CN113765430B - 一种新型双极性高压多电平变换器 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种新型双极性高压多电平变换器，包括：谐振电源；高频变压器模块，用于对谐振电源进行升压以及隔离，得到高压交流电；整流电路模块，用于将高压交流电转换为高压直流电；主电路模块模块，具有第一半桥模块以及第二半桥模块，用于产生多种形状的电压脉冲；驱动控制模块，用于改变主电路模块的时序，使主电路模块输出多种形状的电压脉冲。其中，谐振电源与高频变压器模块电连接，高频变压器模块与整流电路模块电连接，整流电路模块与主电路模块电连接，驱动控制模块与主电路模块电连接。
Description
技术领域
本发明涉及脉冲功率技术领域，具体涉及一种新型双极性高压多电平变换器。
背景技术
高压脉冲可以用于电穿孔应用，电穿孔是通过高强度的电场作用，瞬时提高细胞膜的通透性，从而吸收周围介质中的外源分子，被广泛应用于各种生物技术和生物医学应用，如将分子引入细胞、杀除肿瘤细胞、组织消融、水处理和食品杀菌等。而不同的应用所需的最优波形是不一样的。如方波脉冲可用于杀除肿瘤细胞、组织消融和水处理，参见《AModular High-Voltage Pulse-Generator With Sequential ChargingforWaterTreatmentApplications》；指数波可用于一些液体食品杀菌，参见《ProficiencyofDouble-Exponential Pulse Waveform in FoodTreatment through Pulsed ElectricField》；斜坡阶梯波可用于系统设备器件的绝缘测试，参见《Proficiency ofDouble-Exponential Pulse Waveform in Food Treatment through Pulsed Electric Field》；宽脉冲与窄脉冲的组合波可以减小产生的热量和保持完整的新鲜度来进行食品杀菌，参见《Wide Pulse CombinedWithNarrow-Pulse Generator for Food Sterilization》。因此脉冲电源所能够输出的脉冲波形的形状、电压幅值、脉冲持续时间以及频率等便是基本的可控变量。多电平变换器可以在不改变电路结构的情况下，仅通过改变开关的时序就能实现不同形状的电压输出。因此开关的数量可以视为整个电源系统的一个重要指标，更多的开关意味着需要更多的控制信号、驱动电路和保护措施等。
目前，国内外学者对多电平变换器的拓扑结构进行了很多研究，按照充电来源的不同可以分为两类：直流充电、交流充电(经变压器整流)。L.M.Redondo等人在《Bipolarsolid state arbitrary-waveform Marx generator for capacitive loads》中根据正极性和负极性Marx电路，结合两者的工作原理设计出双极性多电平变换器，其缺点是利用了较多的IGBT开关，每个模块是5个开关，共需要5n个开关实现2n+1个电平的输出(包括正电平、负电平和0电平)。M.A.Elgenedy等人在《A Modular Multilevel Voltage-BoostingMarx Pulse-Waveform Generator for ElectroporationApplications》中提出的结构分为正桥臂和负桥臂，每个桥臂上是一个半桥模块，使用一个Boost电路升压后对主电容并联充电，正桥臂和负桥臂的输出不是相互独立，在正桥臂工作输出正脉冲时也要控制负桥臂的开关，因此控制方式较为复杂。该结构使用了2n个开关实现了n+1个电平的输出。上述两种均是采用直流充电的方式，此种方式需要对充电过程进行控制，因此充电过程和放电过程不能共存。I.Abdelsalam等人在《Full-Bridge Modular Multilevel Submodule-BasedHigh-Voltage Bipolar Pulse Generator With Low-Voltage DC,Input forPulsedElectric FieldApplications》中采用变压器整流后给每一级电容充电，主电路采用经典的全桥模块作为基本单元，因此需要使用4n个开关实现2n+1个电平的输出。雷鹏等人在《Proficiency ofDouble-Exponential Pulse Waveform in Food Treatment throughPulsed Electric Field》中采用变压器整流后给每一级电容充电，主电路采用半桥结构作为基本单元，且正负模块单元是相互独立的，需要2n个开关能实现n+1个电平的输出。上述两种为采用交流来源(经变压器整流)充电，此种方式充电过程和放电过程相互独立，可以同时进行。但目前还缺乏能够实现使用较少数量的开关也能进行任意级数的电压输出的多电平变换器。
