CN116669570A - 高压脉冲发生器单元 - Google Patents

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Abstract

本发明描述了高压脉冲发生器单元，该高压脉冲发生器单元包括初级侧、变压器和次级侧，其中初级侧包括绕组，并且其中次级侧包括多个绕组和多个脉冲模块单元(PMU)，并且其中每个PMU包括绕组和开关元件。

Description

高压脉冲发生器单元
技术领域
本发明涉及一种高压脉冲发生器单元。
背景技术
过去已经描述了不同类型的高压脉冲发生器，其属于PEF(脉冲电场)领域或用于PEF领域。例如，在WO2009/126084中，公开了用于将可泵送介质暴露于电场的布置，其中该布置包括用于产生电压的至少两个电源，其中相应的电源被布置用于同步控制以在所述至少两个电源中的至少两个电源之间建立串联连接，并且其中在第一电极板和第二电极板之间产生所得的合成电压，该所得的合成电压在第一电极板和第二电极板之间产生电场。
本发明涉及提供改善的高压脉冲发生器单元，其在PEF产生领域中特别有效。
发明内容
上述后一个目的通过包括初级侧、变压器和次级侧的高压脉冲发生器单元来实现，其中初级侧包括绕组，并且其中次级侧包括多个绕组和多个脉冲模块单元(PMU)，并且其中每个PMU包括绕组和开关元件。具有其变压器的高压脉冲发生器单元具有一个或若干个初级绕组和多个次级绕组。具有一个初级绕组的优点是所有功率都通过该初级绕组传输。这意味着变压器之前的部件的尺寸可被设计为处理所有功率，这导致初级侧上的部件数量更少，从而降低了成本和尺寸两者。这还简化了生产和测试。具有两个或若干个初级绕组的优点是能够将初级侧构建到可以找到标准部件的功率水平。然后可实现更高的总功率输出，但是仍然在初级侧使用标准部件。
根据本发明并且如上所述的高压脉冲发生器单元提供了若干优点。首先，电压独立地分配在若干电路上，诸如分配在多个IGBT上，如下文进一步讨论的。其次，每个此类IGBT仅负责其自己的电压。此外，通过分配，脉冲高度的建立是简单的。此外，高压侧的电压以简单的方式分配，而不需要额外的部件。
此外，根据本发明的其他可能的优点是仅使用所需的电压并且仅从期望的PMU切换电压的可能性。此外，通过使用本发明，可使不同部件之间的电流干扰最小化。此外，本发明还支持标准部件的使用，并且提供了其中可使用和组合模块的灵活系统。根据本发明的其他优点提供了高安全性和隔离性、更快的边沿、紧凑的能量传递、仅需要小面积的紧凑布置、低EMC以及串联和并联布置的模块的基础。
下文结合不同实施方案进一步描述了这些可能的优点中的若干个优点。
具体实施方式
下文公开了本发明的一些具体实施方案。此外，还进一步论述了本发明的不同替代方案、细节和优点。
根据一个具体实施方案，初级侧包括一个单绕组。这可能是有利的，因为其使得能够经由一个单电源对系统进行馈电。根据本发明，次级侧包括多个绕组。在次级侧上设置多个绕组的原因在于，诸如IGBT或MOSFET之类的开关元件有利于放置在次级侧上，因为下降和上升时间变得更快。最成本有效和能量有效的方式是在若干个开关元件上分配高电压，这就是多个绕组是有利的原因。使用低成本的标准部件来进行构建是可能的。在次级侧上的每个绕组之后的部件是独立的。这简化了结构，因为如果部件具有值的变化，诸如电容量或切换时间的变化，则问题较少。此外，还可以注意到，如果提供若干个开关元件，则它们可并联连接或串联连接。
