CN202550918U - 一种全固态高压脉冲电源装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种全固态高压脉冲电源装置，是由直流电源、控制器及固态开关组成，固态开关、直流电源均与控制器连接，且固态开关的输入端与直流电源连接。本实用新型不会受到频率及脉宽的影响，只要控制固态开关的导通与关断就可实现所需的脉冲，上升沿快，顶部无振荡，使用也极其简单，可以实现任意频率及占空比的脉冲电源。

Description

一种全固态高压脉冲电源装置

技术领域

本实用新型涉及脉冲电源装置领域，具体是一种全固态高压脉冲电源装置。

背景技术

一直以来，对于等离子体放电、环境保护、污水处理以及饮料杀菌等领域使用的脉冲电源，多为桥式开关电路推变压器，次级直接输出的方式实现。此种脉冲电源，频率调节范围窄（开关变压器的开关频率范围窄）、体积大（在频率较低时开关变压器的体积会非常大）、输出波形差（变压器的分布参数对输出波形影响很大）、可靠性差（抗打火能力差）等缺点。

实用新型内容

本实用新型要解决的技术问题是提供一种一种全固态高压脉冲电源装置，采用高压直流电源与固态开关串联，形成对负载的放电回路，达到对负载的脉冲放电，可实现电压至100kV、电流至200A、任意频率及脉宽、百纳秒前后沿的脉冲电源。

本实用新型的技术方案为：

一种全固态高压脉冲电源装置，它是由直流电源、控制器及固态开关组成，所述的固态开关、直流电源均与控制器连接，且固态开关的输入端与直流电源连接。

所述的全固态高压脉冲电源装置包括多组相互连接的直流电源和固态开关，且每个直流电源和固态开关均与控制器连接。

所述的固态开关的输出端连接有限流电阻。

所述的直流电源的正负极之间并联有放电电阻。

所述的直流电源的作用是产生直流高压；所述的固态开关的导通与关断将直流高压转换为脉冲高压输出；所述的控制器实现开关机、触发脉冲产生、保护等功能，开关机即为控制整个脉冲电源的工作与停止，触发脉冲产生是自身产生所需要高压输出对应的TTL信号，简单处理后送到固态开关，控制固态开关的开启与关断，实现所需的脉冲高压输出。

固态开关采用大量的MOSFET、IGBT通过串联及并联，并通过紧凑，合理的布局组成，自身包含驱动电路的一个小体积的组件，实现对开关管的开关控制。对于驱动组件，＋15V给其供电，TTL信号输入通过处理送到脉冲变压器初级。变压器初级采用单根高压线穿磁环方式，从而隔离了次级高压。当TTL信号为0V时，开关停止工作；当信号为＋5V时，开关连续工作。MOSFET及IGBT串联数量由输出脉冲高压决定，并联数量由输出脉冲电流决定。

对于多个固态开关，次级采用多个磁环串联，推动多只开关管，初级的驱动信号通过磁环耦合到次级，控制开关管导通与截止，开关管导通时，高压通过开关及负载形成回路，完成对负载放电，开关截止时，开关隔开放电回路，高压不向负载放电，通过开关的导通与截止实现对负载的脉冲放电。由于开关管的驱动信号来源输入的TTL信号，因此开关管导通截止与输入信号基本保持一致，输出脉冲电压的频率与脉宽与输入TTL信号同样基本保持一致（有纳秒量级的控制传输延时），由此实现开关的工作脉宽从200nS到连续，而且即可以工作在固定的脉宽下，也可以工作在可变的脉宽下。

本实用新型的优点：

本实用新型脉冲电源，由于没有变压器，所以不会受到频率及脉宽的影响，只要控制固态开关的导通与关断就可实现所需的脉冲，上升沿快，顶部无振荡，使用也极其简单，可以实现任意频率及占空比的脉冲电源。

附图说明

图1是本实用新型实施例1的结构示意图。

图2是本实用新型实施例1的TTL信号随时间变化的波形图。

图3是本实用新型实施例2的结构示意图。

图4是本实用新型实施例2的TTL信号随时间变化的波形图。

具体实施方式

实施例1

见图1，一种全固态高压脉冲电源装置，作为±15kV饮料杀菌脉冲电源装置，包括控制器1、相互连接的正电压直流电源2a和开启固态开关3a、相互连接的负电压直流电源2b和关断固态开关3b、连接于开启固态开关3a输出端上的第一限流电阻R1、连接于关断固态开关3b输出端上的第二限流电阻R2，连接于第一限流电阻R1、第二限流电阻R2输出端与负载RL之间的第三限流电阻R3和并联于负载RL上的放电电阻R4，正电压直流电源2a、开启固态开关3a、负电压直流电源2b和关断固态开关3b均与控制器1连接。本电源装置脉冲电压±15kV，峰峰值为30kV，脉冲电流10A，重复频率为10Hz-1kHz，脉宽2μs，则单个电源平均功率为1.5kW。直流电源采用谐振式，考虑损耗，每个电源为16kV/1600W。每个固态开关采用48只MOS管串联。由于初级采用高压线隔离，因此控制驱动部分不必悬浮于高压上，而放在低压部分。