发明内容
本发明是为了解决上述问题而进行的，目的在于提供一种新型双极性高压多电平变换器。
本发明提供了一种新型双极性高压多电平变换器，其特征在于，包括：谐振电源；高频变压器模块，用于对谐振电源进行升压以及隔离，得到高压交流电；整流电路模块，用于将高压交流电转换为高压直流电；主电路模块，具有第一半桥模块以及第二半桥模块，用于产生多种形状的电压脉冲；驱动控制模块，用于改变主电路模块的时序，使主电路模块输出多种形状的电压脉冲。其中，谐振电源与高频变压器模块电连接，高频变压器模块与整流电路模块电连接，整流电路模块与主电路模块电连接，驱动控制模块与主电路模块电连接。
本发明提供的新型双极性高压多电平变换器，还可以具有这样的技术特征，其中，整流电路模块包括多个整流桥，谐振电源为LLC半桥谐振电源或LLC全桥谐振电源，高频变压器模块包括多个串联的锰锌铁氧体磁环变压器，多个锰锌铁氧体磁环变压器与多个整流桥一一连接。
本发明提供的新型双极性高压多电平变换器，还可以具有这样的技术特征，其中，谐振电源的输出作为多个锰锌铁氧体磁环变压器的原边，锰锌铁氧体磁环变压器的副边分别与整流桥的输入端连接。
本发明提供的新型双极性高压多电平变换器，还可以具有这样的技术特征，其中，第一半桥模块的数量为两个，第二半桥模块的数量为多个，一个第一半桥模块与多个串联的第二半桥模块串联后，再与另一个第一半桥模块串联。
本发明提供的新型双极性高压多电平变换器，还可以具有这样的技术特征，其中，第一半桥模块包括两个第一半导体开关、第二半导体开关以及两个容量相等的充电电容，第一半导体开关与充电电容串联后彼此并联，再与第二半导体开关并联。
本发明提供的新型双极性高压多电平变换器，还可以具有这样的技术特征，其中，第二半桥模块包括两个第一半导体开关和四个容量相等的充电电容，第一半导体开关的一端和另一端分别与充电电容串联后彼此并联。
本发明提供的新型双极性高压多电平变换器，还可以具有这样的技术特征，其中，整流桥的输出端连接充电电容，控制充电电容的电压极性，驱动控制模块控制第一半导体开关和第二半导体开关的通断。
本发明提供的新型双极性高压多电平变换器，还可以具有这样的技术特征，其中，第一半导体开关为MOSFET或IGBT，第二半导体开关为不带反并联二极管的IGBT。
本发明提供的新型双极性高压多电平变换器，还可以具有这样的技术特征，其中，驱动控制模块采用光纤加MCP1407驱动芯片的同步隔离驱动方式。
本发明提供的新型双极性高压多电平变换器，还可以具有这样的技术特征，其中，驱动控制模块的控制信号由FPGA提供。
发明的作用与效果
本发明所涉及的一种新型双极性高压多电平变换器包括谐振电源；高频变压器模块，用于对谐振电源进行升压以及隔离，得到高压交流电；整流电路模块，用于将高压交流电转换为高压直流电；主电路模块，具有第一半桥模块以及第二半桥模块，用于产生多种形状的电压脉冲；驱动控制模块，用于改变主电路模块的时序，使主电路模块输出多种形状的电压脉冲。其中，谐振电源与高频变压器模块电连接，高频变压器模块与整流电路模块电连接，整流电路模块与主电路模块电连接，驱动控制模块与主电路模块电连接。由于采用谐振充电的方式，因此与传统的双极性高压多电平变换器相比提高了充电效率，省去充电控制，简化控制策略，且控制策略具有多样性；由于使用的开关数量更少，使用2n+2个开关就可实现2n+1个电平；主电路结构为模块化设计，控制和调试更加方便。
附图说明
图1是本发明的实施例中新型双极性高压多电平变换器的整体框架图；
图2是本发明的实施例中新型双极性高压多电平变换器的电路图；
图3是本发明的实施例中新型双极性高压多电平变换器的主电路的第一半桥模块以及第二半桥模块原理图；
图4是本发明的实施例中新型双极性高压多电平变换器的驱动控制模块的框架图；
图5是本发明的实施例中新型双极性高压多电平变换器的6级主电路工作原理示意图；
