CN115242222A - 一种双极性电流脉冲生成电路的拓扑结构及其生成方法 - Google Patents

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CN115242222A CN202210625443.4A CN202210625443A CN115242222A CN 115242222 A CN115242222 A CN 115242222A CN 202210625443 A CN202210625443 A CN 202210625443A CN 115242222 A CN115242222 A CN 115242222A
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黄垂兵
陈武
卯寅浩
刘浩然
金浩哲
张银锋
罗恒
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Abstract

本发明公开了一种双极性电流脉冲生成电路的拓扑结构，包括控制装置及生成电路模块，所述生成电路模块正向控制信号输入端、负向控制信号输入端及生成电路模块；所述生成电路模块通过正向控制信号输入端接受控制装置发出正向控制信号，产生正向输出电压，在感性负载上产生正向输出电流；所述生成电路模块通过负向控制信号输入端接受控制装置发出负向控制信号，产生负向输出电压，在感性负载上产生负向输出电流；还公开对应双极性电流脉冲生成方法；本发明可以实现宽范围调压，同时实现输出电压极性可变，产生可调脉冲宽度、幅值，可调脉冲上升、下降时间的双极性电流脉冲；电流脉冲的高度、宽度、脉冲电流上升与下降时间均可控。

Description

一种双极性电流脉冲生成电路的拓扑结构及其生成方法
技术领域
本专利涉及电流脉冲生成拓扑及其控制方法领域，具体说是一种双极性电流脉冲生成电路的拓扑结构及方法。
背景技术
感性负载双极性电流脉冲生成电路的拓扑结构生成装置，是强磁场发生器、地球物理探测磁场发射机等设备的核心部件。在实际应用中，需要利用双极性电流脉冲生成电路的拓扑结构生成电路控制双极性电流脉冲生成电路的拓扑结构的频率、幅值等，对磁场频率与磁场强度进行控制。
大感性负载时间常数大，为了获得更高频率和磁场强度的磁场，需要进一步提高感性负载两端的电压，增大脉冲电流上升过程中的电流变化率，使感性负载电流尽快达到稳态，产生所需磁场，因此对双极性电流脉冲生成电路的拓扑结构生成电路的调压范围有较宽的要求。同时，由于需要产生双极性电流，输出电压应满足极性可变的条件。
现有双极性脉冲电流生成电路受限于拓扑结构的影响，难以同时满足宽范围调压与输出电压极性可变的需求。因此，如何在利用简化的拓扑结构，得到所需宽度/高度、上升/下降时间的电流脉冲是目前亟需解决的一个问题。
发明内容
本发明所要解决的技术问题在于克服现有技术的不足，提供一种双极性电流脉冲生成电路的拓扑结构生成电路，解决了大电感负载情况下，难以同时满足宽范围调压与输出电压极性可变的需求的问题。
针对上述问题，本发明采用的技术方案是：
做为本发明的一个方面，提供一种双极性电流脉冲生成电路的拓扑结构，包括控制装置及生成电路模块，所述生成电路模块正向控制信号输入端、负向控制信号输入端及生成电路模块；所述生成电路模块通过正向控制信号输入端接受控制装置发出正向控制信号，产生正向输出电压，在感性负载上产生正向输出电流；所述生成电路模块通过负向控制信号输入端接受控制装置发出负向控制信号，产生负向输出电压，在感性负载上产生负向输出电流。
进一步的，所述生成电路模块包括第一IGBT管S1,第二IGBT管S2，第三IGBT管S3，第四IGBT管S4，第五IGBT管S5、第一二极管D1,第二二极管D2，第三二极管D3、滤波电感Lf、输出滤波电容Co；所述拓扑结构的直流母线正极连接第一IGBT管S1的发射极，直流母线的负极连接第五IGBT管S5的发射极、第四IGBT管S4的发射级、输出滤波电容Co下端子和感性负载的下端子；
第一IGBT管S1的集电极连接第二IGBT管S2的集电极、滤波电感Lf的左端子和第三二极管D3的阴极；第二IGBT管S2的发射极连接第一二极管D1的阴极；
第三IGBT管S3的集电极连接滤波电感Lf的右端子和第四IGBT管S4的集电极；
第五IGBT管S5的发射极连接第三二极管D3的阳极；第一二极管D1的阳极连接第二二极管D2的阳极、输出滤波电容Co的上端子和感性负载的上端子；所述输出滤波电容Co并联于感性负载两端。
做为本发明的另一方面，还涉及一种双极性电流脉冲生成电路的拓扑结构生成方法，包括如下步骤：
步骤1，在初始状态下，开通第三IGBT管S3、第五IGBT管S5，关断第二IGBT管S2，在一个电流正向脉冲时间内第一IGBT管S1和第四IGBT管S4同步开通和关断，可以在该时间内在输出滤波电容上产生正向输出电压，在感性负载上产生正向输出电流。
