CN207638629U - 适用于脉冲电源磁开关的自动复位装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了适用于脉冲电源磁开关的自动复位装置，包括脉冲变压器（T0）、脉冲发生单元，还包括磁压缩单元和磁复位单元，脉冲发生单元与磁压缩单元通脉冲变压器（T₀）连接，磁压缩单元与磁复位单元通过磁开关（S₀）连接。本实用新型旨在利用磁压缩装置中脉冲实际饱和点和脉冲最佳饱和点之间的时间差与磁感应强度变化值的上升特性，基于电压源磁复位的方式通过负反馈调节复位电容电压与复位时间来控制磁开关工作在最佳工作点，以改善脉冲电源的输出特性，提高脉冲电源的效率。

Description

适用于脉冲电源磁开关的自动复位装置

技术领域

本实用新型涉及一种适用于脉冲电源磁开关的自动复位装置，属于电力电子技术领域，主要应用于高压脉冲电源中。

背景技术

高功率磁压缩脉冲电源是利用磁芯饱和后的线圈感值的迅速变化特性，将储存的高密度能量进行快速的压缩、转换或直接释放给负载,适用于对于脉冲电源脉冲宽度要求较高的场合。

现有技术中的脉冲功率电源磁压缩技术利用电流磁复位方式，使得磁开关达到磁复位效果，但当磁开关脉冲电源使用环境发生变化时，例如变压器匝比，反应器容值的改变，电源能量传输效率可能会发生急剧下降的情形。近年来，由于脉冲电源的应用场合增加，同时对于脉冲电源的能量转换效率要求提高。

发明内容

本实用新型针对磁压缩脉冲电源中能量传输效率问题，提供一种适用于脉冲电源磁开关的自动复位装置。

本实用新型另一目的是提供一种适用于脉冲电源磁开关的自动复位方法。

本实用新型的具体技术方案如下：

一种适用于脉冲电源磁开关的磁复位装置，包括脉冲变压器T₀、脉冲发生单元，还包括磁压缩单元和磁复位单元，脉冲发生单元与磁压缩单元通脉冲变压器T₀连接，磁压缩单元与磁复位单元通过磁开关S₀连接。

本实用新型的进一步设计在于：

所述磁复位单元包括：磁开关S₀的副边、复位开关管Q₂₁，复位电容C_f，放电开关管Q₂₂，放电电感L₂和放电电阻R₂。

脉冲发生器包括：谐振开关管Q₁₁，升压整流单元，箝位二极管D_cl，箝位电阻R_cl，箝位电容C_cl，谐振电容C_c；磁压缩单元包括：高压电容C₀、磁开关S₀的原边和反应器Z₀。

所述脉冲变压器T₀一次侧连接脉冲发生器，二次侧并联磁压缩单元的高压电容C₀，磁开关S₀的原边与反应器Z₀和高压电容C₀依次串联；磁开关S₀的副边与复位开关管Q₂₁，放电开关管Q₂₂，放电电感L₂和放电电阻R₂依次串联，复位电容C_f一端接在复位开关管Q₂₁与放电开关管Q₂₂之间，另一端接在磁开关 S₀的副边与放电电阻R₂之间。

还包括采样单元和控制单元，控制单元主要采用DSP(如TMS320F28335PGFA)进行控制，脉冲电流通过采样单元采样后送到控制单元。控制单元设有模数转换单元(如AD7352)。

磁压缩单元和磁复位单元分别设有n组，每组磁压缩单元的磁开关一次侧一端经前一级电容接地，另一端连接下一级电容和下一级磁开关,并经所述下一级电容接地；每一级磁压缩单元分别连接一组独立磁复位单元。增加的每级磁压缩单元都需要采样前一级和本级磁开关电流进行比较并形成反馈信号控制每一级磁复位单元，控制方式和实例1相同。

基于上述磁复位装置的脉冲电源磁开关的磁复位方法，包括以下步骤：

1)初始化参数：复位电容电压U_Cf，开关管Q₂₁的导通时间T₂₁，ΔT_max， U_Cfmax各参数，其中U_Cf,T₂₁初始值可根据脉冲电源磁开关参数确定，ΔT_max根据脉冲电源谐振周期确定，U_Cfmax可根据实际复位电容耐压值确定。

2)采样电路检测变压器二次侧电流i_a和磁开关电流i_b，经比较单元转化为电平信号T_ia、T_ib；

3)T_ia、T_ib经控制器底板的模数转换单元后，由控制器判断T_ib上升沿时刻与T_ia上升沿时刻并分别设定为t₂₁，t₁₁，通过下式计算反馈信号ΔT，其中T为谐振发生器的谐振周期；