图6是本发明的实施例中新型双极性高压多电平变换器的6级主电路在Pspice仿真环境中的输出结果。
具体实施方式
为了使本发明实现的技术手段、创作特征、达成目的与功效易于明白了解，以下实施例结合附图对本发明新型双极性高压多电平变换器作具体阐述。
在本实施例中，提供了一种新型双极性高压多电平变换器。
图1是本发明的实施例一中新型双极性高压多电平变换器的整体框架图。
图2是本发明的实施例一中新型双极性高压多电平变换器的电路图。
如图1和图2所示，本实施例所涉及的新型双极性高压多电平变换器包括：谐振电源1，高频变压器模块2，整流电路模块3，主电路模块4，驱动控制模块5，FPGA 6。谐振电源1为LLC全桥谐振电源，负载是阻性负载。高频变压器2包括多个串联的锰锌铁氧体磁环变压器20，用于对谐振电源进行升压以及隔离，得到高压交流电；整流电路模块3包括多个整流桥30，用于将高压交流电转换为高压直流电。谐振电源1的输出作为多个锰锌铁氧体磁环变压器20的原边，锰锌铁氧体磁环变压器20的副边分别与整流桥30的输入端连接。
主电路4包括两个第一半桥模块40以及n个第二半桥模块41(n≥1且n为正整数)，用于产生多种形状的电压脉冲，一个第一半桥模块40与多个串联的第二半桥模块41串联后，再与另一个第一半桥模块40串联。
图3是本发明的实施例一中新型双极性高压多电平变换器的主电路的第一半桥模块以及第二半桥模块原理图。
如图3所示，第一半桥模块40包括两个第一半导体开关，分别记为Sa和Sb、第二半导体开关T以及两个容量相等的充电电容。第一半导体开关Sa与充电电容串联，第一半导体开关Sb与充电电容串联后彼此并联，再与第二半导体开关T并联。
第二半桥模块41包括两个第一半导体开关，分别记为Sc和Sd，和四个容量相等的充电电容。第一半导体开关Sc的一端和另一端分别与充电电容串联，第一半导体开关的一端和另一端分别与充电电容串联后彼此并联。
第一半导体开关Sa、Sb、Sc、Sd为MOSFET，第二半导体开关T为不带反并联二极管的IGBT。
第一半桥模块40工作原理：如图3(a)所示，控制开关Sb导通，输出端U1的电压为为+U；控制开关Sa导通，输出端U1的电压为-U；控制开关T导通，输出端U1的电压为0。
第二半桥模块41工作原理：如图3(b)所示，控制开关Sd导通，输出端U2的电压为+2U；控制开关Sc导通，输出端U2的电压为-2U。
因此第一半桥模块40输出电压为±U或0，多个第二半桥模块41串联输出的结果为±2U，因此串联后通过所有模块上输出电压进行叠加，整体能输出任意电压等级的电压。
整流桥模块3的输出端连接充电电容，控制充电电容的电压极性。
图4是本发明的实施例一中新型双极性高压多电平变换器的驱动控制模块的框架图；
如图4所示，驱动控制模块5的控制信号由FPGA提供，采用光纤加MCP1407驱动芯片的同步隔离驱动方式，控制主电路模块4中第一半导体开关和第二半导体开关的通断，用于改变主电路模块4的时序，使主电路模块4输出多种形状的电压脉冲。
本实施例中主电路以6级原理图为例。
图5是本发明的实施例中新型双极性高压多电平变换器的6级主电路工作原理示意图。
正一级工作原理：如图5(a)所示，第一半导体开关S2、S4、S5和T2导通，通过对应串联电容电压的叠加，得到负载上的电压为+U。这个过程也可以理解为两个第一半桥模块的输出分别为+U、0，两个第二半桥模块的输出分别为+2U、-2U，因此总的输出为+U。
正三级工作原理：如图5(b)所示，控制开关S1、S4、S6和T2导通，通过对应串联电容电压的叠加，得到负载上的电压为+3U。这个过程也可以理解为两个第一半桥模块的输出分别为-U、0，两个第二半桥模块的输出分别为+2U、+2U，因此总的输出为+3U。
负四级工作原理：如图5(c)所示，控制开关S3、S5和T1、T2导通，通过对应串联电容电压的叠加，得到负载上的电压为-4U。这个过程也可以理解为两个第一半桥模块的输出分别为0、0，两个半桥模块的输出分别为-2U、-2U，因此总的输出为-4U。
图6是本发明的实施例二中新型双极性高压多电平变换器的6级主电路在Pspice仿真环境中的输出结果。
实施例的作用与效果
