CN110855146A - 一种大电流脉冲式电感储能电源处理器 - Google Patents

一种大电流脉冲式电感储能电源处理器 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种大电流脉冲式电感储能电源处理器，包括电源转换模块、储能放电模块、脉冲控制模块、开关驱动模块，电源模块；电源转换模块包括储能模块电源转换器、开关驱动模块电源转换器、脉冲控制模块电源转换器；储能放电模块包括电容、电感、可控开关、电阻；脉冲控制模块包括微控制器、数字显示面板、按键输入面板、测量输入端子、脉冲输出端子；开关驱动模块包括光耦隔离电路、可控开关驱动电路、可控开关调节电阻。具有小型化，模块化，成本低等优点，具有广阔应用前景。

Description

一种大电流脉冲式电感储能电源处理器
技术领域
本发明属于特种电源领域，具体涉及一种大电流脉冲式电感储能电源处理器。
背景技术
目前，在等离子体脉冲电源方面，多数以电容方式储能，受电容工艺特点，导致储能系统占有体积大，重量大、小型化难度高。在便携式脉冲电源方面，亟需小型化、模块化的电源处理模块，要求电流大，升压范围宽，并且需要具备频率、占空比等灵活调整的能力，此外组件可更换，便于功能组合。
随着电磁材料的快速发展，电感储能发展迅速。电感储能相比于电容储能的能量密度比高、体积小、重量轻、易小型化，具备较高的能量利用率和脉冲功率，广泛应用于等离子体物理、等离子体医疗、等离子体废水处理、强激光、电磁辐射等领域。
发明内容
为了解决上述采用电容储能的电源装置存在的问题，本发明提出了一种大电流脉冲式电感储能电源处理器。本发明的特点是：通过电感和可控开关组成的升压电路，瞬间将低压提升数十到数百倍以上，促使下一级负载的等离子体放电；电感储能，能量利用率高且体积小、重量轻；采用微控制器产生脉冲，占空比、频率均可调；可控开关，如IGBT等，在栅极串联电阻，使得通断时间可调，效率高；整个储能电源装置采用模块化设计方法，接口统一，可有效提升处理模块的系列化程度。
一种大电流脉冲式电感储能电源处理器，包括电源转换模块、储能放电模块、脉冲控制模块、开关驱动模块；电源转换模块包括储能模块电源转换器、开关驱动模块电源转换器、脉冲控制模块电源转换器；储能放电模块包括电容、电感、可控开关、电阻；脉冲控制模块包括微控制器、按键输入面板、数字显示面板、脉冲输出端子、测量输入端子；开关驱动模块，包括光耦隔离电路、可控开关驱动电路、可控开关调节电阻；电源模块，为电源处理模块提供电力。
其中，储能模块电源转换器、开关驱动模块电源转换器、脉冲控制模块电源转换器的输入端均与电源模块相连，以接收电源模块的电力，储能模块电源转换器的输出端与电容连接，开关驱动模块电源转换器的输出端与可控开关驱动电路的输入端相连，脉冲控制模块电源转换器的输出端与微控制器的输入端相连，以提供电力；电感与可控开关、电阻串联后，再与电容并联，所述电阻的输出端与负载连接，输出脉冲高电压；微控制器与按键输入面板、数字显示面板、脉冲输出端子以及测量输入端子连接，微控制器可产生脉宽调制矩形波PWM和控制信号，脉宽调制矩形波PWM可通过脉冲输出端子输出，PWM矩形波和控制信号经过光耦隔离电路输入到可控开关驱动电路上，经过可控开关驱动电路与可控开关调节电阻串联的电路输出到可控开关的控制端，用于控制可控开关的通断，电阻与测量输入端子连接，用于测量计算出可控开关的瞬时电流并反馈给微控制器。
在一些优选实施例中，所述一种大电流脉冲式电感储能电源处理器中，电源转换模块可提供不同电压值的电源。
在一些优选实施例中，所述一种大电流脉冲式电感储能电源处理器中，所述电源转换模块提供的电压范围是3.3～27V，尤其可提供3.3V、5V、12V、15V或27V等5类标准电压。
在一些优选实施例中，所述一种大电流脉冲式电感储能电源处理器中，数字显示面板、按键输入面板可以即插即用。
在一些优选实施例中，所述一种大电流脉冲式电感储能电源处理器中的，所述储能放电模块电感值在10uH～1000uH。
在一些优选实施例中，所述一种大电流脉冲式电感储能电源处理器中，所述电源脉冲放电模块可控开关采用绝缘栅双极型晶体管IGBT可控开关，工作频率在1-1000Hz。
在一些优选实施例中，所述一种大电流脉冲式电感储能电源处理器中，所述脉冲控制模块产生的PWM矩形波频率在1-1000Hz，周期调整精度1us。
在一些优选实施例中，所述一种大电流脉冲式电感储能电源处理器中，所述脉冲控制模块的按键输入面板具备4键以上功能，可调节PWM矩形波的频率、占空比以及清零放电次数。
在一些优选实施例中，所述一种大电流脉冲式电感储能电源处理器中，所述脉冲控制模块的数字显示面板包括可显示PWM矩形波的累计放电次数、放电频率、以及脉冲的占空比。
在一些优选实施例中，所述一种大电流脉冲式电感储能电源处理器中，所述可控开关驱动模块中，可控开关调节电阻范围在0欧姆～500欧姆，接到可控开关栅极，可以调节可控开关通断时间。
本发明的优点和积极效果在于：
1、本发明基于电感储能的方式，可以将3.3～27V的低压瞬间上升到几百到千余伏，达到一般负载所需的气体击穿放电电压。降低了对上级电源的电压需求，降低了电容等储能方式的体积。
