CN204578389U - 大功率脉冲沿时间可调节交直流电源 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种大功率脉冲沿时间可调节交直流电源，包括：整流电源模块、稳态直流电源模块、脉冲沿调节模块和换向模块。针对脉冲稳态过程，本实用新型采用所述整流电源模块和所述稳态直流电源模块向负载输出直流电能；而针对脉冲上升沿和下降沿的瞬态过程，本实用新型采用所述脉冲沿调节模块控制电源和负载之间的电能交换，从而调节脉冲跳变沿的时间；所述换向模块再将所述稳态直流电源模块和所述脉冲沿调节模块有机的结合在一起，通过控制系统实时控制电源向磁铁或线圈负载输出脉冲交流或直流电能。本实用新型相对于现有大功率脉冲或方波电源主电路拓扑和控制系统异常复杂等问题，具有主电路拓扑和控制系统简单，系统总成本低以及可靠性高等显著优点。

Description

大功率脉冲沿时间可调节交直流电源

技术领域

本实用新型属大功率电力电子装置技术领域。涉及一种应用于高能物理研究、海上石油勘探以及脉冲电镀等领域的大功率脉冲或方波电源，这些领域对于电源输出脉冲或方波的上升、下降沿时间有严格要求，一般需要动态调节电源脉冲上升、下降沿时间。

背景技术

在诸如高能物理研究领域所应用的磁铁电源、海上石油勘探领域所应用的线圈激励电源等应用场合，脉冲或方波电源向负载磁铁或负载线圈提供一定幅度和形状的脉冲或方波电流，让负载磁铁或线圈内的磁场按脉冲或方波电流的幅度和形状做周期性的变化。在这些应用场合中，对于电源的输出脉冲或方波电流的上升沿和下降沿时间有明确的指标要求，有时还需进行动态调节，例如在一种输出脉冲电流为6500A的注入凸轨磁铁脉冲电源技术参数中，要求脉冲上升时间小于500us，而脉冲下降时间为150～400us。目前，现有技术生产制造的此类电源，主电路大多采用由多组H桥串并联的拓扑电路(H桥的并联起分流作用，H桥的串联起分压作用)，而且每组H桥桥臂又由多个桥臂并联组成；控制系统采用多个闭环反馈控制，用信号发生器对给定波形编程，将给定波形与电源输出脉冲电流进行比较，通过反馈控制系统产生PWM脉冲信号，控制IGBT驱动脉冲占空比，使电源输出脉冲电流跟踪给定波形，成为受程序控制的脉冲电流。这种脉冲或方波电源方案虽然能满足脉冲沿控制的目标，但主电路拓扑结构太复杂，一般需采用数十组H桥串并联，功率器件IGBT数量可达上百只；如此复杂的主电路拓扑必然导致控制系统的复杂，需很好的解决串并联H桥的均压、均流以及驱动脉冲一致性等等很多问题。另外，这种电源方案势必成本高、体积大，且可靠性低。

实用新型内容

本实用新型提出了一种新型的大功率脉冲沿时间可调节交直流电源，采用稳态供电电路和脉冲沿时间调节电路相结合的方式为磁铁或线圈负载提供脉冲或方波电流，旨在提出一种简单、高性价比的脉冲沿时间可调节的脉冲或方波电源方案。

为实现上述目标，本实用新型提出的技术方案如下。

一种大功率脉冲沿时间可调节交直流电源，主要由整流电源模块32、稳态直流电源模块33、脉冲沿调节模块34；换向模块35，磁铁或线圈负载36组成，其中，脉冲沿调节模块34用于控制在脉冲上升沿或下降沿瞬态过程中向负载释放能量或储存负载回馈的能量并同时对自身内部能量进行调节；换向模块35用于在负载处于稳态时将所述稳态直流电源模块输出的直流电能周期性的进行换向，使负载磁铁或线圈既能得到直流电能也能得到交流电能；当负载处于脉冲上升沿或下降沿的瞬态过程时，用于控制所述脉冲沿调节模块与负载之间能量交换的方向；其特征在于，整流电源模块输入端与三相供电电网连接，输出端与所述稳态直流电源模块输入端连接；稳态直流电源模块输入端与所述整流电源模块输出端连接，输出端与所述脉冲沿调节模块输出端以及所述换向模块输入端连接；脉冲沿调节模块输入端与三相供电电网连接，输出端与所述稳态直流电源模块输出端以及所述换向模块输入端连接；换向模块输入端与所述稳态直流电源模块输出端以及所述脉冲沿调节模块输出端连接，输出端的两端分别与负载两端连接。