4)将得到的反馈信号ΔT与ΔT_max比较，当ΔT小于ΔT_max则表示进入下一步负反馈调节；否则，返回步骤2；

5)将U_Cf与U_Cfmax比较，判断控制方式，当U_Cf大于U_Cfmax则进入步骤6a，否则进入步骤6b；

6)6a按下式更新复位开关管Q₂₁的导通时间T₂₁，并以更新后的占空比控制复位开关管Q₂₁的导通时间；K₁为PI调节参数，可根据实际反馈效果进行确定。

T₂₁＝T₂₁–K₁*ΔT (2)

6b；按公式3更新复位电容电压U_Cf，并以更新后的U_Cf通过控制器控制放电开关管，调节复位电容的电压；K₂为PI调节参数，可根据实际反馈效果进行确定。

U_Cf＝U_Cf–K₂*ΔT (3)。

7)复重步骤2)至步骤6)。

本实用新型相比现有技术具有如下优点：

本实用新型针对现有技术中磁开关控制速度慢,电压传输效率低的特点,和磁开关电流与磁开关磁感应强度具有一定时间延迟的问题,提出了一种新型电压源型磁复位方法,使得控制更加快速有效,同时通过磁开关实际饱和点和最佳饱和点之间的时间差来不断修正磁复位电路中复位开关管的导通时间与复位电容电压，当脉冲电源使用环境变化时(例如负载电容、变压器匝比),可以保持较高的电压传输效率，大幅度提高了磁开关型脉冲电源的市场竞争力。

本实用新型利用电压源磁复位方式，设计了一种使得磁开关复位更加快速精准的复位电路，且无需额外复位电源。基于此电路，提出一种全新的控制方式和控制流程，通过电压型磁复位的负反馈调节方式，充分考虑成本、系统可靠性和稳定速度等因数，极大的改善了在各种使用环境下磁开关式脉冲电源的工作效率。

附图说明

图1为实施1自动磁复位脉冲电源拓扑。

图2为实施例2电路图。

图3为实施例3软件控制流程图。

图4为实施例3控制电路工作波形。

图5为实施例3复位开关管控制波形。

图6为实施例4信号转换流程图。

图7为实施例4比较器电路。

图8为实施例4硬件控制电路。

图9为实施例5控制示意图。

图10为实施例6控制示意图。

图11为实施例7电路图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本实用新型做进一步说明。

实施例1：

本实用新型适用于脉冲电源磁开关的自动磁复位装置，拓扑电路如图1所示，包括脉冲变压器T₀、脉冲发生单元，磁压缩单元和磁复位单元。

磁复位单元包括：磁开关S₀的副边、复位开关管Q₂₁，复位电容C_f，放电开关管Q₂₂，放电电感L₂和放电电阻R₂。

脉冲发生单元(器)：谐振开关管Q₁₁，升压整流单元，箝位二极管D_cl，箝位电阻R_cl，箝位电容C_cl，谐振电容C_c；

磁压缩单元包括：高压电容C₀、磁开关S₀的原边和反应器Z₀。

脉冲变压器T₀一次侧连接脉冲发生器，二次侧并联磁压缩单元的高压电容 C₀，磁开关S₀的原边与反应器Z₀和高压电容C₀依次串联；磁开关S₀的副边与复位开关管Q₂₁，放电开关管Q₂₂，放电电感L₂和放电电阻R₂依次串联，复位电容C_f一端接在复位开关管Q₂₁与放电开关管Q₂₂之间，另一端接在磁开关S₀的副边与放电电阻R₂之间。脉冲变压器T₀一次侧与脉冲发生装置串联，二次侧并联高压电容C₀，C₀一端连接磁开关S₀和反应器Z₀，且经另一端构成磁压缩回路。

实施例2：

本实用新型的磁复位单元还可采用多单元形式。

如图2所示，本实例与实施例1的不同之处在于采用多级磁复位方式来实现脉冲宽度的高压缩比，本实例中包含n个(n取2，3，4……)磁压缩单元，及 n个磁复位单元，每一组磁开关一次侧一端经前一级电容接地，另一端连接下一级电容和下一级磁开关，并经后一级电容接地。每组磁压缩单元分别设有相应的独立磁复位单元，与实例1相比，增加的每级磁压缩单元都需要采样前一级和本级磁开关电流进行比较并形成反馈信号控制每一级磁复位单元，控制方式和实例 1相同。例如，磁开关S_k-1前端连接电容C_k-1，并经C_k-1接地，后端连接后级电容 C_k和后级磁开关S_k。采样单元采样磁开关S_k-2、S_k-1电流i_k-2、i_k-1，并经控制器控制C_fk-2,C_fk-1电容电压和Q_k+11,Q_n+12的导通时间。增加的每级磁压缩单元都需要采样前一级和本级磁开关电流进行比较并形成反馈信号控制每一级磁复位单元，控制方式和实施例1相同。