根据本发明，次级侧包括多个脉冲模块单元(PMU)，并且其中每个PMU包括绕组和开关元件。根据本发明的又一个具体实施方案，次级侧包括多个脉冲模块单元(PMU)，其中一个或多个PMU包括绕组、整流桥、电容器和开关元件。电容器存储高电压，并且通过一个或多个晶体管将该电压切换到应用，例如PEF室。放置在次级侧上的储能器(诸如电容器)意指高压脉冲不需要经过可使脉冲减速的任何电感器或变压器。因此，脉冲的边沿快速上升和下降，这对于一些应用诸如PEF处理而言是有利的。
此外，保持其面积尽可能小是有利的。一个原因在于该脉冲电路产生不期望的电磁干扰，并且该环路越大，产生的干扰越多。保持该电路面积小的另一个原因是减小电感，这导致应用(诸如PEF室)中电压和电流的缓慢上升时间。在根据本发明所述的布置中，可构建发生器以使得该电路面积变小，因为可将开关元件和电容器彼此靠近地放置。也可以说，由于储能器基于电容器并且被放置在次级侧上并且被连接，所以开关元件可以将电压切换到应用。
此外，并且如上所述，在次级侧上有多个绕组，这些绕组继而向二极管桥和电容器馈电。因此，根据本发明，在次级侧上设置有根据上文所述的多个脉冲模块单元(PMU)。
根据又一个实施方案，一个或多个PMU还包括二极管，其优选地并联耦合在开关元件上。在根据本发明的一个布置配置中，存在并联耦合在开关元件和电容器上的下一个二极管。这用于三个目的。一个目的是在脉冲之后充当续流二极管。第二个目的是处理不均匀的切换时间。例如，如果一个开关元件缓慢接通，则二极管将打开并让脉冲通过。第三个目的是如果IGBT中的一个IGBT被破坏，则二极管将打开并且发生器可以在较低电压下继续发挥作用。
此外，从上文应当理解，根据本发明的又一个具体实施方案，开关元件是晶体管类型的，例如IGBT或FET/MOSFET。
根据又一个实施方案，接地被布置为连接到开关元件。适当地，接地布置在若干个开关元件的中间，诸如如图1所示。该接地确保次级侧上的部件上的电压将永远不超过总电压的一半。这也简化了与次级侧上的部件的隔离。
此外，根据又一个实施方案，开关元件包括具有短路保护的驱动电路。这样的优点在于，如果在应用中(诸如在PEF室中)存在短路，则电气短路保护将快速闭合开关元件。
根据本发明可能使用的电压可以处于不同的电平。根据本发明的一个实施方案，在每个PMU中提供的AC电压峰到峰值在1.6V-8,000V、优选地600V-4,000V、更优选地1,000V-3,000V的范围内。电平范围取决于次级侧上的PMU的预期数量。
此外，根据又一个实施方案，每个PMU包括一个开关元件，并且其中接地被布置在所有开关元件的中间。同样，该接地确保次级侧上的部件上的电压将永远不超过总电压的一半，并且这简化了与次级侧上的部件的隔离。
此外，根据本发明，PMU的数量也可变化。根据本发明的一个具体实施方案，PMU的数量在2-1,024的范围内，优选地在2-64的范围内，更优选地在4-16的范围内。例如，PMU数量在4-16的范围内并且在每个PMU中提供的AC电压峰到峰值在1,000V-3,000V的范围内是一个优选的替代方案。
关于上述内容，还可以提及以下内容。储能器适当地经由整流器电路在AC电压上充电。此外，储能器、开关元件和整流器被适当地布置为单独的模块，并且该模块可以与其他类似的模块串联连接并且将所有电压聚集为产生高压脉冲的较大电压。这些模块不需要串联连接，相反它们可以将其电压切换到单独的应用，诸如多个PEF室或相同的PEF室，但在不同的时间或同时切换。此外，这些模块还可以以任何组合并联或串联连接，以便能够产生不同的电压。此外，这些模块还可以通过某种方式连接，使得所有模块串联连接，并且应用(诸如PEF室)的一侧连接到中心点或负极端和正极端之间的任何点。另一侧连接到正极端和负极端两者，这使得可断开具有交流电压的脉冲，其也被称为双极脉冲。这些模块还可以通过某种方式连接，使得所有模块以串联和并联耦合的任何组合连接，并且应用(诸如PEF室)的一侧连接到中心点或负极端和正极端之间的任何点。在这种情况下，另一侧连接到正极端和负极端两者，这使得可断开具有交流电压的脉冲，其也被称为双极脉冲。