工作时，直流电源输出直流高压，控制器1产生的TTL信号送到开启固态开关，当开启固态开关3a导通时，关断固态开关3b关断，正电压直流电源2a通过开启固态开关3a、限流电阻R1与R3向负载RL放电，直到其关断，输出正脉冲电压；当关断固态开关3b导通，开启固态开关3a关断时，负电压直流电源2b通过关断固态开关3b、限流电阻R2与R3向负载RL放电，输出负脉冲电压。R4为放电电阻，起到在开启开关与关断开关都不工作时将输出电位拉到地电位的作用。

见图2，控制信号与输出波形：

开机后，两个直流电源一直处于工作状态。在t0时刻，开启关断TTL信号均为低，两个开关均处于关断状态，直流电源无法向负载放电，输出为地电位。t1时刻，开启TTL信号由低电平转为高电平，驱动MOS管，使开启开关导通，＋15kV高压直流电源通开启开关及R1、R3向负载RL放电，此时关断TTL信号为低，关断开关处于截止状态。开启开关将一直保持导通状态，保证RL上的电压一直为正高压电源电压，直至开启开关输入TTL信号在t2时刻变为低，控制驱动部分将不再给开启开关导通信号，使开启开关截止，直流电源不再对负载放电，负载回到地电位。

t2-t3时刻，开启关断TTL信号均为低，输出为地电位。

t3时刻，关断TTL信号由低变为高，关断开关导通，RL通过R2、R3及关断开关对负载放电。关断开关将一直保持导通状态，保证RL上的电压一直为负高压电源电压，直至关断开关输入TTL信号在t4时刻变为低，控制驱动部分将不再给开启开关导通信号，使开启开关截止，直流电源不再对负载放电，负载回到地电位。

t4时刻后，输出一直处于地电位，直到t5时刻开启TTL信号变为高进入下一个放电周期。

t2-t3的时间与t4-t5的时间相等，这与采用开关变压器输出的脉冲电源输出波形完全一致。

在此例中，频率和脉宽都实现了可调，体现出本实用新型的优势所在。

实施例2

见图3，一种全固态高压脉冲电源装置，作为等离子体放电脉冲电源装置，包括控制器1、相互连接的直流电源2和固态开关3，连接于固态开关3输出端和负载RL之间的限流电阻R1和并联于负载RL上的放电电阻R2，直流电源2和固态开关3分别与控制器1连接。本电源装置输出脉冲电压16kV，脉冲电流18A，重复频率10Hz-2kHz可调，脉宽为10μs-1ms,最大占空比为1%，开关部分采用24只MOS管串联。

见图4，控制信号与输出波形：

开机后，直流电源一直处于工作状态。在t0时刻， TTL信号为低，开关均处于关断状态，直流电源无法向负载放电，输出为地电位。t1时刻，TTL输入信号由低变为高，驱动组件工作，开关导通，电源通过开关向负载放电，一百纳秒内到达15kV。开关将一直保持导通状态，保证RL上的电压一直为高压电源电压，直至开关输入的TTL信号在t2时刻变为低，控制驱动部分将不再给开启开关导通信号，使开启开关截止，直流电源不再对负载放电，负载回到地电位，一直到t3时刻进入下一个周期。

Claims (4)

1.一种全固态高压脉冲电源装置，其特征在于：它是由直流电源、控制器及固态开关组成，所述的固态开关、直流电源均与控制器连接，且固态开关的输入端与直流电源连接。

2.根据权利要求1所述的一种全固态高压脉冲电源装置，其特征在于：所述的全固态高压脉冲电源装置包括多组相互连接的直流电源和固态开关，且每个直流电源和固态开关均与控制器连接。

3.根据权利要求1所述的一种全固态高压脉冲电源装置，其特征在于：所述的固态开关的输出端连接有限流电阻。

4.根据权利要求1所述的一种全固态高压脉冲电源装置，其特征在于：所述的直流电源的正负极之间并联有放电电阻。

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