在本实用新型的结构中：

整流电源模块32，用于将三相交流供电电压转换为电压幅值恒定或可调节的直流脉动电压，为后级功率变换模块提供直流电能；稳态直流电源模块，将整流电源模块变换的直流脉动电压转换为更平滑且幅值可调节的高频直流电能，用于提供负载在稳态过程中所需的直流电能；脉冲沿调节模块，用于控制在脉冲上升沿或下降沿瞬态过程中向负载释放能量或储存负载回馈的能量，同时对自身内部能量进行调节，以达到满足脉冲沿所要求调节时间内必须的能量要求；换向模块，在负载处于稳态时，所述换向模块将所述稳态直流电源模块输出的直流电能周期性的进行换向，使负载磁铁或线圈既能得到直流电能也能得到交流电能；当负载处于脉冲上升沿或下降沿的瞬态过程时，所述换向模块用于控制所述脉冲沿调节模块与负载之间能量交换的方向。整流电源模块输入端与三相供电电网相连接，包括三相进线电抗器、三相全桥整流电路、平波电抗器以及直流支撑电容。所述三相进线电抗器输入端与三相供电电网连接，输出端与所述三相全桥整流电路连接，主要用于限制电网电压突变和操作过电压引起的电流冲击。所述三相整流电路输入端与所述三相电抗器输出端连接，输出端正极与所述平波电抗器输入端连接，输出端负极与所述直流支撑电容负极连接，采用三相不控或半控或全控桥式整流电路，用于将三相交流电压变换为幅值可调或恒定的直流电压。所述平波电抗器输入与所述三相整流电路输出端正极连接，输出与所述直流支撑电容正极连接，主要用于抑制直流脉动电压的纹波。所述直流支撑电容正极与所平波电抗器述输出端连接，负极与所述三相整流电路输出端负极连接，对所述三相整流电路的输出电压进行平滑滤波，同时吸收来自于后级变换器的高幅值脉动电流，使直流母线电压波动保持在允许范围内。所述直流支撑电容的正负极分别作为所述整流电源模块输出端正负极。

稳态直流电源模块33的输入端与所述整流电源模块的直流输出端相连接，具体为输入端正极与所述直流支撑电容的正极连接，负极与所述直流支撑电容的负极连接。所述稳态直流电源模块输出预先设定幅值的直流电，提供负载在稳态过程中所需的直流电能，可以采用多种非隔离或隔离的DC-DC拓扑电路，例如Buck、Boost、Buck-Boost或全桥电路等，具体根据实际应用场合择优选取电路拓扑结构，本说明书中以Buck电路为例进行阐述。采用Buck拓扑电路的稳态直流电源模块包括全控型功率半导体器件(如IGBT)，续流二极管，输出电抗器以及输出电容；所述功率器件IGBT集电极与所述直流支撑电容正极连接，发射极与所述续流二极管阴极连接，所述续流二极管阳极与所述直流支撑电容负极连接，所述输出电抗器输入端与续流二极管阴极连接，输出端与所述输出电容正极连接，所述输出电容负极与所述续流二极管阳极连接。所述输出电容的正负极分别作为所述稳态直流电源模块的输出正负极。

脉冲沿调节模块34输入端与三相供电电网连接，包括三相进线电抗器、三相全控桥整流电路、电子开关以及储能电容。所述三相进线电抗器和所述三相全控桥整流电路组成一个三相PWM整流器。所述三相进线电抗器输入端与三相供电电网连接，输出端与所述三相全控桥整流电路输入端连接。所述三相全控桥整流电路输出端正极与所述电子开关发射极连接，输出端负极与所述储能电容负极连接。所述储能电容正极与所述电子开关集电极连接，负极与所述三相全控桥整流电路输出负极连接。当所述储能电容能量不够时，所述三相PWM整流器将三相供电电网交流电能变换为直流电能，为所述储能电容充电；当所述储能电容能量足够多，超过其额定容量时，所述三相PWM整流器将所述储能电容存储的多余电能逆变回馈回三相供电电网。由于供电电网和所述储能电容间的能量需双向流动，所述三相全控桥整流电路必须采用全控型功率半导体器件，如IGBT。所述电子开关用于控制供电电网和所述储能电容间以及磁铁或线圈负载和所述储能电容间能量流动的方向，可以采用全控型的功率半导体器件，如带反并联续流二极管的IGBT。所述电子开关集电极与所述储能电容正极连接，所述电子开关发射极与所述三相全控桥整流电路输出正极连接。所述电子开关发射极作为所述脉冲沿调节模块输出正极，所述储能电容负极作为所述脉冲沿调节模块输出负极。

