CN109546865B - 一种基于恒能量斩波技术的脉冲功率合成电路 - Google Patents
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Abstract
本发明是一种基于恒能量斩波技术的脉冲功率合成电路，它由斩波回路、控制回路、传输回路和合成回路组成，斩波回路和传输回路有多级，且并联于电源和合成回路之间，同级斩波回路和传输回路通过同级变压器耦合连接，各级斩波回路和传输回路的电路结构相同，合成回路的电路元器件及连接关系为：电感L的右端、电容C的上端与负载R的上端相连，电容C的下端与负载R的下端相连，电感L的左端为合成回路输入上端，电容C的下端为合成回路输入下端；电容C的两端为合成回路的输出端。本发明恒功率输出、功率大小可调且合成波形频率可调、波形失真度较低，能够让开关器件工作在软开关状态，输出功率电路短路时不损坏主功率器件，负载合成功率大。
Description
技术领域
本发明是一种基于恒能量斩波技术的脉冲功率合成电路。
背景技术
在一些精密加工场合，如中频电机，其需要频率恒定且功率很高的能量，再如超高速钻头，其需要恒定功率但频率很高的能量，且上述两种场合均要求合成波形含有的谐波成分较低，现有PWM技术在功率合成时，合成功率的大小不可调，合成波形的频率有限，且合成高功率时，因斩波频率很高，电压、电流变化率太高，控制信号、负载合成波形受到的干扰十分严重，且电路在工作时面临过压、过流、过热损坏功率管的危险。
在现有技术中，传统PWM技术采用电压斩波方式工作，即脉宽调制的方式变流，但存在以下问题：
功率器件在开通关断过程承受瞬时功率很高的开关损耗，随着变流功率的增大和斩波频率的提高，开关损耗也会随之增大，功率器件有烧坏危险。
PWM变流的传输方式为电压传输特性，如果要求输出功率为恒定，则需要在负载处实施电压、电流的双闭环控制，此种控制方式复杂且控制电路难以实现。
在合成较大功率时，斩波桥斩波频率较大，且电压、电流变化率极高，控制电路、传输回路受到很大的干扰，导致电路不能正常工作，且较高的斩波频率使得变压器的分布参数对电路的干扰影响也很大。
发明内容
为此，本发明提出一种恒功率输出、功率大小可调且合成波形频率可调、波形失真度较低的功率合成电路，即一种基于恒能量斩波技术的脉冲功率合成电路，该合成电路能够让开关器件工作在软开关状态，输出功率电路短路时不损坏主功率器件，负载合成功率大，以此解决现有技术的不足。
本发明提出的这种基于恒能量斩波技术的脉冲功率合成电路，其特征在于它由斩波回路、控制回路、传输回路和合成回路组成，斩波回路和传输回路有多级，且并联于电源和合成回路之间，同级斩波回路和传输回路通过同级变压器耦合连接，各级斩波回路和传输回路的电路结构相同，其中
合成回路的电路元器件及连接关系为：电感L的右端、电容C的上端与负载R的上端相连，电容C的下端与负载R的下端相连，电感L的左端为合成回路输入上端，电容C的下端为合成回路输入下端；电容C的两端为合成回路的输出端；
第一级斩波回路的电路元器件及连接关系为：场效应管K11的漏极、二极管VD15的阴极、场效应管K12的漏极、二极管VD16的阴极与电源E的正极相连；场效应管K11的源极、二极管VD15的阳极与二极管VD11的阳极相连；场效应管K12的源极、二极管VD16的阳极与二极管VD12的阳极相连；二极管VD11的阴极、二极管VD13的阳极与电感L1的左端相连；二极管VD12的阴极、二极管VD14的阳极与电感L1的右端相连；二极管VD13的阴极、二极管VD17的阴极与场效应管K13的漏极相连；二极管VD14的阴极、二极管VD18的阴极与场效应管K14的漏极相连；二极管VD17的阳极、场效应管K13的源极、二极管VD18的阳极、场效应管K14的源极与电源E的负极相连并接地。
