CN117614308A - 一种充放电一体化脉冲产生模块 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种充放电一体化脉冲产生模块，其包括低压电路和高压电路；高压电路包括正脉冲形成网络、第一开关保护电路、正放电开关模块、第一隔离电阻、微型高压充电模块、第二隔离电阻、负脉冲形成网络、第二开关保护电路、负放电开关模块和高压输出接口；负脉冲形成网络的输出端分别与第二开关保护电路和高压输出接口连接；微型高压充电模块的输出端通过第一隔离电阻与正脉冲形成网络的输入端连接；微型高压充电模块的输出端通过第二隔离电阻与负脉冲形成网络的输入端连接。本发明不需要外接高压充电机即可作为高压脉冲电源独立使用，也可作为基本单元，通过感应叠加方式构建脉冲功率源系统，实现脉冲功率源的紧凑化和小型化。

Description

一种充放电一体化脉冲产生模块

技术领域

本发明涉及脉冲产生技术领域，特别是一种充放电一体化脉冲产生模块。

背景技术

脉冲产生模块能够产生高压大电流准方波脉冲，在脉冲功率领域中有广泛使用，模块即可作为高压脉冲电源单独使用，也可以通过感应叠加等方式构成脉冲功率源系统应用于闪光照相、电磁发射等领域。

现有脉冲产生模块通常需要外接高压电源为其充电，这种做法使其连线复杂，也增加了连线接口处绝缘失效风险。

发明内容

鉴于此，本发明提供一种充放电一体化脉冲产生模块。

本发明公开了一种充放电一体化脉冲产生模块，包括低压电路和高压电路；低压电路包括低压输入接口、触发电路和控制电路；

高压电路包括正脉冲形成网络、第一开关保护电路、正放电开关模块、第一隔离电阻、微型高压充电模块、第二隔离电阻、负脉冲形成网络、第二开关保护电路、负放电开关模块和高压输出接口；控制电路根据正脉冲形成网络和负脉冲形成网络的电容量，调节充电时间，向微型高压充电模块的使能信号端口发出充电信号，控制充电电压的高低；触发电路用于为正放电开关模块和负放电开关模块提供同步的触发信号；

触发电路的输出端分别与正放电开关模块和负放电开关模块的输入端连接；控制电路的输出端分别与触发电路和微型高压充电模块的输入端连接；低压输入接口的输出端分别与触发电路和微型高压充电模块的输入端连接；低压输入接口的输出端与控制电路的输入端连接；正脉冲形成网络的输出端分别与第一开关保护电路和高压输出接口连接；第一开关保护电路的输出端与正放电开关模块的输入端连接；负脉冲形成网络的输出端分别与第二开关保护电路和高压输出接口连接；第二开关保护电路的输出端与负放电开关模块的输入端连接；微型高压充电模块的输出端通过第一隔离电阻与正脉冲形成网络的输入端连接；微型高压充电模块的输出端通过第二隔离电阻与负脉冲形成网络的输入端连接。

进一步地，触发电路和微型高压充电模块共同实现低压电路和高压电路之间的电气隔离；直流电源通过低压输入接口向模块供电，经微型高压充电模块升压，微型高压充电模块同时输出正、负高压，通过第一隔离电阻向正脉冲形成网络充电，同时通过第二隔离电向负脉冲形成网络充电；直流电源同时通过低压输入接口向控制电路和触发电路供电，当正脉冲形成网络和负脉冲形成网络充电完成之后，控制电路向触发电路发出信号，触发电路使正放电开关模块和负放电开关模块导通，正脉冲形成网络和负脉冲形成网络放电，高压输出接口处接负载，在负载上获得高压大电流脉冲。

进一步地，正脉冲形成网络和负脉冲形成网络放电均为双线结构，微型高压充电模块的正、负输出端分别通过第一隔离电阻和第二隔离电阻连接正脉冲形成网络和负脉冲形成网络的第一传输线的第一端口，两脉冲形成线共地，即第一传输线的第四端口均与微型高压充电模块的接地端直接相连，第二传输线的第四端口通过高压输出接口连接负载，经负载形成充电回路，完成脉冲形成网络双线充电；其中，正脉冲形成网络和负脉冲形成网络均具有第一传输线和第二传输线；第一传输线和第二传输线均包括第一端口、第二端口、第三端口和第四端口；第一端口和第二端口分别位于第一传输线的两端；第三端口和第四端口分别位于第一传输线的两端。

