基於全plc控制的高壓脈衝電源的製作方法

2023-06-10 18:39:11 1

專利名稱：基於全plc控制的高壓脈衝電源的製作方法
技術領域：
本實用新型涉及一種基於全PLC控制的高壓脈衝電源，屬於脈衝功率技術領 域。
背景技術：
近年來，高壓脈衝電源廣泛應用於等離子體表面處理、廢水和煙霧處理、半導 體製造等領域，電源的穩定性、可靠性有了長足進步。與此同時，為了簡化電源使用時 繁瑣的操作流程以及避免一些很難通過人工來實現的工藝參數的調節，例如特定時間 內電壓的線性加載、長時間內多步驟的流程控制等，迫切需要電源具有穩定可靠的智能 控制系統。高壓脈衝電源主要由初始能源、調功系統、儲能單元、開關、觸發控制迴路和 負載組成，其中，觸發控制迴路和開關是最為核心的部分。觸發控制迴路為開關器件提 供開關信號，從而形成高壓脈衝，通過改變觸發控制迴路中觸發信號的開關頻率和每次 開通的時間，最終實現輸出高壓脈衝頻率和脈寬的調節，觸發控制迴路中的穩定性直接 關係到整個電源系統的好壞。早一代高壓脈衝電源的觸發控制迴路部分完全由分立電子元器件的搭建來實 現，這種控制模式雖然能夠實現穩定的高壓脈衝輸出，但其最大的缺點在於操作界面不 夠友好，例如手動旋鈕式頻率、脈寬等參數的調節及模擬表參數的顯示，這樣就很難實 現對各參數精確地顯示和重複調節。另外，若要實現電源自身的一些自鎖和保護功能， 就造成控制繼電器較多，輔助電路較複雜，大大增加了整個電源系統的複雜性，降低了 可靠性。隨著單片機技術的發展，已有一些高壓脈衝電源採用單片機為主控晶片，加上 一些外圍電路來實現觸發控制，這類高壓脈衝電源的參數一般採用鍵盤設定並用LCD顯 示，克服了上述全分立組件控制電源的弊端，中國專利《一種脈衝高壓電源》，專利號 為200420031116.3，授權公告號為CN2710252Y，授權公告日為2005年7月13日，公開 了一種脈衝高壓電源，該專利提出用單片機控制作為觸發電路的控制核心，但由於高壓 脈衝電源系統空間輻射和高壓脈衝的傳導幹擾較強，給單片機控制系統的抗幹擾設計帶 來一定的困難。可編程邏輯控制器PLC是一種常用的自動控制工具，具有可靠性高，抗幹擾能 力強等優點，它具有I/O控制、DA/AD轉換、PWM輸出等功能，功能較為固化，軟體 採用梯形圖語言，易於掌握，二次開發的周期相對較短，配合觸控螢幕的使用，能很方便 地實現各個參數的顯示和調節，為其在高壓脈衝電源觸發控制中的應用提供了便利的條 件，但由於PLC運算速度相對較慢，要通過其I/O輸出微秒量級、脈寬和頻率同時連續 可調的觸發脈衝，實現短脈衝高壓電源的控制顯得力不從心，因此大大限制了 PLC在高 壓脈衝電源系統中的應用。
實用新型內容本實用新型的目的是為了解決現有高壓脈衝電源的單片機控制系統抗幹擾能力 差及其主電路的原始體積大的問題，提供一種基於全PLC控制的高壓脈衝電源。本實用新型由供電電源迴路、主迴路和控制迴路組成，供電電源迴路由主電路EMI濾波器、三相整流橋電路、主電路濾波電容、全橋 逆變器和升壓變壓器的初級線圈組成，主迴路由升壓變壓器的次級線圈、高頻高壓矽堆整流電路、充電限流電阻、儲 能電容、空心電感、負載放電限流電阻、真空四極管、燈絲電源、充電二極體、下拉電 阻、電容分壓器和柵極電路組成，主電路EMI濾波器的輸入端連接外部380V工頻供電電源，主電路EMI濾波器的 輸出端連接三相整流橋電路的輸入端，三相整流橋電路的輸出端連接主電路濾波電容的 