本实施例中所涉及的一种新型双极性高压多电平变换器包括谐振电源1；高频变压器模块2，用于对谐振电源进行升压以及隔离，得到高压交流电；整流电路模块3，用于将高压交流电转换为高压直流电；主电路模块4，具有第一半桥模块以及第二半桥模块，用于产生多种形状的电压脉冲；驱动控制模块5，用于改变主电路模块的时序，使主电路模块输出多种形状的电压脉冲。其中，谐振电源与高频变压器模块电连接，高频变压器模块与整流电路模块电连接，整流电路模块与主电路模块电连接，驱动控制模块与主电路模块电连接。由于采用谐振充电的方式，因此与传统的双极性高压多电平变换器相比提高了充电效率，省去充电控制，简化控制策略，且控制策略具有多样性；由于使用的开关数量更少，使用2n+2个开关就可实现2n+1个电平；主电路结构为模块化设计，控制和调试更加方便。此外，储能电容充电和主电路中开关驱动部分均采用了隔离的措施，有效地实现了强弱电的电气隔离。
此外，通过所有模块上的电压叠加来实现不同的电压输出，可以发现对于一个特定等级的电压输出，可能存在多种不同的控制方式，因此实施例中的控制策略具有灵活性，且不论中间半桥模块的数量是奇数还是偶数，都可以实现其功能。
Claims (7)
1.一种新型双极性高压多电平变换器，用于输出多种形状的电压脉冲，其特征在于，包括：
谐振电源；
高频变压器模块，用于对所述谐振电源进行升压以及隔离，得到高压交流电；
整流电路模块，用于将所述高压交流电转换为高压直流电；
主电路模块，具有第一半桥模块以及第二半桥模块，用于产生所述多种形状的电压脉冲；以及
驱动控制模块，用于改变所述主电路模块的时序，使所述主电路模块输出所述多种形状的电压脉冲，
其中，所述谐振电源与所述高频变压器模块电连接，
所述高频变压器模块与所述整流电路模块电连接，
所述整流电路模块与所述主电路模块电连接，
所述驱动控制模块与所述主电路模块电连接，
所述第一半桥模块的数量为两个，
所述第二半桥模块的数量为多个，
一个所述第一半桥模块与多个串联的第二半桥模块串联后，再与另一个所述第一半桥模块串联，
所述第一半桥模块包括第一半导体开关Sa、第一半导体开关Sb、第二半导体开关T以及两个容量相等的第一充电电容，
所述第一半导体开关Sa与一个所述第一充电电容串联形成第一串联支路，所述第一半导体开关Sb与另一个所述第一充电电容串联形成第二串联支路，所述第一串联支路和所述第二串联支路彼此并联，再与所述第二半导体开关T并联，
所述第二半桥模块包括第一半导体开关Sc、第一半导体开关Sd以及四个容量相等的第二充电电容，所述第一半导体开关Sc的两端分别与两个所述第二充电电容串联形成第三串联支路，所述第一半导体开关Sd的两端分别与另外两个所述第二充电电容串联形成第四串联支路，所述第三串联支路和所述第四串联支路彼此并联。
2.根据权利要求1所述的新型双极性高压多电平变换器，其特征在于：
其中，所述整流电路模块包括多个整流桥，
所述谐振电源为LLC半桥谐振电源或LLC全桥谐振电源，
所述高频变压器模块包括多个串联的锰锌铁氧体磁环变压器。
3.根据权利要求2所述的新型双极性高压多电平变换器，其特征在于：
其中，所述谐振电源的输出作为多个所述锰锌铁氧体磁环变压器的原边，
所述锰锌铁氧体磁环变压器的副边分别与所述整流桥的输入端连接。
4.根据权利要求2所述的新型双极性高压多电平变换器，其特征在于：
其中，所述整流桥的输出端连接所述第一充电电容和所述第二充电电容，控制所述第一充电电容和所述第二充电电容的电压极性，
所述驱动控制模块控制所述第一半导体开关Sa、Sb、Sc、Sd和第二半导体开关T的通断。
5.根据权利要求1所述的新型双极性高压多电平变换器，其特征在于：
其中，所述第一半导体开关Sa、Sb、Sc、Sd为MOSFET或IGBT，
所述第二半导体开关T为不带反并联二极管的IGBT。
6.根据权利要求1所述的新型双极性高压多电平变换器，其特征在于：
其中，所述驱动控制模块采用光纤和MCP1407驱动芯片的同步隔离驱动方式。
7.根据权利要求1所述的新型双极性高压多电平变换器，其特征在于：
其中，所述驱动控制模块的控制信号由FPGA提供。
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Non-Patent Citations (1)
| Title |
|---|
| 用于脉冲叠加器的LLC谐振充电源的研究;黄超林等;《上海理工大学学报》;第41卷(第2期);第149-155页 * |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
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