进一步地，第一隔离电阻和第二隔离电阻均为高能陶瓷电阻，用于隔离正脉冲形成网络和负脉冲形成网络在放电过程中产生的脉冲高压，以保护微型高压充电模块；正脉冲形成网络的第一传输线的第一端口和第三端口之间连接正放电开关模块，负脉冲形成网络的第一传输线的第一端口和第三端口之间连接负放电开关模块；其中，正放电开关模块和负放电开关模块均为Mos栅控晶闸管。

进一步地，Mos栅控晶闸管具备反向通流能力，无需反向并联二极管，多个Mos栅控晶闸管串并联组成正放电开关模块和负放电开关模块；对于正脉冲形成网络，其第一传输线的第一端口连接正放电开关模块的阳极，第三端口连接阴极；对于负脉冲形成网络，其第一传输线的第一端口连接负放电开关模块的阳极，第三端口接阴极。

进一步地，第一开关保护电路和第二开关保护电路的构成均为TVS串联功率电阻和压敏电阻并联于Mos栅控晶闸管的阳极和阴极之间，吸收正脉冲形成网络和负脉冲形成网络上反射回的脉冲电压，第一开关保护电路和第二开关保护电路的过电压钳位值是低于正放电开关模块和负放电开关模块的击穿电压的一个恒定值，以保护正放电开关模块和负放电开关模块中的Mos栅控晶闸管。

进一步地，微型高压充电模块包括供电电源、EMC、半桥电路、故障反馈电路、开关变压器、正压倍压电路、正压防反压电路、正压采样电路、降压和控制供电电路、驱动电路、主控电路、充电检测电路、第一光电隔离芯片、第二光电隔离芯片、负压倍压电路、负压采样电路、负压防反压电路、延时电路、充电电压比较器和负载；

供电电源通过EMC分别与半桥电路以及降压和控制供电电路连接；主控电路通过驱动电路与半桥电路连接；半桥电路经故障反馈电路与主控电路连接；正压倍压电路分别与充电过开关变压器分别与正压倍压电路和负压倍压电电压比较器和充电检测电路连接；负压倍压电路通过负压采样电路与充电检测电路连接；充电检测电路通过第二光电隔离芯片输出故障信号；第一光电隔离芯片的一端输入使能信号，另一端分别连接延时电路和充电电压比较电路；正压倍压电路通过正压防反压电路与负载连接；负压倍压电路通过负压防反压电路与负载连接。

进一步地，微型高压充电模块的输入电压，即供电电源提供的电压，经EMC电路、半桥电路、开关变压器后，分别经过正压倍压电路和负压倍压电路产生正高压和负高压，同时向正负两组脉冲形成网络充电。

进一步地，触发电路包括多路正负输出的高压隔离电源模块、脉冲变压器、高速驱动器及其外围电路；每个高压隔离电源模块通过高速驱动器与脉冲变压器连接；外围电路分别与高压隔离电源模块和高速驱动器连接；

在同一磁芯上绕制一个初级绕组和多个次级绕组，以构成脉冲变压器；其中，初级绕组接收到控制电路的触发信号，多个次级绕组上同时得到前沿和幅值相同的电压信号，而高速驱动器的传输延时取决于输入信号的幅值和前沿。

进一步地，触发电路与控制电路和微型高压充电模块共用低压输入，高压隔离电源模块用于将低压输入、放电开关模块以及处于不同电位的开关隔离；脉冲变压器的初级绕组用于将正放电开关模块和负放电开关模块与控制电路隔离，将次级绕组处于不同电位的开关隔离，从而实现低压输入与放电开关之间的电气隔离。

由于采用了上述技术方案，本发明具有如下的优点：本发明不需要外接高压充电机即可作为高压脉冲电源独立使用，也可作为基本单元通过感应叠加方式构建脉冲功率源系统，实现脉冲功率源的紧凑化和小型化。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明实施例中记载的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明实施例的一种充放电一体化脉冲产生模块的系统框图；

图2为本发明实施例的一种充放电一体化脉冲产生模块的电路拓扑示意图；

图3为本发明实施例的MCT串并联结构示意图；

图4为本发明实施例的微型高压充电模块结构框图；

图5为本发明实施例的触发电路示意图。

具体实施方式

结合附图和实施例对本发明作进一步说明，所描述的实施例仅是本发明实施例一部分实施例，而不是全部的实施例。本领域普通技术人员所获得的所有其他实施例，都应当属于本发明实施例保护的范围。

参见图1，本发明提供了一种充放电一体化脉冲产生模块的实施例，其包括低压电路和高压电路；低压电路包括低压输入接口、触发电路和控制电路；高压电路包括正脉冲形成网络(脉冲形成网络(+))、第一开关保护电路、正放电开关模块、第一隔离电阻、微型高压充电模块、第二隔离电阻、负脉冲形成网络(脉冲形成网络(-))、第二开关保护电路、负放电开关模块和高压输出接口；控制电路根据正脉冲形成网络和负脉冲形成网络的电容量，调节充电时间，向微型高压充电模块的使能信号端口发出充电信号，控制充电电压的高低；触发电路用于为正放电开关模块和负放电开关模块提供同步的触发信号；