輸入端，主電路濾波電容的輸出端連接全橋逆變器的輸入端，全橋逆變器的輸出端連接 升壓變壓器的初級線圈，升壓變壓器的次級線圈連接高頻高壓矽堆整流電路的輸入端， 高頻高壓矽堆整流電路的第一輸出端接地，高頻高壓矽堆整流電路的第二輸出端連接充 電限流電阻的一端，充電限流電阻的另一端與脈衝電源的負載連接端之間串聯儲能電容，充電限流電阻的另一端與真空四極管的陽極之間串聯空心電感和負載放電限流 電阻，燈絲電源給真空四極管的陰極燈絲供電，真空四極管陰極的一端連接脈衝電源的 負載接地端，柵極電路用來給真空四極管的一柵、二柵供電；脈衝電源的負載連接端和脈衝電源的負載接地端之間並聯有充電二極體、下拉 電阻和電容分壓器，其中充電二極體的陽極連接脈衝電源的負載連接端，充電二極體的陰極連接脈衝電 源的負載接地端；控制迴路包括可編程邏輯控制器、逆變控制電路、四極管柵極觸發控制電路、 人機界面、過流保護電路、電壓檢測電路和電流傳感器，電壓檢測電路用於檢測電容分壓器低壓端的電壓，電壓檢測電路的輸出端連接 可編程邏輯控制器的電壓信號輸入端；電流傳感器用於檢測所述主迴路的電流，電流傳感器的輸出端連接過流保護電 路的輸入端，過流保護電路的過流信號輸出端連接可編程邏輯控制器過流信號輸入端；可編程邏輯控制器的觸發信號輸出端連接四極管柵極觸發控制電路的觸發信號 輸入端，四極管柵極觸發控制電路的電流信號輸入端連接過流保護電路的電流信號輸出 端，四極管柵極觸發控制電路的觸發信號輸出端連接柵極電路的觸發信號輸入端，可編程邏輯控制器的逆變控制信號輸出端連接逆變控制電路的逆變控制信號輸 入端，逆變控制電路的逆變信號輸出端連接全橋逆變器的逆變信號輸入端；可編程邏輯控制器的顯示信號輸出端連接人機界面的輸入端，人機界面的輸出 端連接可編程邏輯控制器的控制信號輸入端。本實用新型的優點是本實用新型以可編程邏輯控制器PLC為控制核心來產生 瞬間高壓脈衝，實現了高壓電源的智能控制。由於可編程邏輯控制器自身具有可靠性高 及抗幹擾能力強等優點，使本實用新型所述電源具有強抗幹擾能力。它的人機界面友好，可以方便地設定和顯示電源的各工作參數，並對電源的工作狀態實時監控，發現故 障能及時提示報警，大大提高了電源的可靠性和安全性。主迴路採用真空四極管作為高 壓主開關，穩定可靠地實現了高壓脈衝的調製。它的各部分供電電路都採用全橋逆變結 構，大大減小了電源系統的體積和重量。整個高壓脈衝電源具有操作簡單、方便，性能 穩定可靠等優點，適用於離子注入、廢水處理及等離子體電解沉積等領域。

圖1為本實用新型的電路原理框圖；圖2為柵極電路的電路原理框圖；圖3為本實用新型的工作原理框圖。
具體實施方式
具體實施方式
一下面結合圖1說明本實施方式，本實施方式由供電電源回 路、主迴路和控制迴路組成，供電電源迴路由主電路EMI濾波器1-2、三相整流橋電路1_3、主電路濾波電容 1-4、全橋逆變器1-5和升壓變壓器1-6的初級線圈組成，主迴路由升壓變壓器1-6的次級線圈、高頻高壓矽堆整流電路1-7、充電限流電 阻1-8、儲能電容1-9、空心電感1-10、負載放電限流電阻1-11、真空四極管1-12、燈絲 電源1-13、充電二極體1-14、下拉電阻1-15、電容分壓器1-16和柵極電路1_17組成，主電路EMI濾波器1-2的輸入端連接外部380V工頻供電電源1_1，主電路EMI 濾波器1-2的輸出端連接三相整流橋電路1-3的輸入端，三相整流橋電路1-3的輸出端連 