步骤2，在初始状态下，开通第二IGBT管S2和第四IGBT管S4，关断第三IGBT管S3、第五IGBT管S5，在一个电流负向脉冲时间内，第一IGBT管S1开通和关断，可在该时间内在输出滤波电容上产生负向输出电压，在感性负载上产生负向输出电流。
交替执行步骤1、2，可以利用所述双极性电流脉冲生成电路的拓扑结构生成电路产生的双极性的电流脉冲。且电流脉冲的高度、宽度、脉冲电流上升与下降时间均可控。
进一步的，所述初始状态为第一IGBT管S1和第四IGBT管S4打开，其余开关关闭的状态。
进一步的，所述步骤1中通过控制第一IGBT管S1和第四IGBT管S4的占空比，可以控制输出电压与电流的大小。
进一步的，所述步骤2中通过控制第一IGBT管S1的占空比，可以控制输出电压与电流的大小。
与现有技术相比，本发明的有益效果在于：
1.本发明的双极性电流脉冲生成电路的拓扑结构，可以实现宽范围调压，同时实现输出电压极性可变，产生可调脉冲宽度、幅值，可调脉冲上升、下降时间的双极性电流脉冲。
2.本发明的双极性电流脉冲生成电路的拓扑结构，电流脉冲的高度、宽度、脉冲电流上升与下降时间均可控。
附图说明
图1为本发明较佳实施例的整体结构示意图；
图2为本发明较佳实施例的拓扑结构示意图；
图3为本发明较佳实施例输出正向脉冲电流时的工作状态示意图；
图4为本发明较佳实施例输出负向脉冲电流时的工作状态示意图；
图5为本发明较佳实施例初始状态下的工作状态
图6为本发明较佳实施例双极性电流脉冲生成电路感性负载两端电压波形；
图7为本发明较佳实施例双极性电流脉冲生成电路感性负载两端电流波形；
具体实施方式：
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
如图1所示，本发明涉及双极性电流脉冲生成电路的拓扑结构，包括控制装置1及生成电路模块2，所述生成电路模块2正向控制信号输入端21、负向控制信号输入端22及生成电路模块23；所述生成电路模块2通过正向控制信号输入端21接受控制装置1发出正向控制信号，产生正向输出电压，在感性负载上产生正向输出电流；所述生成电路模块2通过负向控制信号输入端22接受控制装置1发出负向控制信号，产生负向输出电压，在感性负载上产生负向输出电流。
如图2所示，一种双极性电流脉冲生成电路，所述拓扑结构由第一IGBT管S1,第二IGBT管S2，第三IGBT管S3，第四IGBT管S4，第五IGBT管S5、第一二极管D1,第二二极管D2，第三二极管D3、滤波电感Lf、输出滤波电容Co和感性负载组成；
所述拓扑结构的直流母线正极连接第一IGBT管S1的发射极，直流母线的负极连接第五IGBT管S5的发射极、第四IGBT管S4的发射级、输出滤波电容Co下端子和感性负载的下端子；第一IGBT管S1的集电极连接第二IGBT管S2的集电极、滤波电感Lf的左端子和第三二极管D3的阴极；第二IGBT管S2的发射极连接第一二极管D1的阴极；第三IGBT管S3的集电极连接滤波电感Lf的右端子和第四IGBT管S4的集电极；第五IGBT管S5的发射极连接第三二极管D3的阳极；第一二极管D1的阳极连接第二二极管D2的阳极、输出滤波电容Co的上端子和感性负载的上端子。所述输出滤波电容Co并联于感性负载两端。
与上述拓扑结构相对应，本发明提出了一种适用于本发明所述的双极性电流脉冲生成电路的基本控制方法。利用该基本控制方法，可以得到所需频率、幅值的双极性脉冲电流。
步骤1，工作状态如图3所示。在初始状态下，开通第三IGBT管S3、第五IGBT管S5，关断第二IGBT管S2，在一个电流正向脉冲时间内第一IGBT管S1和第四IGBT管S4同步开通和关断，可以在该时间内在输出滤波电容上产生正向输出电压，在感性负载上产生正向输出电流。通过控制第一IGBT管S1和第四IGBT管S4的占空比，可以控制输出电压与电流的大小。
步骤2，工作状态如图4所示。在初始状态下，开通第二IGBT管S2和第四IGBT管S4，关断第三IGBT管S3、第五IGBT管S5，在一个电流负向脉冲时间内，第一IGBT管S1开通和关断，可在该时间内在输出滤波电容上产生负向输出电压，在感性负载上产生负向输出电流。通过控制第一IGBT管S1的占空比，可以控制输出电压与电流的大小。
交替执行步骤1、2，可以利用所述双极性电流脉冲生成电路产生的双极性的电流脉冲。且电流脉冲的高度、宽度、脉冲电流上升与下降时间均可控。
如图6、7所示，为本发明所提出的双极性电流脉冲生成电路感性负载两端电压、电流波形，在前述的基本控制方法下，产生所符合需求的，脉冲宽度、幅值、上升下降时间给定的双极性电流脉冲。
本发明所提出一种双极性电流脉冲生成电路。本发明中的双极性电流脉冲生成电路，可以实现宽范围调压，同时实现输出电压极性可变，产生可调脉冲宽度、幅值，可调脉冲上升、下降时间的双极性电流脉冲。
以上显示和描述了本发明的基本原理和主要特征及优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的结构关系及原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。

