CN111726024B - 一种等离子体脉冲电源 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种等离子体脉冲电源，输入电压Vin经DC/DC变换器转换为中间级母线电压Vm，所述中间级母线电压Vm同时作为第一脉冲电流源和第二脉冲电流源的输入端，用于产生两路具备相位关系的脉冲电流输出，其中，所述第一脉冲电流源中，由控制信号PWMA经过滤波电路转换为直流电平信号，并以该直流电平信号作为电流基准信号实现闭环控制；所述第二脉冲电流源为高压脉冲电流源，通过电感L进行瞬态功率储能，控制信号PWMB的脉冲宽度用于调整对应该高压脉冲电流源的峰值和能量。本发明实现了两路脉冲电源，能够有效减小系统电容的容值，整体结构简单有效，在此基础上，还设计了多个延时电路以实现内部时序控制，具备时序调节功能。

Description

一种等离子体脉冲电源
技术领域
本发明涉及一种脉冲电源，尤其涉及一种等离子体脉冲电源。
背景技术
由于脉冲电源断续供电方式，已在多个领域得到了广泛应用，如脉冲电镀、工业废气处理和脉冲电解等。在军事和航空领域中，脉冲电流源还用于电磁炮和等离子体电弧推进应用中，而通常是采用电容充放电方式，或采用直流稳压源配合脉冲开关方式，实现脉冲型输出，同时，对于脉冲式电源往往需要按照特定时序实现输出。
采用电容充放电方式实现脉冲输出，可以实现大功率、窄脉宽和上升速度快的脉冲电流，然而电流幅值不能连续可调；在稳压源基础上，配合开关器件可实现脉冲频率、脉宽和幅值均可调，但开关器件的特性限制了系统的放电速度。此外，多种电源的瞬态工作，容易造成前级的瞬态功率过大，系统设计困难。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是需要提供一种具备时序调节功能，能实现瞬态高压脉冲电流，并确保负载的可靠击穿的等离子体脉冲电源。
对此，本发明提供一种等离子体脉冲电源，输入电压Vin经DC/DC变换器转换为中间级母线电压Vm，所述中间级母线电压Vm同时作为第一脉冲电流源和第二脉冲电流源的输入端，用于产生两路具备相位关系的脉冲电流输出，其中，所述第一脉冲电流源中，由控制信号PWMA经过滤波电路转换为直流电平信号，并以该直流电平信号作为电流基准信号实现闭环控制；所述第二脉冲电流源为高压脉冲电流源，通过电感L进行瞬态功率储能，控制信号PWMB的脉冲宽度用于调整对应该高压脉冲电流源的峰值和能量。
本发明的进一步改进在于，所述第一脉冲电流源包括滤波电路、闭环控制电路、采样电路、第一驱动电路、MOS管Q1以及采样电阻Rs，所述控制信号PWMA通过所述滤波电路连接至所述闭环控制电路的电流基准信号端，所述闭环控制电路的输出端通过所述第一驱动电路连接至所述MOS管Q1的栅极，所述MOS管Q1的源极通过所述采样电路连接至所述闭环控制电路的电流反馈信号端，所述MOS管Q1的源极还通过所述采样电阻Rs接地，所述MOS管Q1的漏极连接至第一脉冲电流源输出电压Vout1。
本发明的进一步改进在于，中间级母线电压Vm与第一脉冲电流源输出电压Vout1的电压差作用于所述MOS管Q1和采样电阻Rs的串联支路，所述采样电阻Rs两端的电压经所述采样电路转换为反馈信号，该采样电阻Rs两端的电压与流过所述采样电阻Rs的电流成比例，反馈至所述闭环控制电路，使得流过所述采样电阻Rs的电流与控制信号PWMA经过所述滤波电路后等效的电流基准电压信号保持一致，从而实现对于输出电流的控制；所述驱动电路将驱动闭环控制电路的电压转换为带有驱动能力的驱动电压，其电平随闭环控制电路的电压变化而变化，当电压大于所述MOS管Q1的栅极和源极之间的门槛电压后，使所述MOS管Q1工作于线性区等效为可变电阻，所述MOS管Q1与采样电阻Rs形成的电阻也等效为可变值，从而实现所述第一脉冲电流源输出电压Vout1输出电流随控制信号PWMA实现可调。