2、本发明采用的电感、可控开关、微控制器等关键部件可以采用货架产品，适合于低成本使用，可维修性高，适应于大规模应用，可有效降低成本。
3、本发明采用模块化设计模式，脉冲控制电路、可控开关驱动电路、电源转换模块可以根据需求自由组合，接口兼容，可以提供不同放电功率和频率的电源装置，继而形成不同系列的脉冲式储能电源。
4、本发明采用数字可调的脉冲控制电路，充分利用微控制器灵活编程特点，实现不同频率、占空比的PWM矩形波输出。同时，人机交互接口丰富，可实时接入按键输入面板和数字显示面板，直接调试，简化流程。
附图说明
图1是本发明大电流脉冲式电感储能电源处理器的结构图。
附图标记：1-电源转换模块、101-储能模块电源转换器、102-开关驱动模块电源转换器、103-脉冲控制模块电源转换器、2-储能放电模块、201-电容、202-电感、203-可控开关、204-电阻、3-脉冲控制模块、301-微控制器、302-放电次数显示面板、303-放电频率显示面板、304-占空比显示面板、305-按键输入面板、306-测量输入端子、307-脉冲输出端子、4-可控开关驱动模块、401-光偶隔离电路、402-可控开关控制电路、403-通断时间调节电阻、5-电源模块、6-脉冲高压输出
具体实施方式
下面将结合附图对本发明提出的一种大电流脉冲式电感储能电源处理器做进一步的详细说明。
如图1所示，一种大电流脉冲式电感储能电源处理器，包括电源转换模块1、储能放电模块2、脉冲控制模块3、开关驱动模块4、电源模块5。其中，
电源转换模块1包括储能模块电源转换器101、开关驱动模块电源转换器102、脉冲控制模块电源转换器103。电源转换模块1具备限流保护、浪涌抑制的功能。
储能放电模块2包括电容201、电感202、可控开关203、电阻204。利用电感203电流不能突变的原理，获得电压的瞬时提升。电源5给电容201充电，当可控开关203闭合导通时，电感202开始从电容201和电源转换模块1获取电源，继而储能，储能电路中的电流持续增加；当可控开关203断开时，由于可控开关203会在短时间内呈现高阻状态，导致电感202电流变化率瞬间增大，电感202两端感应出高压，该高压施加在下一级负载上，击穿等离子体，电感202储存的能量释放，等离子体放电。电阻204起到电流测量的作用，从而间接换算成可控开关203的瞬时电流。
脉冲控制模块3包括微控制器系统301、按键输入面板305、数字显示面板302、303、304、测量输入端子306、脉冲输出端子307。微控制器301可以产生PWM矩形波，可调节PWM矩形波的占空比和频率，并通过脉冲输出端子307输出。数字显示面板302、303、304、按键输入面板305可以即插即用。
开关驱动模块4，包括光耦隔离电路401、可控开关驱动电路402、可控开关调节电阻403。PWM矩形波和控制信号经过光耦隔离电路401输入到可控开关驱动电路402上，可控开关驱动电路402输出与可控开关调节电阻403串联后输出给可控开关203的控制端。
电源模块5，提供电感储能电源处理模块的电力。
脉冲高压输出端6，与储能放电模块输出端连接，提供频率和占空比可调的瞬时大电流高电压脉冲。
储能模块电源转换器101、开关驱动模块电源转换器102、脉冲控制模块电源转换器103的输入端均与电源模块5相连，以接收电源模块5的电力，储能模块电源转换器101的输出端与电容201连接，开关驱动模块电源转换器102的输出端与可控开关驱动电路402的输入端相连，脉冲控制模块电源转换器103的输出端与微控制器301的输入端相连，以提供电力；电感202与可控开关203、电阻204串联后，再与电容201并联，最终电感202的输出端输出脉冲高电压输出6；微控制器301与按键输入面板305、数字显示面板302-304、脉冲输出端子307以及测量输入端子306连接，微控制器301可产生脉宽调制矩形波PWM和控制信号，脉宽调制矩形波PWM可通过脉冲输出端子307输出，PWM矩形波和控制信号经过光耦隔离电路401输入到可控开关驱动电路402上，经过可控开关驱动电路402与可控开关调节电阻403串联的电路输出到可控开关203的控制端，用于控制可控开关的通断，电阻204与测量输入端子306连接，用于测量并计算出可控开关的瞬时电流，并反馈给微控制器。
电源转换模块1可以提供的电压是3.3V、15V、27V的三类电压。
储能放电模块2中的电感202的值是220uH。
可控开关203采用绝缘栅双极型晶体管IGBT可控开关，工作频率范围在1-1000Hz。
脉冲控制模块3产生的PWM矩形波频率在1-1000Hz，周期调整精度1us。
脉冲控制模块3的按键输入面板305具备4键以上功能，可上下调节PWM矩形波的频率、占空比、清零放电次数、切换不同路数的PWM显示。
可控开关驱动模块4中，可控开关调节电阻403阻值在200欧姆。
通过上述实施方式，本发明提供的一种大电流脉冲式电感储能电源处理器具有小型化，成本低、兼容性搞、操作简单等优点，具有广阔的应用前景。
上述仅为本发明较佳的具体实施方式，本发明的保护范围以权利要求书的保护范围为准。