触发电路的输出端分别与正放电开关模块和负放电开关模块的输入端连接；控制电路的输出端分别与触发电路和微型高压充电模块的输入端连接；低压输入接口的输出端分别与触发电路和微型高压充电模块的输入端连接；低压输入接口的输出端与控制电路的输入端连接；正脉冲形成网络的输出端分别与第一开关保护电路和高压输出接口连接；第一开关保护电路的输出端与正放电开关模块的输入端连接；负脉冲形成网络的输出端分别与第二开关保护电路和高压输出接口连接；第二开关保护电路的输出端与负放电开关模块的输入端连接；微型高压充电模块的输出端通过第一隔离电阻与正脉冲形成网络的输入端连接；微型高压充电模块的输出端通过第二隔离电阻与负脉冲形成网络的输入端连接。

低压输入接口由低压直流电源供电，经模块处理后，高压输出接口获得高压大电流脉冲。本发明不需要外接高压充电机即可作为高压脉冲电源独立使用，也可作为基本单元通过感应叠加方式构建脉冲功率源系统，实现脉冲功率源的紧凑化和小型化。

触发电路和微型高压充电模块共同实现低压电路和高压电路之间的电气隔离。直流电源通过低压输入接口向模块供电，经微型高压充电模块升压为数千伏，微型高压充电模块同时输出正、负高压，通过第一隔离电阻和第二隔离电阻分别向脉冲形成网络(+)和脉冲形成网络(-)充电；直流电源同时通过低压输入接口向控制电路和触发电路供电，当脉冲形成网络充电完成之后，控制电路向触发电路发出信号，触发电路使放电开关导通，脉冲形成网络放电，高压输出接口处接负载，在负载上获得高压大电流脉冲。

具体电路拓扑如图2所示。正脉冲形成网络和负脉冲形成网络放电均为双线(blumlein脉冲形成线)结构，微型高压充电模块的正、负输出分别通过隔离电阻接脉冲形成网络(PFN)+和脉冲形成网络(PFN)-的传输线1(第一传输线)的1号端口，两脉冲形成线共地，即传输线1的4号端口均与微型高压充电模块GND直接相连，传输线2(第二传输线)的4号端口通过高压输出接口接负载，经负载形成充电回路，完成脉冲形成网络双线充电。充电模块与脉冲形成网络之间的隔离电阻为高能陶瓷电阻，用于隔离脉冲形成网络在放电过程中产生的脉冲高压，保护充电模块。其中，正脉冲形成网络和负脉冲形成网络均具有第一传输线和第二传输线；第一传输线和第二传输线均包括第一端口、第二端口、第三端口和第四端口；第一端口和第二端口分别位于第一传输线的两端；第三端口和第四端口分别位于第一传输线的两端。

脉冲形成网络的传输线1的1号、3号端口之间接放电开关模块，放电开关为Mos栅控晶闸管(MCT)，开关具备高压、大电流、低抖动、长寿命等特点，此外，MCT具备反向通流能力，无需反向并联二极管，多个开关串并联组成开关模块，开关串并联方式如图3所示，给MCT并联高压电阻以实现静态均压。按照高电位接阳极(A)、低电位接阴极(K)的原则，对于脉冲形成网络+，其传输线1的1号端口接开关模块总的A，3号端口接K，而脉冲形成网络+由于充电电压为负，接线方向相反。放电开关与脉冲形成网络之间配置一组开关保护电路，保护电路构成为TVS串联功率电阻、压敏电阻，并联于MCT的阳极A和阴K之间，吸收脉冲形成网络上反射回的脉冲电压，将过电压钳位于低于开关模块击穿电压的一恒定值，保护MCT开关。

参见图4，微型高压充电模块包括供电电源、EMC、半桥电路、开关变压器、正压倍压电路、正压防反压电路、正压采样电路、降压和控制供电电路、驱动电路、主控电路、充电检测电路、负压倍压电路、负压采样电路、负压防反压电路、延时电路、充电电压比较器和负载；