第一级传输回路的电路元器件及连接关系为：变压器T1的原边上端接电感L1的左端；变压器T1的原边下端接电感L1的右端；变压器T1副边上端、二极管VDT11阴极与场效应管KT11漏极相连；二极管VDT11的阳极、场效应管KT11源极、电容C11上端与电感L11左端相连；电感L11右端、电容C12上端与电感L左端相连；变压器T1副连下端、二极管VDT12阴极与场效应管KT12漏极相连；二极管VDT12阳极、场效应管KT12源极、电容C11下端与电感L12左端相连；电感L12右端、电容C12下端与电容C下端相连；电感L11的右端与电容C12的上端相连；电感L12的右端与电容C12的下端相连；电容C12的上、下端分别为第一级传输回路的输出上、下端，并与合成回路的输入上、下端连接；
脉冲信号G11、G12、G13、G14分别为第一级斩波回路中场效应管K11、K12、K13、K14的控制信号，脉冲信号GT11、GT12分别为第一级传输回路中场效应管KT11、KT12的控制信号，脉冲信号G11、G12、G13、G14、GT11、GT12构成第一级斩波、传输回路的控制回路；脉冲信号G11、G12、G13、G14、GT11、GT12至Gn1、Gn2、Gn3、Gn4、GTn1、GTn2分别为第1-n级斩波、传输回路场效应管的控制信号，即第1-n级控制回路。
所述各级传输回路中的电感为平波电感，电容为平波电容。
所述各级斩波回路中的电感为储能电感。
各级储能电感的两端为斩波回路的输出端，分别接同级耦合变压器的原边上下端。
本发明的工作原理如下：
如上所述，功率合成电路由四大回路组成，分别是斩波回路，控制回路，传输回路，合成回路。各回路的工作过程如下：
斩波回路：通过控制n个斩波回路的功率开关管开通和关断，n个传输回路上就可以获得固定值的功率。功率值大小可改变功率开关管开通和关断的次数来实现，即改变斩波频率值，就可以获得相应的与斩波信号频率变化有关的不同值的输出功率，且改变后均为恒定输出。
控制方式：n个斩波回路分时导通，即根据合成功率的需要，让n路斩波回路的任意一路或几路分时导通，n个对应的传输回路相应跟随传输，n路斩波桥的控制脉冲在周期上“错位”控制，每一路斩波桥的脉冲周期之内，每一个脉冲让斩波回路中的功率开关管关断和开通一次，每一次通断即可得到一个功率值固定的功率，在功率开关管开通时储存能量，关断时释放能量，脉冲周期内脉冲个数的不同使得开关管的通断频率发生改变，从而让负载从传输回路得到所需任何功率。
传输回路：采用n个变压器并联传输模式，即n个变压器及其产效应管、平波电感、平波电容构成n个传输回路，分别接到相应斩波桥储能电感处，斩波桥通断一次，能量传输回路传输能量，在一个脉冲周期内，每路斩波桥的“桥臂”交替导通，在储能电感上分别产生极性为“左正右负”和“左负右正”的能量团，在传输回路中，分别由相应的变压器、产效应管、平波电容、平波电感组成的传输回路，传输相应极性的能量团。
合成回路：n个斩波桥—n个变压器及其产效应管、平波电感、平波电容构成n个能量传输单元，共有2n种组合方式，即根据合成功率的大小，通过控制脉冲让任意一路或者几路导通，导通回路传输相应斩波桥对应的能量，组合传输的任意路传输回路叠加后，LC环节滤波，向负载传输，在负载合成功率，负载合成的功率可以达到较大值且恒定传输。n路斩波回路任意一路或者几路产生的能量，通过相应的n个传输回路并联传输，最后叠加再一起传输到负载，完成功率合成。
实测表明：控制每一路斩波回路的斩波频率，从而让斩波回路、传输回路的功率可调，通过组合传输的方式，合成的功率可调且可以合成较大功率，斩波输出的能量波形失真度低，合成波形失真度低。
有益效果：
实测所完成的功率变流电路，与传统的PWM变流电路相比，具有以下优点：
（1）所有主开关器件均工作在软开关状态，不易烧管。
（2）可完全采用数字信号直接控制斩波频率，输出功率电路短路不损坏主功率器件，电路的效率高。
（3）负载合成的功率在一定范围内可调，调节后恒功率输出，n路传输回路或者任意路以组合方式传输斩波能量团，再叠加向负载传输，负载合成功率较大。
（4）单个传输回路体积小，斩波频率低，分布参数低，且变压器具有电气隔离作用，斩波信号及控制信号干扰小，负载合成波形失真度低。