Claims (10)

1.一种大电流脉冲式电感储能电源处理器，其特征在于，包括电源转换模块(1)、储能放电模块(2)、脉冲控制模块(3)、开关驱动模块(4)，电源模块(5)，为电源处理模块提供电力；所述电源转换模块(1)包括储能模块电源转换器(101)、开关驱动模块电源转换器(102)、脉冲控制模块电源转换器(103)；所述储能放电模块(2)包括电容(201)、电感(202)、可控开关(203)、电阻(204)；所述脉冲控制模块(3)包括微控制器(301)、数字显示面板(302-304)、按键输入面板(305)、脉冲输出端子(306)、测量输入端子(307)；所述开关驱动模块(4)包括光耦隔离电路(401)、可控开关驱动电路(402)、可控开关调节电阻(403)；其中，所述储能模块电源转换器(101)、所述开关驱动模块电源转换器(102)、所述脉冲控制模块电源转换器(103)的输入端均与所述电源模块(5)相连，以接收所述电源模块(5)的电力，所述储能模块电源转换器(101)的输出端与所述电容(201)连接，所述开关驱动模块电源转换器(102)的输出端与所述可控开关驱动电路(402)的输入端相连，所述脉冲控制模块电源转换器(103)的输出端与所述微控制器(301)的输入端相连，以提供电力；所述电感(202)与所述可控开关(203)、所述电阻(204)串联后，再与所述电容(201)并联，所述电感(202)的输出端与负载连接，输出脉冲高电压；所述微控制器(301)与按所述按键输入面板(305)、所述数字显示面板(302-304)、所述脉冲输出端子(307)以及所述测量输入端子(306)连接，所述微控制器(301)可产生脉宽调制矩形波PWM和控制信号，脉宽调制矩形波PWM可通过所述脉冲输出端子(307)输出，PWM矩形波和控制信号经过所述光耦隔离电路(401)输入到所述可控开关驱动电路(402)上，经过所述可控开关驱动电路(402)与所述可控开关调节电阻(403)串联的电路输出到所述可控开关(203)的控制端，用于控制所述可控开关(203)的通断，所述电阻(204)与所述测量输入端子(306)连接，用于测量并计算出可控开关的瞬时电流。
2.根据权利要求1所述一种大电流脉冲式电感储能电源处理器，其特征在于，所述电源转换模块(1)可提供不同电压值。
3.根据权利要求2所述一种大电流脉冲式电感储能电源处理器，其特征在于，所述电源转换模块(1)提供的电压范围是3.3～27V。
4.根据权利要求1所述一种大电流脉冲式电感储能电源处理器，其特征在于，所述数字显示面板(302-304)、所述按键输入面板(305)可即插即用。
5.根据权利要求1所述一种大电流脉冲式电感储能电源处理器，其特征在于，所述储能放电模块(2)上的所述电感(202)的电感值在10uH～1000uH。
6.根据权利要求1所述一种大电流脉冲式电感储能电源处理器，其特征在于，所述储能放电模块(2)的所述可控开关(203)采用绝缘栅双极型晶体管IGBT可控开关，工作频率在1-1000Hz。
7.根据权利要求1所述一种大电流脉冲式电感储能电源处理器，其特征在于，所述脉冲控制模块(3)产生的PWM矩形波频率在1-1000Hz，周期调整精度1us。
8.根据权利要求1所述一种大电流脉冲式电感储能电源处理器，其特征在于，所述脉冲控制模块(3)的所述按键输入面板(305)具备4键以上功能，可调节PWM矩形波的频率、占空比以及清零放电次数。
9.根据权利要求1所述一种大电流脉冲式电感储能电源处理器，其特征在于，所述脉冲控制模块(3)的所述数字显示面板(302-304)包括可显示PWM矩形波的累计放电次数、放电频率、以及占空比。
10.根据权利要求1所述一种大电流脉冲式电感储能电源处理器，其特征在于，所述可控开关驱动模块(4)中，所述可控开关调节电阻(403)范围在0欧姆～500欧姆，接到所述可控开关(203)，可以调节可控开关通断时间。
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