根据本发明的又一个实施方案，初级侧包括H桥单元，优选地移相全桥(PSFB)单元，其布置在初级侧的一个单初级绕组之前。高压脉冲发生器单元的变压器之前的H桥可以通过此类方式制造，使得可能在H桥和整流桥两者中实现几乎零开关损耗。可通过在H桥之后直接放置电感器而将导通损耗减小到最小。该电感器需要以此类方式进行适配，使得它与来自H桥的充电脉冲的长度相匹配。为了消除关断损耗，可将充电脉冲的长度和电容器进行匹配，因此不存在开关损耗，在这种情况下，这需要非常慢的充电频率，因此充电脉冲足够长以对电容器进行完全充电，并且这需要足够大的变压器，从而使电容器不会饱和。
根据又一个实施方案，在初级侧上提供的电压在600V-1,500V的范围内。此外，根据一个实施方案，功率因数校正(PFC)单元被布置为连接到H桥单元。在这种配置中，DC电压由PFC产生，其优点是可以平滑来自电路的不均匀功率输出，从而使该系统符合法律法规。
如上所述，根据另一个具体实施方案，次级侧连接到高压单元，优选地PEF(脉冲电场)室。此外，根据又一个实施方案，高压脉冲发生器单元被布置成提供双极脉冲。应当注意，单极脉冲和双极脉冲都是完全可能的，然而双极脉冲可能是有利的。首先，这减少或消除了与在电极上堆积的带电粒子相关的问题，否则当使用单极脉冲处理时这是一个风险。其次，电极寿命增加，这继而通过两个电极的切换使用而获得。
下文提供了本发明的其他具体实施方案。此外，参考本发明的实施方式提供进一步的细节。
根据本发明的发生器可产生功率为1kW至200kW(诸如2kW至100kW，例如4kW至40kW)的高压脉冲。此外，来自发生器的脉冲适当地具有0.5微秒至500微秒(诸如1微秒至200微秒，例如1微秒至50微秒)的脉冲宽度。此外，每个脉冲中的电流可以在1A-20,000A(诸如20A-5,000A，例如50A-2,000A)的范围内。此外，脉冲的频率适当地在10Hz-50,000Hz(诸如50Hz-10,000Hz，例如100Hz-5,000Hz)的范围内。脉冲中电压的上升时间和下降时间适当地在0.05微秒-10微秒(诸如0.1微秒-2微秒)的范围内。
关于另一个方面，根据本发明的每个PMU的输出幅度AC电压适当地具有峰到峰值300V-8,000V，诸如600V-4,000V，例如1,000V至2,000V。此外，AC电压适当地具有50Hz-300,000Hz(诸如500Hz-20,000Hz，例如1,000Hz-10,000Hz)的频率。此外，AC电压可以是方波电压、更像正弦电压的形状、或者由于电感器而具有缓慢上升时间并且在充电脉冲的末端下降的方波，因为充电脉冲足够长以对储能器完全充电。此外，如上所述，AC电压可以由DC电压和H桥产生。就这一点而言，还可以说，在一种配置中，H桥可以并入减慢方波的上升时间的电感器。这可能有利于减少H桥和整流二极管中的接通损耗。此外，H桥开关频率可以与电容器匹配，因此电容器刚好在每个脉冲之前被完全充电。这可能有利于减少关断损耗。