接主電路濾波電容1-4的輸入端，主電路濾波電容1-4的輸出端連接全橋逆變器1-5的輸 入端，全橋逆變器1-5的輸出端連接升壓變壓器1-6的初級線圈，升壓變壓器1-6的次級 線圈連接高頻高壓矽堆整流電路1-7的輸入端，高頻高壓矽堆整流電路1-7的第一輸出端 接地，高頻高壓矽堆整流電路1-7的第二輸出端連接充電限流電阻1-8的一端，充電限流電阻1-8的另一端與脈衝電源的負載連接端A之間串聯儲能電容1-9，充電限流電阻1-8的另一端與真空四極管1-12的陽極之間串聯空心電感1-10和 負載放電限流電阻1-11，燈絲電源1-13給真空四極管1-12的陰極燈絲供電，真空四極管 1-12陰極的一端連接脈衝電源的負載接地端T，柵極電路1-17用來給真空四極管1-12的 一柵、二柵供電；脈衝電源的負載連接端A和脈衝電源的負載接地端T之間並聯有充電二極體 1-14、下拉電阻1-15和電容分壓器1-16，其中充電二極體1-14的陽極連接脈衝電源的負載連接端A，充電二極體1-14的陰極 連接脈衝電源的負載接地端T；控制迴路包括可編程邏輯控制器2-1、逆變控制電路2-2、四極管柵極觸發控制 電路2-3、人機界面2-4、過流保護電路2-6、電壓檢測電路2-7和電流傳感器2-8，電壓檢測電路2-7用於檢測電容分壓器1-16低壓端的電壓，電壓檢測電路2_7 的輸出端連接可編程邏輯控制器2-1的電壓信號輸入端；電流傳感器2-8用於檢測所述主迴路的電流，電流傳感器2-8的輸出端連接過流保護電路2-6的輸入端，過流保護電路2-6的過流信號輸出端連接可編程邏輯控制器2-1 過流信號輸入端；可編程邏輯控制器2-1的觸發信號輸出端連接四極管柵極觸發控制電路2-3的觸 發信號輸入端，四極管柵極觸發控制電路2-3的電流信號輸入端連接過流保護電路2-6的 電流信號輸出端，四極管柵極觸發控制電路2-3的觸發信號輸出端連接柵極電路1-17的 觸發信號輸入端，可編程邏輯控制器2-1的逆變控制信號輸出端連接逆變控制電路2-2的逆變控制 信號輸入端，逆變控制電路2-2的逆變信號輸出端連接全橋逆變器1-5的逆變信號輸入 端；可編程邏輯控制器2-1的顯示信號輸出端連接人機界面2-4的輸入端，人機界面 2-4的輸出端連接可編程邏輯控制器2-1的控制信號輸入端。本實施方式中人機界面2-4可採用觸控螢幕控制，它的操控界面友好，可以方便 地實現各個參數的顯示和調整。圖1中380V工頻供電電源1-1為三相供電電源，主電路EMI濾波器1_2能夠 抑制高頻幹擾，三相整流橋電路1-3用來將三相交流電變成三相直流電，主電路濾波電 容1-4起平波作用，全橋逆變器1-5可採用四個IGBT組成，將直流斬成高頻脈衝，下拉 電阻1-15用於脈衝關斷時，釋放迴路電纜的寄生電容和容性負載殘存的電荷，控制高壓 脈衝拖尾時間，電容分壓器1-16用於檢測負載3的電壓，逆變控制電路2-2用來控制逆 變橋開關工作佔空比，實現調功調壓，柵極電路1-17用於給真空四極管1-12的一柵、二 柵供電，四極管柵極觸發控制電路2-3通過控制柵極來實現對真空四極管1-12的通斷控 制，故障監控電路2-5用於實時監測真空四極管1-12的柵極和燈絲工作狀態，發現異常 立即向PLC發出故障處理請求，過流保護電路2-6，根據實時監測到的電流判斷是否過 流，如過流立即關斷四極管柵極觸發控制電路2-3，並報警提示，同時將處理後的過流信 號傳送給PLC，如長時間過流，則由PLC執行關機程序，電壓檢測電路2-7將檢測到的 電壓處理後傳送給PLC，並可由觸控螢幕顯示，同時PLC還將該檢測到的電壓值與預設定 的電壓值進行比較，再根據比較後的誤差大小控制全橋逆變器1-5的工作佔空比，實現 閉環恆壓控制。