Claims (6)

1.一种双极性电流脉冲生成电路的拓扑结构，其特征在于:包括控制装置(1)及生成电路模块(2)，所述生成电路模块(2)正向控制信号输入端(21)、负向控制信号输入端(22)及生成电路模块(23)；所述生成电路模块(2)通过正向控制信号输入端(21)接受控制装置(1)发出正向控制信号，产生正向输出电压，在感性负载上产生正向输出电流；所述生成电路模块(2)通过负向控制信号输入端(22)接受控制装置(1)发出负向控制信号，产生负向输出电压，在感性负载上产生负向输出电流。
2.根据权利要求1所述的双极性电流脉冲生成电路的拓扑结构，其特征在于：所述生成电路模块(23)包括第一IGBT管S1,第二IGBT管S2，第三IGBT管S3，第四IGBT管S4，第五IGBT管S5、第一二极管D1,第二二极管D2，第三二极管D3、滤波电感Lf、输出滤波电容Co；所述拓扑结构的直流母线正极连接第一IGBT管S1的发射极，直流母线的负极连接第五IGBT管S5的发射极、第四IGBT管S4的发射级、输出滤波电容Co下端子和感性负载的下端子；
第一IGBT管S1的集电极连接第二IGBT管S2的集电极、滤波电感Lf的左端子和第三二极管D3的阴极；第二IGBT管S2的发射极连接第一二极管D1的阴极；
第三IGBT管S3的集电极连接滤波电感Lf的右端子和第四IGBT管S4的集电极；
第五IGBT管S5的发射极连接第三二极管D3的阳极；第一二极管D1的阳极连接第二二极管D2的阳极、输出滤波电容Co的上端子和感性负载的上端子；所述输出滤波电容Co并联于感性负载两端。
3.一种双极性电流脉冲生成方法，其特征在于，包括如下步骤：
步骤1，在初始状态下，开通第三IGBT管S3、第五IGBT管S5，关断第二IGBT管S2，在一个电流正向脉冲时间内第一IGBT管S1和第四IGBT管S4同步开通和关断，在该时间内在输出滤波电容上产生正向输出电压，在感性负载上产生正向输出电流；
步骤2，在初始状态下，开通第二IGBT管S2和第四IGBT管S4，关断第三IGBT管S3、第五IGBT管S5，在一个电流负向脉冲时间内，第一IGBT管S1开通和关断，可在该时间内在输出滤波电容上产生负向输出电压，在感性负载上产生负向输出电流；
交替执行步骤1、2，可以利用所述双极性电流脉冲生成电路的拓扑结构生成电路产生的双极性的电流脉冲；且电流脉冲的高度、宽度、脉冲电流上升与下降时间均可控。
4.根据权利要求3所述的双极性电流脉冲生成方法，所述初始状态为第一IGBT管S1和第四IGBT管S4打开，其余开关关闭的状态。
5.根据权利要求3所述的双极性电流脉冲生成方法，所述步骤1中通过控制第一IGBT管S1和第四IGBT管S4的占空比，控制输出电压与电流的大小。
6.根据权利要求3所述的双极性电流脉冲生成方法，所述步骤2中通过控制第一IGBT管S1的占空比，控制输出电压与电流的大小。
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