供电电源通过EMC分别与半桥电路以及降压和控制供电电路连接；主控电路通过驱动电路与半桥电路连接；半桥电路经故障反馈电路与主控电路连接；正压倍压电路分别与充电过开关变压器分别与正压倍压电路和负压倍压电电压比较器和充电检测电路连接；负压倍压电路通过负压采样电路与充电检测电路连接；充电检测电路通过第二光电隔离芯片输出故障信号；第一光电隔离芯片的一端输入使能信号，另一端分别连接延时电路和充电电压比较电路；正压倍压电路通过正压防反压电路与负载连接；负压倍压电路通过负压防反压电路与负载连接。

微型高压充电模块输入电压+24/48V，经输入EMC电路、半桥、开关变压器、倍压电路产生正负高压，同时向正负两组脉冲形成网络充电，充电方式为脉冲充电，控制电路根据脉冲形成网络的电容量调节充电时间，向微型高压充电模块使能信号端口发出充电信号，从而控制充电电压高低，最高可充电至±8kV。

触发电路给放电开关模块提供同步的触发信号，同时具备高压隔离功能。参见图5，触发电路包含多路正负输出高压隔离电源模块、脉冲变压器、高速驱动器及其外围电路。每个高压隔离电源模块通过高速驱动器与脉冲变压器连接；外围电路分别与高压隔离电源模块和高速驱动器连接；

在同一磁芯上绕制一个初级绕组和多个次级绕组，以构成脉冲变压器；其中，初级绕组接收到控制电路的触发信号，多个次级绕组上同时得到前沿和幅值相同的电压信号，而高速驱动器的传输延时取决于输入信号的幅值和前沿，因此触发电路具有低延迟、低抖动、一致性好的特点，保证串联的开关被同时触发。触发电路与控制电路、微型高压充电模块共用低压输入，隔离电源将低压输入和放电开关模块、处于不同电位的开关隔离，脉冲变压器初级绕组将放电开关模块与控制电路隔离、次级级绕组处于不同电位的开关隔离，从而实现低压输入与放电开关之间的电气隔离。

最后应当说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对其限制，尽管参照上述实施例对本发明进行了详细的说明，所属领域的普通技术人员应当理解：依然可以对本发明的具体实施方式进行修改或者等同替换，而未脱离本发明精神和范围的任何修改或者等同替换，其均应涵盖在本发明的权利要求保护范围之内。

Claims (10)

1.一种充放电一体化脉冲产生模块，其特征在于，包括低压电路和高压电路；低压电路包括低压输入接口、触发电路和控制电路；

高压电路包括正脉冲形成网络、第一开关保护电路、正放电开关模块、第一隔离电阻、微型高压充电模块、第二隔离电阻、负脉冲形成网络、第二开关保护电路、负放电开关模块和高压输出接口；控制电路根据正脉冲形成网络和负脉冲形成网络的电容量，调节充电时间，向微型高压充电模块的使能信号端口发出充电信号，控制充电电压的高低；触发电路用于为正放电开关模块和负放电开关模块提供同步的触发信号；

触发电路的输出端分别与正放电开关模块和负放电开关模块的输入端连接；控制电路的输出端分别与触发电路和微型高压充电模块的输入端连接；低压输入接口的输出端分别与触发电路和微型高压充电模块的输入端连接；低压输入接口的输出端与控制电路的输入端连接；正脉冲形成网络的输出端分别与第一开关保护电路和高压输出接口连接；第一开关保护电路的输出端与正放电开关模块的输入端连接；负脉冲形成网络的输出端分别与第二开关保护电路和高压输出接口连接；第二开关保护电路的输出端与负放电开关模块的输入端连接；微型高压充电模块的输出端通过第一隔离电阻与正脉冲形成网络的输入端连接；微型高压充电模块的输出端通过第二隔离电阻与负脉冲形成网络的输入端连接。

2.根据权利要求1所述的充放电一体化脉冲产生模块，其特征在于，

触发电路和微型高压充电模块共同实现低压电路和高压电路之间的电气隔离；直流电源通过低压输入接口向模块供电，经微型高压充电模块升压，微型高压充电模块同时输出正、负高压，通过第一隔离电阻向正脉冲形成网络充电，同时通过第二隔离电向负脉冲形成网络充电；直流电源同时通过低压输入接口向控制电路和触发电路供电，当正脉冲形成网络和负脉冲形成网络充电完成之后，控制电路向触发电路发出信号，触发电路使正放电开关模块和负放电开关模块导通，正脉冲形成网络和负脉冲形成网络放电，高压输出接口处接负载，在负载上获得高压大电流脉冲。