本发明的进一步改进在于，所述第一脉冲电流源中，中间级母线电压Vm与第一脉冲电流源输出电压Vout1的关系为Vm＝Vout1+Iout1(Rs+RQ1)，其中，RQ1为MOS管Q1工作于线性区等效的可变电阻值，Iout1为第一脉冲电流源输出电流值。
本发明的进一步改进在于，所述第二脉冲电流源包括第一延时电路、第二延时电路、第一与门逻辑电路、第三延时电路、第二与门逻辑电路、第二驱动电路、MOS管Q2以及电感L，基础信号分别经过所述第一延时电路和第二延时电路输入至所述第一与门逻辑电路的输入端，所述第一与门逻辑电路的输出端输入至所述第二与门逻辑电路的一个输入端，所述第一与门逻辑电路的输出端通过所述第三延时电路输入至所述第二与门逻辑电路的另一个输入端，所述第二与门逻辑电路的输出端通过所述第二驱动电路连接至所述MOS管Q2的栅极，所述MOS管Q2的漏极通过所述电感L连接至中间级母线电压Vm，所述MOS管Q2的源极接地。
本发明的进一步改进在于，通过三角波或振荡电路输入至非门，进而在非门输出端得到基础信号。
本发明的进一步改进在于，所述第一延时电路用于调节PWM信号的关断时间，所述第二延时电路用于调节PWM信号的开通时间，所述第二延时电路的延时时间t2小于所述第一延时电路的延时时间t1和PWM信号占空比对应时间之和。
本发明的进一步改进在于，还包括第四延时电路，所述第一与门逻辑电路的输出端经过非门第四延时电路输出控制信号PWMA。
本发明的进一步改进在于，所述第一延时电路和第二延时电路用于调节PWM信号的占空比，所述第三延时电路和第四延时电路是基于PWM信号的上升沿进行延时，所述第三延时电路的延时时间t3和第四延时电路的延时时间t4均不大于PWM信号的占空比对应的时间，且控制信号PWMB始终在控制信号PWMA信号的发生过程中产生。
本发明的进一步改进在于，所述第二脉冲电流源中，当所述MOS管Q2导通时，利用电感L实现储能；当所述MOS管Q2关断后，实现脉冲电流输出。
与现有技术相比，本发明的有益效果在于：通过中间级母线电压Vm同时作为第一脉冲电流源和第二脉冲电流源的输入端，实现了两路脉冲电源，通过共用前级电路，能够有效减小系统电容的容值，整体结构简单且有效，在此基础上，还设计了多个延时电路以实现内部时序控制，具备时序调节功能，还能够实现瞬态高压脉冲电流，确保负载的可靠击穿，而且，第一脉冲电流源采用类似线性源控制其输出，确保在所需时序内，电流的快速稳定工作，满足生产和应用的需求。
附图说明
图1是本发明一种实施例的整体结构示意图；
图2是本发明一种实施例的第一脉冲电流源的电路原理结构图；
图3是本发明一种实施例的第二脉冲电流源的电路原理结构图；
图4是本发明一种实施例的工作时序示意图。
具体实施方式
下面结合附图，对本发明的较优的实施例作进一步的详细说明。
针对脉冲型电源，如等离子体电弧电推进应用等，该类应用中，通常对于电源体积要求较高，同时需要电流源和脉冲点火电源配合工作，即在持续电流工作过程中配合高压脉冲电流，实现瞬态击穿，从而将等离子体类负载等效为可以稳定工作的正常负载。同时电流源和高压脉冲具备时间和工作时序可调节特性，确保根据负载特性进行调节。
对比，如图1至图4所示，本例提供一种等离子体脉冲电源，输入电压Vin经DC/DC变换器转换为中间级母线电压Vm，所述中间级母线电压Vm同时作为第一脉冲电流源和第二脉冲电流源的输入端，用于产生两路具备相位关系的脉冲电流输出，其中，所述第一脉冲电流源中，由控制信号PWMA经过滤波电路转换为直流电平信号，并以该直流电平信号作为电流基准信号实现闭环控制；所述第二脉冲电流源为高压脉冲电流源，通过电感L进行瞬态功率储能，控制信号PWMB的脉冲宽度用于调整对应该高压脉冲电流源的峰值和能量。