具體實施方式
二下面結合圖1至圖3說明本實施方式，本實施方式是對實 施方式一的進一步限定，所述柵極電路1-17由柵極EMI濾波器1-17-2、柵極整流橋 1-17-3、柵極濾波電路1-17-4、二柵逆變橋1-17-5、二柵變壓器1_17_6、二柵高頻整流 橋1-17-7、二柵阻容濾波電路1-17-8、二柵限流電阻1-17-9、一柵負逆變橋1_17_10、 一柵負變壓器1-17-11、一柵負高頻整流橋1-17-12、一柵負阻容濾波電路1-17-13、 耦合電阻1-17-14、一柵負限流電阻1-17-15、一柵正逆變橋1_17_16、一柵正變壓器 1-17-17、一柵正高頻整流橋1-17-18、一柵正阻容濾波電路1_17_19、一柵正限流電阻 1-17-20、脈衝變壓器1-17-21和柵極IGBT1-17-22組成，柵極EMI濾波器1-17-2的輸入端連接外部220V工頻供電電源，柵極EMI濾波 器1-17-2的輸出端連接柵極整流橋1-17-3的輸入端，柵極整流橋1-17-3的輸出端連接 柵極濾波電路1-17-4的輸入端，二柵逆變橋1-17-5的輸入端、一柵負逆變橋1-17-10的 輸入端及一柵正逆變橋1-17-16的輸入端均與柵極濾波電路1-17-4的輸出端連接；[0044]二柵逆變橋1-17-5的輸出端連接二柵變壓器1-17-6的初級線圈，二柵變壓器 1-17-6的次級線圈連接二柵高頻整流橋1-17-7的輸入端，二柵高頻整流橋1-17-7的輸 出端連接二柵阻容濾波電路1-17-8的輸入端，二柵阻容濾波電路1-17-8的第一輸出端接 地，二柵阻容濾波電路1-17-8的第二輸出端與柵極電路1-17的二柵輸出端P之間串聯二 柵限流電阻1-17-9，柵極電路1-17的二柵輸出端P用來給真空四極管1-12的二柵供電；一柵負逆變橋1-17-10的輸出端連接一柵負變壓器1-17-11的初級線圈，一柵負 變壓器1-17-11的次級線圈連接一柵負高頻整流橋1-17-12的輸入端，一柵負高頻整流 橋1-17-12的輸出端連接一柵負阻容濾波電路1-17-13的輸入端，一柵負阻容濾波電路 1-17-13的第一輸出端接地，一柵負阻容濾波電路1-17-13的第二輸出端與柵極電路1_17 的一柵輸出端Q之間串聯耦合電阻1-17-14和一柵負限流電阻1-17-15，柵極電路1-17 的一柵輸出端Q用來給真空四極管1-12的一柵供電；—柵正逆變橋1-17-16的輸出端連接一柵正變壓器1-17-17的初級線圈，一柵 正變壓器1-17-17的次級線圈連接一柵正高頻整流橋1-17-18的輸入端，一柵正高頻整 流橋1-17-18的輸出端連接一柵正阻容濾波電路1-17-19的輸入端，一柵正阻容濾波 電路1-17-19的第一輸出端接地，一柵正阻容濾波電路1-17-19的第二輸出端與柵極 IGBT1-17-22的集電極之間依次串聯一柵正限流電阻1_17_20和脈衝變壓器1-17-21的初 級線圈，脈衝變壓器1-17-21的次級線圈與耦合電阻1-17-14相關聯，柵極IGBT1-17-22 的發射極接地，柵極IGBT1-17-22的柵極是柵極電路1_17的觸發信號輸入端。