实施例3：

本实用新型基于实施例1磁复位装置的脉冲电源磁开关的磁复位方法，当谐振开关管导通Q₁₁时，由于电路中的谐振作用，将在谐振电容C₀上产生高压脉冲，而变压器一次侧的升压整流单元则为其提供能源。

该方法的控制过程包括以下步骤：如图3所示：

1)初始化参数：复位电容电压U_Cf，开关管Q₂₁的导通时间T₂₁，ΔT_max， U_Cfmax，K₁，K₂各参数，其中U_Cf，T₂₁初始值可根据脉冲电源磁开关参数确定，ΔT_max根据脉冲电源谐振周期确定，U_Cfmax可根据实际复位电容耐压值确定，K₁， K₂为PI调节参数可根据实际反馈效果进行确定。

2)通过采样单元检测变压器二次侧电流i_a和磁开关中的电流i_b，并转化为电压信号；进而得到电平信号T_ia、T_ib。

3)T_ib上升沿时刻t₂₁与T_ia下降沿时刻t₁₂之差形成反馈信号ΔT，反馈信号ΔT通过PI调节控制电容电压或者复位开关管导通时间，以复位电容电压U_Cf为例，即U_Cf＝U_Cf-K*ΔT，其中K>0，所得信号波形如图4所示。按下式计算Δ T

4)其中当反馈未进入磁复位闭环时，可能会出现磁环未饱和等情况，即Δ T过大，在程序中可设定ΔT_max＝2|T_ia|(|T_ia|为i_a脉冲宽度)，当ΔT超过限定值时则不将其反馈至控制值，并重新检测电流。当ΔT小于ΔT_max则表示进入下一步负反馈调节；

当电路进入闭环控制，复位电容电压U_Cf和复位开关管导通时间T₂₁的调节方式，本实用新型先通过控制复位电容电压来使电源工作在最佳饱和点。即当 U_Cf小于U_Cfmax则更新复位开关管Q₂₁的导通时间T₂₁，并以更新后的占空比控制复位开关管Q₂₁的导通时间；

T₂₁＝T₂₁–K₁*ΔT (2)

考虑到电容耐压、系统稳定性等问题，当复位电容电压超过限定值U_Cfmax，则通过控制开关管Q₂₁的导通时间T₂₁来调节电源的工作状态。即当U_Cf大于 U_Cfmax则6b；按公式3更新复位电容电压U_Cf，并以更新后的U_Cf通过控制器控制放电开关管，调节复位电容的电压；

U_Cf＝U_Cf–K₂*ΔT (3)。

如图5所示在谐振开关Q₁₁脉冲发生信号来到之前，及时导通复位开关管 Q₂₁，并通过改变复位开关管的导通时间和调节复位电容电压来实现磁开关快速精准的磁复位。

原理说明：本实用新型适用于脉冲电源磁开关的自动复位方式，利用磁压缩装置中磁开关实际饱和点和磁开关最佳饱和点之间的时间差与磁感应强度变化值的上升特性，基于电压源磁复位的方式通过负反馈调节复位电容电压与复位时间来控制磁开关工作在最佳工作点，即通过磁开关实际饱和点和最佳饱和点之间的时间差来不断修正磁复位电路中复位开关管的导通时间与复位电容电压。

通过检测磁开关中的电流，基于磁开关电流上升沿与变压器副边电流下降沿的时间差，来确定脉冲实际饱和点和脉冲最佳饱和点之间的时间差，进而通过磁复位电路中的放电开关管控制电容电压。

磁开关电流上升沿与变压器副边电流下降沿的时间差可以由磁开关电流上升沿与变压器副边电流上升沿之间时间宽度减去变压器副边电流的半个谐振周期得到。

磁压缩过程中在磁开关二次侧产生的感应电压通过开关管的反并联二极管为复位电容充电，实现无源磁复位。

在脉冲发生信号来到之前，及时导通复位开关管，并通过改变复位开关管的导通时间和调节复位电容电压来实现磁开关快速精准的磁复位。

当变压器并联电容电压脉冲达到最大值时为最佳饱和点，而实际饱和点与最佳饱和点的时间差通过负反馈调节控制复位电容电压和复位开关管的导通时间，即实际饱和点与最佳饱和点的时间差增大时，复位电容电压或复位开关管的导通时间减小，反之亦然。