如图1所示，本例所述输入电压Vin经DC/DC变换器转换为中间级母线电压Vm(中间电压正线，Vm仅作为标记使用)，该中间级母线电压Vm是前级的输出电压，也是后级的输入电压，作为中间级母线使用。所述中间级母线电压Vm同时作为第一脉冲电流源和第二脉冲电流源的输入端，用于产生两路具备相位关系的脉冲电流输出。其中第一脉冲电流源如图2所示，第二脉冲电流源如图3所示。
如图2所示，本例所述第一脉冲电流源包括滤波电路、闭环控制电路、采样电路、第一驱动电路、MOS管Q1以及采样电阻Rs，所述控制信号PWMA通过所述滤波电路连接至所述闭环控制电路的电流基准信号端，所述闭环控制电路的输出端通过所述第一驱动电路连接至所述MOS管Q1的栅极，所述MOS管Q1的源极通过所述采样电路连接至所述闭环控制电路的电流反馈信号端，所述MOS管Q1的源极还通过所述采样电阻Rs接地，所述MOS管Q1的漏极连接至第一脉冲电流源输出电压Vout1。
由控制信号PWMA经过滤波电路转换为直流电平信号，作为电流基准信号，Vm-Vout1的电压差作用于所述MOS管Q1和采样电阻Rs的串联支路，即所述中间级母线电压Vm与第一脉冲电流源输出电压Vout1的电压差作用于所述MOS管Q1和采样电阻Rs的串联支路，由于流过所述MOS管Q1和采样电阻Rs的电流相同，所述采样电阻Rs两端的电压经所述采样电路转换为反馈信号，该采样电阻Rs两端的电压与流过所述采样电阻Rs的电流成比例，反馈至所述闭环控制电路，使得流过所述采样电阻Rs的电流与控制信号PWMA经过所述滤波电路后等效的电流基准电压信号保持一致，从而实现对于输出电流的控制；所述驱动电路将驱动闭环控制电路的电压转换为带有驱动能力的驱动电压，其电平随闭环控制电路的电压变化而变化，当电压大于所述MOS管Q1的栅极和源极之间的门槛电压后，使所述MOS管Q1工作于线性区等效为可变电阻，所述MOS管Q1与采样电阻Rs形成的电阻也等效为可变值，从而实现所述第一脉冲电流源输出电压Vout1输出电流随控制信号PWMA实现可调，即本例通过调节控制信号PWMA的参数能够实现负载侧的宽脉冲电流输出能力。
本例所述第一脉冲电流源中，中间级母线电压Vm与第一脉冲电流源输出电压Vout1的关系为Vm＝Vout1+Iout1(Rs+RQ1)，其中，RQ1为所述MOS管Q1工作于线性区等效的可变电阻值，Iout1为第一脉冲电流源输出电流值。
如图3所示，本例所述第二脉冲电流源包括第一延时电路、第二延时电路、第一与门逻辑电路、第三延时电路、第二与门逻辑电路、第二驱动电路、MOS管Q2以及电感L，基础信号分别经过所述第一延时电路和第二延时电路输入至所述第一与门逻辑电路的输入端，所述第一与门逻辑电路的输出端输入至所述第二与门逻辑电路的一个输入端，所述第一与门逻辑电路的输出端通过所述第三延时电路输入至所述第二与门逻辑电路的另一个输入端，所述第二与门逻辑电路的输出端通过所述第二驱动电路连接至所述MOS管Q2的栅极，所述MOS管Q2的漏极通过所述电感L连接至中间级母线电压Vm，所述MOS管Q2的源极接地。
本例所述第二脉冲电流源中，由控制信号PWMB控制，该控制信号通过三角波或振荡电路输入至非门，进而在非门输出端得到基础信号，该基础信号经第一延时电路和第二延时电路，所得信号经与门后得到PWM信号，延时电路的目的主要是用于调整控制指令与实际电源工作间的延时时间，并通过第一延时电路和第二延时电路完成对于PWM占空比的调节，其中，所述第一延时电路用于调节PWM信号的关断时间，所述第二延时电路用于调节PWM信号的开通时间，所述第二延时电路的延时时间t2小于所述第一延时电路的延时时间t1和PWM信号占空比对应时间之和，这样设计是为了确保PWM信号的正常工作，利用简单的信号电路就能够实现开关机时间控制。