换向模块35在稳态过程中将所述稳态直流电源模块输出的直流电能变换为周期性的交流电能输送给负载，在脉冲上升沿或下降沿的瞬态过程中，通过对功率半导体器件的开通、关断控制所述脉冲沿调节模块与磁铁或线圈负载间能量交换的方向。所述换向模块由一组(或多组并联的)H桥变换器组成，H桥变换器由四只电流能双向流动的全控型功率半导体器件(如带反并联续流二极管的IGBT)组成。在稳态过程中，通过周期性的轮流开通、关断所述H桥变换器中处于对角线的两只功率半导体器件，将所述稳态直流电源模块输出的直流电能变换为交流电能传递给负载；在脉冲沿上升的瞬态过程中，通过开通IGBT器件将所述脉冲沿调节模块内部存储的能量快速向磁铁或线圈负载释放，满足负载对于脉冲电源上升速率的要求；在脉冲沿下降的瞬态过程中，将IGBT器件关断，磁铁或线圈负载在稳态过程中存储的能量经过IGBT反并联的续流二极管快速向所述脉冲沿调节模块单元释放，满足负载对于脉冲电源下降速率的要求。换向模块输入端正极与所述稳态直流电源模块中输出电容正极连接，负极与输出电容负极连接。H桥变换器超前桥臂的中点作为所述换向模块输出端一端，滞后桥臂的中点作为所述换向模块输出端的另一端。

整流电源模块输入端与三相供电电网连接，输出端与所述稳态直流电源模块输入端连接。稳态直流电源模块输入端与所述整流电源模块输出端连接，输出端与所述脉冲沿调节模块输出端以及所述换向模块输入端连接。脉冲沿调节模块输入端与三相供电电网连接，输出端与所述稳态直流电源模块输出端以及所述换向模块输入端连接。换向模块输入端与所述稳态直流电源模块输出端以及所述脉冲沿调节模块输出端连接，输出端的两端分别与负载两端连接。

本实用新型的上述技术方案相比现有技术方案具有以下优点。

脉冲电源输出脉冲可分解为脉冲稳态过程和脉冲跳变沿瞬态过程两部分，针对脉冲稳态过程，本实用新型采用所述稳态直流电源模块向负载输出预先设定好的直流电能，而针对脉冲上升沿和下降沿的瞬态过程，本实用新型采用所述脉冲沿调节模块控制电源和负载之间的能量流动，从而调节脉冲跳变沿的变化速率，满足负载对于电源输出脉冲上升时间和下降时间的要求。本实用新型将脉冲电源分解为两个电源模块，通过控制系统将两个电源模块有机的结合起来，大大简化了电源主电路拓扑和控制系统的复杂度，降低了电源的总成本，提高了电源的可靠性。本实用新型采用的所述换向模块不仅能很方便的实现交直流脉冲的输出，而且通过控制开关器件的开通关断便能控制所述脉冲调节模块与负载之间的能量传递方向，非常灵活。

附图说明

图1为本实用新型大功率脉冲沿时间可调节交直流电源的系统示意框图。

图2为本实用新型大功率脉冲沿时间可调节交直流电源实施例的主电路拓扑图；图中附图标记表示为：31—三相供电电网；32—整流电源模块；33—稳态直流电源模块；34—脉冲沿调节模块；35—换向模块；36—磁铁或线圈负载。

图3为本实用新型大功率脉冲沿时间可调节交直流电源实施例的输出电流波形示意图；图中附图标记表示为：tr—脉冲上升沿瞬态过程；ts—脉冲稳态过程；tf—脉冲下降沿瞬态过程。

具体实施方式

下面，结合附图，对本实用新型的结构作进一步的详述。

图2所示为上述所提出技术方案的一种具体电路实现方式，包括：三相供电电网31，整流电源模块32，稳态直流电源模块33，脉冲沿调节模块34，换向模块35以及磁铁或线圈负载36。

整流电源模块32采用三相全桥不控整流电路拓扑，包括三相进线电抗器L1、整流二极管D1～D6、平波电抗器L2以及直流支撑电容C1；其中三相进线电抗器L1主要用于限制电网电压突变和操作过电压引起的电流冲击；整流二极管D1～D6组成一个三相不控整流桥，完成AD-DC电能变换，将所述三相供电电网31的三相交流电压变换为幅值恒定的直流脉动电压；平波电抗器L2和直流支撑电容C1组成一个直流滤波器，主要用于抑制直流脉动电压的纹波，另外，直流支撑电容C1还能同时吸收来自于后级所述稳态直流电源模块的高幅值脉动电流，使直流侧母线电压波动保持在允许范围内。