通过放电开关管控制复位电容电压的方式为：当电容电压高于控制电路的给定值时，导通放电开关管，降低电容电压；当电容电压低于控制电路的给定值时，由于放电开关管断开，则由复位开关管的反并联二极管继续为电容充电。

复位电容电压和复位开关管导通时间的调节方式为先通过控制复位电容电压来使电源工作在最佳饱和点，当复位电容电压超过限定值，则通过控制开关管的导通时间来调节电源的工作状态。

实例4：

本实例与实施例3的不同之处在于脉冲电源磁开关的磁复位过程采用硬件电路来实现，控制过程如图6所示，硬件电路如图7和图8所示。

信号转换流程图如图6所示,由采样单元得到电流信号i_a、i_b,再将电流信号转换为方便处理的电平信号T_ia,T_ib,进而由电平信号转化为反馈信号ΔT,最后转化为控制信号,控制复位电容电压或是复位开关管导通时间。

1)采样电路检测变压器二次侧电流i_a和磁开关电流i_b，经比较单元转化为电平信号T_ia、T_ib作为硬件控制模块的输入。

2)利用D触发器上升沿触发特性，通过两个D触发器串联同或门的方式， T_ia、T_ib作为两个D触发器的上升沿触发信号，经同或门逻辑电路得到T_ia、T_ib的上升沿之间的脉冲宽度，并且经过积分电路转化为电压信号。

3)电压信号和给定的参考电压进行比较(参考电压对应的是当磁开关工作在最佳工作点对应的电压信号)，即电压信号与给定的参考电压作为减法电路的输入端，最终得到反馈值ΔT。

4)反馈值ΔT经积分电路调节后得到相应的复位电容电压信号，并通过放电开关管Q₂₂控制复位电容电压。

实例5：

如图9所示，本实例与实例1的不同之处在于采用恒压控制方式，即复位电容电压不变，复位开关管导通时间随反馈信号调节。

实例6：

如图10所示，本实例与实例1的不同之处在于采用定复位时间控制方式，即磁复位开关管导通时间不变，复位电容电压作为反馈后的控制量。

实例7

如图11所示，本实例与实例1的不同之处在于采用有源磁复位的电压型磁复位方式，通过外加可控电源模块为复位电容提供能量，且在得到复位电容电压的控制值时直接控制电源模块电压，取代实例1中的放电回路。

应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本实用新型原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本实用新型的保护范围。本实施例中未明确的各组成部分均可用现有技术加以实现。

Claims (6)

1.一种适用于脉冲电源磁开关的磁复位装置，包括脉冲变压器（T₀）、脉冲发生单元，其特征是：还包括磁压缩单元和磁复位单元，脉冲发生单元与磁压缩单元通脉冲变压器（T₀）连接，磁压缩单元与磁复位单元通过磁开关（S₀）连接。

2.根据权利要求1所述适用于脉冲电源磁开关的磁复位装置，其特征是：所述磁复位单元包括：磁开关S₀的副边、复位开关管（Q₂₁），复位电容（C_f），放电开关管（Q₂₂），放电电感（L₂）和放电电阻（R₂）。

3.根据权利要求2所述适用于脉冲电源磁开关的磁复位装置，其特征是：脉冲发生器包括：谐振开关管（Q₁₁），升压整流单元，箝位二极管（D_cl），箝位电阻（R_cl），箝位电容（C_cl），谐振电容（C_c）；磁压缩单元包括：高压电容（C₀）、磁开关（S₀）的原边和反应器（Z₀）。

4.根据权利要求3所述适用于脉冲电源磁开关的磁复位装置，其特征是：所述脉冲变压器（T₀）一次侧连接脉冲发生器，二次侧并联磁压缩单元的高压电容（C₀），磁开关（S₀）的原边与反应器（Z₀）和高压电容（C₀）依次串联；磁开关（S₀）的副边与复位开关管（Q₂₁），放电开关管（Q₂₂），放电电感（L₂）和放电电阻（R₂）依次串联，复位电容（C_f）一端接在复位开关管（Q₂₁）与放电开关管（Q₂₂ ）之间，另一端接在磁开关S₀的副边与放电电阻（R₂）之间。

5.根据权利要求1所述适用于脉冲电源磁开关的磁复位装置，其特征是：还包括采样单元和控制单元，控制单元主要采用DSP进行控制，脉冲电流通过采样单元采样后送到控制单元。

6.根据权利要求1-5任一所述适用于脉冲电源磁开关的磁复位装置，其特征是：磁压缩单元和磁复位单元分别设有n组，n取大于1的整数，每组磁压缩单元的磁开关一次侧一端经前一级电容接地，另一端连接下一级电容和下一级磁开关，并经所述下一级电容接地；每一级磁压缩单元分别连接一组独立磁复位单元。