本實施方式中採用真空四極管1-12作為主開關，具有耐壓高、可靠性好等特 點，它的控制柵極，一柵電壓通過一柵負逆變橋1-17-10的通斷來控制，實現脈衝的調 制，而一柵負逆變橋1-17-10則是由PLC控制的觸發信號控制通斷。本實用新型中主回 路和真空四極管1-12的二柵、一柵電路都採用全橋逆變結構，柵極電壓調節方便，並且 大大減小了整個系統的體積和重量。本實施方式中的柵極電路1-17採用外部220V工頻供電電源1-17-1供電，所述 220V工頻供電電源1-17-1為單相供電電源，二柵逆變橋1-17-5可採用四個IGBT組成， 柵極IGBT1-17-22，用來控制真空四極管1_12的一柵脈衝電壓。一柵抑制電壓一般範圍 為-950V -450V，而一柵導通電壓範圍為+40V +400V，當柵極IGBT1-17-22在觸 發信號控制下導通時，一柵的正、負兩個電源的耦合作用，使得真空四極管1-12導通。供電電源迴路部分三相380V工頻供電電源1-1經過主電路EMI濾波器1-2濾波後，由三相整流橋 電路1-3整流，再由主電路濾波電容1-4濾波後供給全橋逆變器1-5，全橋逆變器1-5將 直流電壓斬成方波後由升壓變壓器1-6升壓，然後給主迴路部分供電。主迴路部分首先將負載3連接在脈衝電源的負載連接端A和脈衝電源的負載接地端T之間，將升壓變壓器1-6升壓後的信號再經過高頻高壓矽堆整流電路1-7整流後給儲能電容1-9 充電，儲能電容1-9存儲的能量在真空四極管1-12開通時以瞬間脈衝的形式釋放供給負 載3，從而在負載3上形成一個高壓脈衝，真空四極管1-12關斷時，開始進入下一個循環 周期。改變全橋逆變器1-5的工作佔空比，可以調節輸出電壓的大小。本實施方式中利 用逆變式主電路結構，與傳統工頻變壓器的升壓方式相比，具有體積小、重量輕、電壓紋波小優點。控制迴路部分PLC在現有電氣系統中用於繼電器控制，其相關技術已較為成熟，而用作高壓電源的主控制器，關鍵技術在於實現微秒量級的短脈衝控制。由於PLC自身運算速度 的限制，它很難通過I/O 口直接輸出一個幾百赫茲頻率、微秒量級脈寬並同時連續可調 的脈衝，本實用新型通過外圍電路的設計，用PLC的I/O 口輸出一個佔空比一定、頻 率連續可調的脈衝，同步觸發產生一個同頻率、脈寬固定的矩形波，再經過積分電路將 其變為寬度一定的鋸齒波，該鋸齒波與PLC數模轉換模塊輸出的模擬量比較產生一個新 的脈衝，通過改變輸出模擬量的大小，實現脈寬的連續調節，最小輸出脈寬可以達到幾 個微秒，該脈衝再經過功率放大，驅動柵極控制一柵負逆變橋1-17-10和一柵正逆變橋 1-17-16，實現高壓脈衝的調製。另外，由於負載3條件的變化，會引起輸出電壓的波動，普通開環電壓控制系 統無法實現恆定的電壓輸出，本實用新型用PLC實時監測負載3電壓，通過逆變控制實 時調節調壓系統，實現電壓的閉環控制，可以得到恆定的輸出電壓。對負載3的脈衝 電流通過電流傳感器2-8實時檢測，當發現過流或短路的情況，會立即關斷真空四極管 1-12的柵極驅動脈衝，可採用蜂鳴報警，同時將過流信號發送給PLC，若在一定時間內 有多次過流發生，PLC會自動關斷主迴路高壓。當真空四極管1-12的燈絲或柵極電路 1-17出現故障後，會被相應的監測電路檢測到後送給PLC，PLC會立即切斷高壓並在觸 摸屏上提示故障。本實用新型的輸出電壓、頻率和脈寬可以方便地通過人機界面2-4，採用觸控螢幕 進行設定，系統各部分供電順序和加載過程按既定程序執行，大大減少了人工操作的過 程。