（5）n级斩波避免了单个斩波回路斩波频率较高，避免了变压器传输功率受限的缺陷，同时分布参数、干扰信号的影响也较低。
附图说明
图1为本发明的电路图。
图1中，标号为1的虚线框所在区块电路为斩波回路，即每一级斩波回路是同级耦合变压器原边上、下端左边的电路；标号为2的虚线框所在区块为传输回路，即每一级传输回路是同级耦合变压器原边上、下端右边到合成回路输入端的电路；标号为3的虚线框所在区块为合成回路。
具体实施方式
下面结合附图进一步说明本发明。
如图1所示，本发明中场效应管、二极管的规格，电容、电阻、电感的大小等参数的计算与现有技术完全相同，属成熟技术故不再作论述。
电感L11~Ln1、L12~Ln2为平波电感；电容C11~Cn1、C12~Cn2为平波电容；电感L为滤波电感、电容C为滤波电容，它们构成LC滤波回路。
其中场效应管（K11、K12、K13、K14）···（Kn1、Kn2、Kn3、Kn4）分别构成斩波回路1~n级的斩波回路，电感L1~Ln为斩波回路1~n级的储能电感，变压器T1~Tn及其场效应管、平波电感、平波电容构成n级传输回路，储能电感L1~Ln的i1（i=1，2···n）端即左端和i2（i=1，2···n）端即右端为斩波回路1~n级的输出端，分别接同级耦合变压器T1~Tn原边的上、下端。
电源E的正极、斩波回路1~n的正极性端相连。电源E的负极、斩波回路1~n的负极性端相连，而后接地。
斩波回路1~n级的内部连接关系一致，在此以斩波回路1为例说明其内部连接关系，其余斩波回路内部连接关系与此关系一致。
斩波回路1：场效应管K11的漏极、二极管VD15的阴极、场效应管K12的漏极、二极管VD16的阴极与电源E的正极相连；场效应管K11的源极、二极管VD15的阳极与二极管VD11的阳极相连；场效应管K12的源极、二极管VD16的阳极与二极管VD12的阳极相连；二极管VD11的阴极、二极管VD13的阳极与储能电感L1的11端相连；二极管VD12的阴极、二极管VD14的阳极与储能电感L1的12端相连；二极管VD13的阴极、二极管VD17的阴极与场效应管K13的漏极相连；二极管VD14的阴极、二极管VD18的阴极与场效应管K14的漏极相连；二极管VD17的阳极、场效应管K13的源极、二极管VD18的阳极、场效应管K14的源极与电源E的的负极相连，而后接地。
变压器T1~Tn的原边上端分别接到储能电感L1~Ln的i1（i=1，2···n）端。变压器T1~Tn的原边下端分别接到储能电感L1~Ln的i2（i=1，2···n）端。
变压器T1~Tn的副边连接关系相同，故在此仅描述变压器T1的副边连接关系,其余变压器副边连接关系与此关系一致。
传输回路1：变压器T1的原边上端接储能电感L1的11端；变压器T1的原边下端接储能电感L1的12端；变压器T1副边上端、二极管VDT11阴极与场效应管KT11漏极相连；二极管VDT11的阳极、场效应管KT11源极、平波电容C11上端与平波电感L11左端相连；平波电感L11右端、平波电容C12上端与滤波电感L左端相连；变压器T1副连下端、二极管VDT12阴极与场效应管KT12漏极相连；二极管VDT12阳极、场效应管KT12源极、平波电容C11下端与平波电感L12左端相连；平波电感L12右端、平波电容C12下端与滤波电容C下端相连；平波电感L11的右端与平波电容C12的上端相连；平波电感L12的右端与平波电容C12的下端相连；平波电容C12的上、下端分别为第一级传输回路的输出上、下端，并与合成回路的输入上、下端连接。
平波电感L11~Ln1的右端分别与平波电容与C12~Cn2的上端对应相连，而后接滤波电感L的左端。平波电感L12~Ln2的右端分别与平波电容C12~Cn2的下端对应相连后，接到滤波电容C的下端。滤波电感L的右端、滤波电容C的上端与负载R的上端相连。负载R的下端与滤波电容C的下端相连。
控制回路1~n的连接关系相同，再此以第一级控制回路为例说明连接关系，脉冲信号G11、G12、G13、G14、GT11、GT12分别接场效应管 K11、K12、K13、K14、KT11、KT12的栅极。
