励磁电流不能突变，此时，脉冲变压器T1初级绕组、快恢复二极管V1以及各个开关组件形成去磁回路，各个开关组件内部电流可表示为Sm-1:J1→Sm-1:J2→Sm:J1→Sm:C1→Sm:V2→Sm:J4→Sm+1:J3(其中m＝1,2…n；当m＝1和m＝n时，Sm-1和Sm+1去除)，正因为各个开关组件内部电流对其储能电容充电效果，各个开关组件在去磁回路中等效为各个储能电容并联，同时，脉冲变压器T1初级绕组此时等效为励磁电感，使得励磁电流通过脉冲变压器励磁电感与储能电容谐振的方式，被储能电容能量回收，励磁电流快速减小，由于励磁电流方向与快恢复二极管V1方向相同，当励磁电流为零时，快恢复二级管V1方向截止，去磁电路工作停止；此时，该过程有效快速的完成了脉冲变压器铁心的去磁。在不考虑二极管压降和回路损耗的情况下，去磁时间t为：
Figure BDA0001878545580000071
其中，Lm为脉冲变压器的励磁电感，Cn为各个开关组件的储能电容并联总和，即Cn＝S1:C1+S2:C1+…+Sn:C1。
该过程结束后储能电容上的电压保持不变，等待下一周期的充放电过程。
显然本发明具体实现并不受上述方式的限制，只要采用了本发明的方法构思和技术方案进行的各种非实质性的改进，均在本发明的保护范围之内。

Claims (4)

1.一种固态脉冲调制器的去磁电路，其特征在于：包括直流充电电源E1、Marx开关组件模块、脉冲变压器T1、负载，直流充电电源E1经过Marx开关组件模块与脉冲变压器T1的初级侧连接，脉冲变压器的次级侧连接负载RL；所述直流充电电源E1与Marx开关组件模块的一个输入端连接，另一个输入端与开关管V的源极连接，开关管V的漏极与二极管D1的阳极连接，二极管D1的阴极连接Marx开关组件模块的一个输入端；隔离触发驱动模块A1分别用于驱动Marx开关组件模块和开关管V，控制开关管V与Marx开关组件模块内开关管同步导通与关断；
所述Marx开关组件模块包括多个Marx开关组件，每个Marx开关组件均有两个输入端J1和J3、两个输出端J2和J4，多个Marx开关组件输入输出相互连接形成Mrax开关组件模块；
在放电结束后，系统控制器停止输出触发信号至隔离触发驱动模块A1，所述隔离触发驱动模块A1无输出，开关管V以及Marx开关组件中的开关管V3均关断，此时脉冲变压器T1的初级侧、二极管D1、Marx开关组件之间形成通路，励磁电流为Marx开关组件内的储能电容C1充电，完成去磁。
2.如权利要求1所述的一种固态脉冲调制器的去磁电路，其特征在于：所述隔离触发驱动模块A1与系统控制器连接，用于接收系统控制器的控制信号。
3.如权利要求1所述的一种固态脉冲调制器的去磁电路，其特征在于：所述Marx开关组件包括二极管V1、二极管V2、开关管V3、储能电容C1，输入端J1与二极管V1的阳极连接，二极管V1的阴极连接输出端J2；输入端J3连接二极管V2的阳极，二极管V2的阴极连接输出端J4；二极管V1的阳极通过电容C1与二极管V2的阳极连接；二极管V1的阳极与开关管V3的漏极连接，开关管V3的源极与二极管V2的阴极连接。
4.如权利要求1所述的一种固态脉冲调制器的去磁电路，其特征在于：在直流充电电源E1的输出端串接隔离电感L1。
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