另外，還可以根據工藝需要，預先設定多步不同的加工參數，讓電源按照設定好的 流程自動運行。圖3是本實用新型的實現原理圖，它通過脈衝整形將可編程邏輯控制器2-1PLC 發出的固定佔空比頻率連續可調的脈衝，可以採用由CD4098構成的單穩態觸發器電路變 成脈寬固定的矩形波，再經過積分電路變為脈寬一定的鋸齒波，然後由比較器將鋸齒波 信號與PLC發出的直流電平進行比較，產生脈寬可調的方波脈衝，光電隔離電路可以保 護PLC系統不受電磁幹擾，過流保護可以在檢測到過流信號時，迅速關斷四極管柵極觸 發控制電路2-3的驅動脈衝，實現「打嗝」式保護，同時將過流信號傳給PLC，若長時 間過流，則由PLC關斷主迴路高壓和驅動脈衝。圖3中所示的比較器的參考電壓可以由PLC的模擬量輸出DA模塊直接輸出，也 可以先由PLC發出頻率連續變化的脈衝，再經過頻壓轉化後得到。圖3中的光電隔離，它可以採用光電耦合的方式實現主電與控制信號的隔離， 防止PLC系統受外界幹擾，也可以將觸發信號先放大，再由脈衝變壓器傳輸信號，通過 電磁耦合方式實現隔離。
具體實施方式
三本實施方式是對實施方式一或二的進一步限定，所述儲能電 容1-9的電容容量範圍為0.05yF-5yF。其它組成及連接關係與實施方式一或二相同。當電壓一定時，可以根據脈衝高壓電源輸出的最大脈衝電流和脈寬的要求，來 選擇儲能電容1-9的容量。[0062]具體實施方式
四本實施方式是對實施方式一或二的進一步限定，所述下拉電 阻1-15是可調電阻，其阻值可調範圍為IOkQ-IOOkQ。其它組成及連接關係與實施方式 一或二相同。由於負載3的容性和迴路電纜的分布電容的存在，使得輸出的高壓脈衝關斷 時，脈衝的拖尾很長，下拉電阻1-15用來釋放殘存的電荷，可以有效控制脈衝拖尾，下 拉電阻1-15的阻值變化需根據拖尾時間長短的要求進行選擇。
具體實施方式
五本實施方式是對實施方式一或二的進一步限定，所述負載放 電限流電阻1-11是可調電阻，其阻值可調範圍為10 Ω-200 Ω。其它組成及連接關係與實 施方式一或二相同。
具體實施方式
六本實施方式是對實施方式一或二的進一步限定，所述真空四 極管1-12的型號為TM-702F。其它組成及連接關係與實施方式一或二相同。
具體實施方式
七本實施方式是對實施方式一或二的進一步限定，所述可編程 邏輯控制器2-1的型號為松下FPX-C30T PLC。其它組成及連接關係與實施方式一或二 相同。
具體實施方式
八本實施方式是對實施方式一或二的進一步限定，所述升壓變 壓器1-6的升壓比為1 65。其它組成及連接關係與實施方式一或二相同。
具體實施方式
九本實施方式與實施方式一或二的不同之處在於，所述控制回 路還包括故障監控電路2-5，故障監控電路2-5用於燈絲電源1-13和柵極電路1-17的故 障監測，故障監控電路2-5的輸出端連接可編程邏輯控制器2-1故障信號輸入端。其它 組成及連接關係與實施方式一或二相同。本實用新型不局限於上述實施方式，還可以是上述各實施方式中所述技術特徵 的合理組合。