稳态直流电源模块33采用Buck降压斩波电路拓扑，完成DC-DC电能变换，在如图3所示脉冲稳态阶段ts时间段内向磁铁或线圈负载36提供直流电能，包括IGBT Q1、续流二极管D7、输出电抗器L3以及输出滤波电容C2；Buck斩波电路不仅能将所述整流电源模块32变换的直流脉动电压调节为更加平滑的直流电压，同时还能将所述整流电源模块32变换的幅值恒定的直流电压变换为幅值可自由调节的直流电压；当电源工作与电压源模式时，采集输出滤波电容C2两端的电压作为闭环反馈量，控制所述稳态直流电源模块33的输出电压按预先设定值输出；当电源工作于电流源模式时，采集流过输出电抗器L3上电流经输出滤波电容C2滤波后的电流分量作为闭环反馈量，控制所述稳态直流电源模块33的输出电流按预先设定值输出。

脉冲沿调节模块34在如图3所示脉冲上升沿tr时间段向磁铁或线圈负载释放电能，加速脉冲上升沿的上升速率，在如图3所示脉冲下降沿tf时间段内吸收磁铁或线圈负内载释放的电能，加速脉冲下降沿的下降速率；所述脉冲沿调节模块34包括：三相进线电抗器L4、整流IGBT Q6～Q11、充当电子开关的IGBT Q12以及储能电容C3；其中三相进线电抗器L4和整流IGBT Q6～Q11组成一个三相PWM整流器，当储能电容C3存储的电能不足以维持脉冲上升沿所要求的上升速率时，PWM整流器工作于整流状态，电子开关Q12处于关断状态，供电电网通过PWM整流器和Q12的反并联续流二极管向储能电容C3充电；在脉冲下降沿过程中，电子开关Q12处于开通状态，磁铁或线圈负载在稳态时存储的电能通过Q12向储能电容C3充电，当负载释放的电能超过储能电容C3的额定容量时，PWM整流器工作于逆变状态，将多余的电能回馈至供电电网，保证储能电容C3的安全可靠性。

换向模块35采用H桥拓扑电路，既能将所述稳态直流电源模块33的直流输出电压变换为交流输出电压，也可保持原有直流输出电压；H桥包括Q2～Q5四只IGBT；当超前桥臂上管Q2和滞后桥臂下管Q4导通时，磁铁或线圈负载36上得到的电压方向与所述稳态直流电源模块33输出电压方向一致，当超前桥臂下管Q3和滞后桥臂上管Q5导通时，磁铁或线圈负载36上得到的电压方向与所述稳态直流电源模块33输出电压方向相反；通过周期性的开通关断Q2、Q4以及Q3、Q5即可在磁铁或线圈负载36上得到正负交替的交流电压；当不需输出交流电压时，将Q2、Q4开关对或Q3、Q5开关对一直开通，仍可在磁铁或线圈负载36上得到直流电压。

以上所述，仅为本实用新型所提出技术方案的一种具体电路实现形式，但本实用新型的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本实用新型阐述的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本实用新型的保护范围之内。

Claims (3)

1.一种大功率脉冲沿时间可调节交直流电源，主要由整流电源模块(32)、稳态直流电源模块(33)、脉冲沿调节模块(34)；换向模块(35)，磁铁或线圈负载(36)组成，其中，脉冲沿调节模块(34)用于控制在脉冲上升沿或下降沿瞬态过程中向负载释放能量或储存负载回馈的能量并同时对自身内部能量进行调节；换向模块(35)用于在负载处于稳态时将所述稳态直流电源模块输出的直流电能周期性的进行换向，使负载磁铁或线圈既能得到直流电能也能得到交流电能；当负载处于脉冲上升沿或下降沿的瞬态过程时，用于控制所述脉冲沿调节模块与负载之间能量交换的方向；其特征在于，整流电源模块输入端与三相供电电网连接，输出端与所述稳态直流电源模块输入端连接；稳态直流电源模块输入端与所述整流电源模块输出端连接，输出端与所述脉冲沿调节模块输出端以及所述换向模块输入端连接；脉冲沿调节模块输入端与三相供电电网连接，输出端与所述稳态直流电源模块输出端以及所述换向模块输入端连接；换向模块输入端与所述稳态直流电源模块输出端以及所述脉冲沿调节模块输出端连接，输出端的两端分别与负载两端连接。

2.根据权利要求1所述大功率脉冲沿时间可调节交直流电源，其特征在于，所述脉冲沿调节模块由三相PWM整流器、电子开关以及储能电容组成；所述换向模块由一组或多组并联的H桥变换器组成；H桥变换器由四只电流能双向流动的全控型功率半导体器件。

3.根据权利要求2所述大功率脉冲沿时间可调节交直流电源，其特征在于，所述H桥变换器为带反并联续流二极管的IGBT。