概括地说，本发明提供一种具有能够以简单、紧凑、成本有效和功率有效的方式产生高压脉冲的变压器的布置。这种设计可以主要用标准部件来实现。此外，这种高功率发生器以独特的方式设计，因此它是能量有效和成本有效的，并且还具有很少的部件、小尺寸和低EMI。发生器以高功率、高电压和高电流产生短脉冲。在其配置中的一种配置中，存在平滑不均匀电流峰值的PFC。存在来自PFC的DC电压，其进入向变压器馈电的H桥。在变压器的次级侧上，适当地存在向二极管桥和电容器馈电的多个绕组。电容器存储高电压，并且该电压由晶体管切换到诸如PEF室的应用。
附图说明
在图1中示出了根据本发明的一个具体实施方案。
如图所示，高压脉冲发生器单元包括初级侧、变压器和次级侧。根据该实施方案，初级侧包括一个单绕组，次级侧包括多个脉冲模块单元(PMU)。每个PMU包括一个绕组、整流桥、电容器和开关元件。此外，根据该实施方案，每个PMU还包括二极管，在这种情况下，该二极管并联耦合在开关元件上。此外，开关元件是晶体管类型的，即IGBT。
此外，接地被布置为连接到开关元件，并且如图所示，在这种情况下，接地被布置在所有开关元件的中间。
此外，高压脉冲发生器单元的次级侧连接到高压单元，在这种情况下为PEF(脉冲电场)室。

Claims (15)

1.高压脉冲发生器单元包括初级侧、变压器和次级侧，其中所述初级侧包括绕组，并且其中所述次级侧包括多个绕组和多个脉冲模块单元(PMU)，并且其中每个PMU包括所述绕组和开关元件。
2.根据权利要求1所述的高压脉冲发生器单元，其中所述初级侧包括一个单绕组。
3.根据权利要求1或2所述的高压脉冲发生器单元，其中所述次级侧包括多个脉冲模块单元(PMU)，其中一个或多个PMU包括所述绕组、整流桥、电容器和开关元件。
4.根据前述权利要求中任一项所述的高压脉冲发生器单元，其中一个或多个PMU还包括二极管，所述二极管优选地并联耦合在所述开关元件上。
5.根据权利要求1-4中任一项所述的高压脉冲发生器单元，其中所述开关元件是晶体管类型的，例如IGBT或FET。
6.根据权利要求1-5中任一项所述的高压脉冲发生器单元，其中接地被布置为连接到所述开关元件。
7.根据权利要求1-6中任一项所述的高压脉冲发生器单元，其中所述开关元件包括具有短路保护的驱动电路。
8.根据权利要求1-7中任一项所述的高压脉冲发生器单元，其中在每个PMU中提供的AC电压峰到峰值在1.6V-8,000V、优选地600V-4,000V、更优选地1,000V-3,000V的范围内。
9.根据权利要求1-8中任一项所述的高压脉冲发生器单元，其中每个PMU包括一个开关元件，并且其中接地被布置在所有开关元件的中间。
10.根据权利要求1-9中任一项所述的高压脉冲发生器单元，其中PMU的数量在2-1,024的范围内，优选地在2-64的范围内，更优选地在4-16的范围内。
11.根据权利要求1-10中任一项所述的高压脉冲发生器单元，其中所述初级侧包括H桥单元，优选地移相全桥(PSFB)单元，其被布置在所述初级侧的所述一个单初级绕组之前。
12.根据权利要求1-11中任一项所述的高压脉冲发生器单元，其中在所述初级侧上提供的电压在600V-1,500V的范围内。
13.根据权利要求11或12所述的高压脉冲发生器单元，其中功率因数校正(PFC)单元被布置为连接到所述H桥单元。
14.根据权利要求11-13中任一项所述的高压脉冲发生器单元，其中所述次级侧连接到高压单元，优选地PEF(脉冲电场)室。
15.根据前述权利要求中任一项所述的高压脉冲发生器单元，其中所述高压脉冲发生器单元被布置为提供双极脉冲。
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