本例还优选包括第四延时电路，所述第一与门逻辑电路的输出端经过非门第四延时电路输出控制信号PWMA。
所述PWM信号同时作为控制信号PWMA和控制信号PWMB的基础信号，控制信号PWMA和控制信号PWMB均基于PWM信号完成后续的延时调节，即第一脉冲电流源和第二脉冲电流源的控制信号。PWM信号经过第三延时电路得到的信号与PWM信号进行逻辑“与”操作，得到延迟控制信号PWMB，而PWM信号经过第四延时电路得到控制信号PWMA，由图4中可以看出，控制信号PWMA和控制信号PWMB存在一定的时序关系，即通过4个延时电路参数可以调节所述控制信号PWMA和控制信号PWMB的宽度，所述第一延时电路和第二延时电路用于调节PWM信号的占空比，所述第三延时电路和第四延时电路是基于PWM信号的上升沿进行延时，所述第三延时电路的延时时间t3和第四延时电路的延时时间t4均不大于PWM信号的占空比对应的时间，且控制信号PWMB始终在控制信号PWMA信号的发生过程中产生，从而有效实现第一脉冲电流源和第二脉冲电流源的工作时序及其控制。
本例所述第二脉冲电流源为高压脉冲电流源，通过电感L进行瞬态功率储能，控制信号PWMB的脉冲宽度用于调整对应该高压脉冲电流源的峰值和能量，其中设控制信号PWMB的脉冲宽度为τ，整个工作时间为T，ΔIon为控制信号PWMB导通时电感L上的瞬态电流，Iout2为输出侧负载的脉冲电流，
Figure BDA0002500296930000062
为负载侧对应的平均电流，Rload是负载，则有
Figure BDA0002500296930000061
本例所述第二脉冲电流源中，当所述MOS管Q2导通时，利用电感L实现储能；当所述MOS管Q2关断后，实现脉冲电流输出，其工作时序如图4所示。
现在传统的供电方式采用多个独立电源，彼此间无时序联系，需要通过开关机方式实现两路脉冲电源的时序控制，存在时序调整不便，工作瞬态特性不佳；且瞬态情况下，所需的脉冲电流峰值较大，动态特性要求高等弊端。
与现有技术不同，本例所提出的技术方案，通过线性电流源可有效改善动态特性，通过配合设计的多个时序电路，使得设计方案简单，并且还能够建立两路电源间的时序关系，能够方便的调节彼此间的时间间隔，优化电源的设计。
综上所述，本例通过中间级母线电压Vm同时作为第一脉冲电流源和第二脉冲电流源的输入端，实现了两路脉冲电源，通过共用前级电路，能够有效减小系统电容的容值，整体结构简单且有效，在此基础上，还设计了多个延时电路以实现内部时序控制，具备时序调节功能，还能够实现瞬态高压脉冲电流，确保负载的可靠击穿，而且，第一脉冲电流源采用类似线性源控制其输出，确保在所需时序内，电流的快速稳定工作，满足生产和应用的需求。
以上内容是结合具体的优选实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施只局限于这些说明。对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干简单推演或替换，都应当视为属于本发明的保护范围。

Claims (9)

1.一种等离子体脉冲电源，其特征在于，输入电压Vin经DC/DC变换器转换为中间级母线电压Vm，所述中间级母线电压Vm同时作为第一脉冲电流源和第二脉冲电流源的输入端，用于产生两路具备相位关系的脉冲电流输出，其中，所述第一脉冲电流源中，由控制信号PWMA经过滤波电路转换为直流电平信号，并以该直流电平信号作为电流基准信号实现闭环控制；所述第二脉冲电流源为高压脉冲电流源，通过电感L进行瞬态功率储能，控制信号PWMB的脉冲宽度用于调整对应该高压脉冲电流源的峰值和能量，所述第二脉冲电流源包