3.根据权利要求1所述的充放电一体化脉冲产生模块，其特征在于，正脉冲形成网络和负脉冲形成网络放电均为双线结构，微型高压充电模块的正、负输出端分别通过第一隔离电阻和第二隔离电阻连接正脉冲形成网络和负脉冲形成网络的第一传输线的第一端口，两脉冲形成线共地，即第一传输线的第四端口均与微型高压充电模块的接地端直接相连，第二传输线的第四端口通过高压输出接口连接负载，经负载形成充电回路，完成脉冲形成网络双线充电；其中，正脉冲形成网络和负脉冲形成网络均具有第一传输线和第二传输线；第一传输线和第二传输线均包括第一端口、第二端口、第三端口和第四端口；第一端口和第二端口分别位于第一传输线的两端；第三端口和第四端口分别位于第一传输线的两端。

4.根据权利要求3所述的充放电一体化脉冲产生模块，其特征在于，第一隔离电阻和第二隔离电阻均为高能陶瓷电阻，用于隔离正脉冲形成网络和负脉冲形成网络在放电过程中产生的脉冲高压，以保护微型高压充电模块；正脉冲形成网络的第一传输线的第一端口和第三端口之间连接正放电开关模块，负脉冲形成网络的第一传输线的第一端口和第三端口之间连接负放电开关模块；其中，正放电开关模块和负放电开关模块均为Mos栅控晶闸管。

5.根据权利要求4所述的充放电一体化脉冲产生模块，其特征在于，Mos栅控晶闸管具备反向通流能力，无需反向并联二极管，多个Mos栅控晶闸管串并联组成正放电开关模块和负放电开关模块；对于正脉冲形成网络，其第一传输线的第一端口连接正放电开关模块的阳极，第三端口连接阴极；对于负脉冲形成网络，其第一传输线的第一端口连接负放电开关模块的阳极，第三端口接阴极。

6.根据权利要求4所述的充放电一体化脉冲产生模块，其特征在于，第一开关保护电路和第二开关保护电路的构成均为TVS串联功率电阻和压敏电阻并联于Mos栅控晶闸管的阳极和阴极之间，吸收正脉冲形成网络和负脉冲形成网络上反射回的脉冲电压，第一开关保护电路和第二开关保护电路的过电压钳位值是低于正放电开关模块和负放电开关模块的击穿电压的一个恒定值，以保护正放电开关模块和负放电开关模块中的Mos栅控晶闸管。

7.根据权利要求1所述的充放电一体化脉冲产生模块，其特征在于，微型高压充电模块包括供电电源、EMC、半桥电路、故障反馈电路、开关变压器、正压倍压电路、正压防反压电路、正压采样电路、降压和控制供电电路、驱动电路、主控电路、充电检测电路、第一光电隔离芯片、第二光电隔离芯片、负压倍压电路、负压采样电路、负压防反压电路、延时电路、充电电压比较器和负载；

供电电源通过EMC分别与半桥电路以及降压和控制供电电路连接；主控电路通过驱动电路与半桥电路连接；半桥电路经故障反馈电路与主控电路连接；正压倍压电路分别与充电过开关变压器分别与正压倍压电路和负压倍压电电压比较器和充电检测电路连接；负压倍压电路通过负压采样电路与充电检测电路连接；充电检测电路通过第二光电隔离芯片输出故障信号；第一光电隔离芯片的一端输入使能信号，另一端分别连接延时电路和充电电压比较电路；正压倍压电路通过正压防反压电路与负载连接；负压倍压电路通过负压防反压电路与负载连接。

8.根据权利要求6所述的充放电一体化脉冲产生模块，其特征在于，微型高压充电模块的输入电压，即供电电源提供的电压，经EMC电路、半桥电路、开关变压器后，分别经过正压倍压电路和负压倍压电路产生正高压和负高压，同时向正负两组脉冲形成网络充电。

9.根据权利要求1所述的充放电一体化脉冲产生模块，其特征在于，触发电路包括多路正负输出的高压隔离电源模块、脉冲变压器、高速驱动器及其外围电路；每个高压隔离电源模块通过高速驱动器与脉冲变压器连接；外围电路分别与高压隔离电源模块和高速驱动器连接；

在同一磁芯上绕制一个初级绕组和多个次级绕组，以构成脉冲变压器；其中，初级绕组接收到控制电路的触发信号，多个次级绕组上同时得到前沿和幅值相同的电压信号，而高速驱动器的传输延时取决于输入信号的幅值和前沿。

10.根据权利要求6所述的充放电一体化脉冲产生模块，其特征在于，触发电路与控制电路和微型高压充电模块共用低压输入，高压隔离电源模块用于将低压输入、放电开关模块以及处于不同电位的开关隔离；脉冲变压器的初级绕组用于将正放电开关模块和负放电开关模块与控制电路隔离，将次级绕组处于不同电位的开关隔离，从而实现低压输入与放电开关之间的电气隔离。