本发明所述控制回路可以理解为脉冲信号源，为现有技术。
Claims (4)
1.一种基于恒能量斩波技术的脉冲功率合成电路的控制方法，其特征在于它由斩波回路、控制回路、传输回路和合成回路组成，斩波回路和传输回路有多级，且并联于电源和合成回路之间，同级斩波回路和传输回路通过同级变压器耦合连接，各级斩波回路和传输回路的电路结构相同，其中
合成回路的电路元器件及连接关系为：电感L的右端、电容C的上端与负载R的上端相连，电容C的下端与负载R的下端相连，电感L的左端为合成回路输入上端，电容C的下端为合成回路输入下端；电容C的两端为合成回路的输出端；
第一级斩波回路的电路元器件及连接关系为：场效应管K11的漏极、二极管VD15的阴极、场效应管K12的漏极、二极管VD16的阴极与电源E的正极相连；场效应管K11的源极、二极管VD15的阳极与二极管VD11的阳极相连；场效应管K12的源极、二极管VD16的阳极与二极管VD12的阳极相连；二极管VD11的阴极、二极管VD13的阳极与电感L1的左端相连；二极管VD12的阴极、二极管VD14的阳极与电感L1的右端相连；二极管VD13的阴极、二极管VD17的阴极与场效应管K13的漏极相连；二极管VD14的阴极、二极管VD18的阴极与场效应管K14的漏极相连；二极管VD17的阳极、场效应管K13的源极、二极管VD18的阳极、场效应管K14的源极与电源E的负极相连并接地；
第一级传输回路的电路元器件及连接关系为：变压器T1的原边上端接电感L1的左端；变压器T1的原边下端接电感L1的右端；变压器T1副边上端、二极管VDT11阴极与场效应管KT11漏极相连；二极管VDT11的阳极、场效应管KT11源极、电容C11上端与电感L11左端相连；电感L11右端、电容C12上端与电感L左端相连；变压器T1副连下端、二极管VDT12阴极与场效应管KT12漏极相连；二极管VDT12阳极、场效应管KT12源极、电容C11下端与电感L12左端相连；电感L12右端、电容C12下端与电容C下端相连；电感L11的右端与电容C12的上端相连；电感L12的右端与电容C12的下端相连；电容C12的上、下端分别为第一级传输回路的输出上、下端，并与合成回路的输入上、下端连接；
脉冲信号G11、G12、G13、G14分别为第一级斩波回路中场效应管K11、K12、K13、K14的控制信号，脉冲信号GT11、GT12分别为第一级传输回路中场效应管KT11、KT12的控制信号，脉冲信号G11、G12、G13、G14、GT11、GT12构成第一级斩波、传输回路的控制回路；脉冲信号G11、G12、G13、G14、GT11、GT12至Gn1、Gn2、Gn3、Gn4、GTn1、GTn2分别为第1-n级斩波、传输回路场效应管的控制信号，即第1-n级控制回路；
控制方式为：根据合成功率的需要，让n路斩波回路的任意一路或几路分时导通，n个对应的传输回路相应跟随传输，n路斩波桥的控制脉冲在周期上“错位”控制，每一路斩波桥的脉冲周期之内，每一个脉冲让斩波回路中的功率开关管关断和开通一次，每一次通断得到一个功率值固定的功率，在功率开关管开通时储存能量，关断时释放能量，脉冲周期内脉冲个数的不同使得开关管的通断频率发生改变，从而让负载从传输回路得到所需任何功率。
2.根据权利要求1所述基于恒能量斩波技术的脉冲功率合成电路的控制方法，其特征在于各级传输回路中的电感为平波电感，电容为平波电容。
3.根据权利要求1所述基于恒能量斩波技术的脉冲功率合成电路的控制方法，其特征在于各级斩波回路中的电感为储能电感。
4.根据权利要求1所述基于恒能量斩波技术的脉冲功率合成电路的控制方法，其特征在于各级储能电感的两端为斩波回路的输出端，分别接同级耦合变压器的原边上下端。
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| CN109546865A (zh) | 2019-03-29 |
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