括第一延时电路、第二延时电路、第一与门逻辑电路、第三延时电路、第二与门逻辑电路、第二驱动电路、MOS管Q2以及电感L，基础信号分别经过所述第一延时电路和第二延时电路输入至所述第一与门逻辑电路的输入端，所述第一与门逻辑电路的输出端连接至所述第二与门逻辑电路的一个输入端，所述第一与门逻辑电路的输出端通过所述第三延时电路连接至所述第二与门逻辑电路的另一个输入端，所述第二与门逻辑电路的输出端通过所述第二驱动电路连接至所述MOS管Q2的栅极，所述MOS管Q2的漏极通过所述电感L连接至中间级母线电压Vm，所述MOS管Q2的源极接地。
2.根据权利要求1所述的等离子体脉冲电源，其特征在于，所述第一脉冲电流源包括滤波电路、闭环控制电路、采样电路、第一驱动电路、MOS管Q1以及采样电阻Rs，所述控制信号PWMA通过所述滤波电路连接至所述闭环控制电路的电流基准信号端，所述闭环控制电路的输出端通过所述第一驱动电路连接至所述MOS管Q1的栅极，所述MOS管Q1的源极通过所述采样电路连接至所述闭环控制电路的电流反馈信号端，所述MOS管Q1的源极还通过所述采样电阻Rs接地，所述MOS管Q1的漏极连接至第一脉冲电流源输出电压Vout1。
3.根据权利要求2所述的等离子体脉冲电源，其特征在于，中间级母线电压Vm与第一脉冲电流源输出电压Vout1的电压差作用于所述MOS管Q1和采样电阻Rs的串联支路，所述采样电阻Rs两端的电压经所述采样电路转换为反馈信号，该采样电阻Rs两端的电压与流过所述采样电阻Rs的电流成比例，反馈至所述闭环控制电路，使得流过所述采样电阻Rs的电流与控制信号PWMA经过所述滤波电路后等效的电流基准电压信号保持一致，从而实现对于输出电流的控制；所述第一驱动电路将驱动闭环控制电路的电压转换为带有驱动能力的驱动电压，其电平随闭环控制电路的电压变化而变化，当驱动电压大于所述MOS管Q1的栅极和源极之间的门槛电压后，使所述MOS管Q1工作于线性区等效为可变电阻，所述MOS管Q1与采样电阻Rs形成的电阻也等效为可变值，从而实现所述第一脉冲电流源输出电压Vout1和输出电流随控制信号PWMA实现可调。
4.根据权利要求3所述的等离子体脉冲电源，其特征在于，所述第一脉冲电流源中，中间级母线电压Vm与第一脉冲电流源输出电压Vout1的关系为Vm= Vout1+ Iout1(Rs+RQ1)，其中，RQ1为MOS管Q1工作于线性区等效的可变电阻值，Iout1为第一脉冲电流源输出电流值。
5.根据权利要求1所述的等离子体脉冲电源，其特征在于，通过三角波或振荡电路输入至非门，进而在非门输出端得到基础信号。
6.根据权利要求1所述的等离子体脉冲电源，其特征在于，所述第一延时电路用于调节PWM信号的关断时间，所述第二延时电路用于调节PWM信号的开通时间，所述第二延时电路的延时时间t2小于所述第一延时电路的延时时间t1和PWM信号占空比对应时间之和。
7.根据权利要求1所述的等离子体脉冲电源，其特征在于，还包括第四延时电路，所述第一与门逻辑电路的输出端经过第四延时电路输出控制信号PWMA。
8.根据权利要求1所述的等离子体脉冲电源，其特征在于，所述第一延时电路和第二延时电路用于调节PWM信号的占空比，所述第三延时电路和第四延时电路是基于PWM信号的上升沿进行延时，所述第三延时电路的延时时间t3和第四延时电路的延时时间t4均不大于PWM信号的占空比对应的时间，且控制信号PWMB始终在控制信号PWMA信号的发生过程中产生。
9.根据权利要求1所述的等离子体脉冲电源，其特征在于，所述第二脉冲电流源中，当所述MOS管Q2导通时，利用电感L实现储能；当所述MOS管Q2关断后，实现脉冲电流输出。
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