權利要求1. 一種基於全PLC控制的高壓脈衝電源，其特徵在於它由供電電源迴路、主迴路 和控制迴路組成，供電電源迴路由主電路EMI濾波器(1-2)、三相整流橋電路(1-3)、主電路濾波電容 (1-4)、全橋逆變器(1-5)和升壓變壓器(1-6)的初級線圈組成，主迴路由升壓變壓器(1-6)的次級線圈、高頻高壓矽堆整流電路(1-7)、充電限流電 阻(1-8)、儲能電容(1-9)、空心電感(1-10)、負載放電限流電阻(1-11)、真空四極管 (1-12)、燈絲電源(1-13)、充電二極體(1-14)、下拉電阻(1-15)、電容分壓器(1_16)和 柵極電路(1-17)組成，主電路EMI濾波器(1-2)的輸入端連接外部380V工頻供電電源，主電路EMI濾波 器(1-2)的輸出端連接三相整流橋電路(1-3)的輸入端，三相整流橋電路(1-3)的輸出端 連接主電路濾波電容(1-4)的輸入端，主電路濾波電容(1-4)的輸出端連接全橋逆變器 (1-5)的輸入端，全橋逆變器(1-5)的輸出端連接升壓變壓器(1-6)的初級線圈，升壓變 壓器(1-6)的次級線圈連接高頻高壓矽堆整流電路(1-7)的輸入端，高頻高壓矽堆整流電 路(1-7)的第一輸出端接地，高頻高壓矽堆整流電路(1-7)的第二輸出端連接充電限流電 阻(1-8)的一端，充電限流電阻(1-8)的另一端與脈衝電源的負載連接端(A)之間串聯儲能電容 (1-9)，充電限流電阻(1-8)的另一端與真空四極管(1-12)的陽極之間串聯空心電感(1-10) 和負載放電限流電阻(1-11)，燈絲電源(1-13)給真空四極管(1-12)的陰極燈絲供電，真 空四極管(1-12)陰極的一端連接脈衝電源的負載接地端(T)，柵極電路(1-17)用來給真 空四極管(1-12)的一柵、二柵供電；脈衝電源的負載連接端(A)和脈衝電源的負載接地端(T)之間並聯有充電二極體 (1-14)、下拉電阻(1-15)和電容分壓器(1-16)，其中充電二極體(1-14)的陽極連接脈衝電源的負載連接端(A)，充電二極體(1-14)的陰 極連接脈衝電源的負載接地端(T)；控制迴路包括可編程邏輯控制器(2-1)、逆變控制電路(2-2)、四極管柵極觸發控制 電路(2-3)、人機界面(2-4)、過流保護電路(2-6)、電壓檢測電路(2-7)和電流傳感器 (2-8)，電壓檢測電路(2-7)用於檢測電容分壓器(1-16)低壓端的電壓，電壓檢測電路(2-7) 的輸出端連接可編程邏輯控制器(2-1)的電壓信號輸入端；電流傳感器(2-8)用於檢測所述主迴路的電流，電流傳感器(2-8)的輸出端連接過流 保護電路(2-6)的輸入端，過流保護電路(2-6)的過流信號輸出端連接可編程邏輯控制器 (2-1)過流信號輸入端；可編程邏輯控制器(2-1)的觸發信號輸出端連接四極管柵極觸發控制電路(2-3)的 觸發信號輸入端，四極管柵極觸發控制電路(2-3)的電流信號輸入端連接過流保護電路 (2-6)的電流信號輸出端，四極管柵極觸發控制電路(2-3)的觸發信號輸出端連接柵極電 路(1-17)的觸發信號輸入端，可編程邏輯控制器(2-1)的逆變控制信號輸出端連接逆變控制電路(2-2)的逆變控制 信號輸入端，逆變控制電路(2-2)的逆變信號輸出端連接全橋逆變器(1-5)的逆變信號輸入端；可編程邏輯控制器(2-1)的顯示信號輸出端連接人機界面(2-4)的輸入端，人機界面 (2-4)的輸出端連接可編程邏輯控制器(2-1)的控制信號輸入端。
2.根據權利要求1所述的基於全PLC控制的高壓脈衝電源，其特徵在於所述 柵極電路(1-17)由柵極EMI濾波器(1-17-2)、柵極整流橋(1_17_3)、柵極濾波電路 (1-17-4)、二柵逆變橋(1-17-5)、二柵變壓器(1-17-6)、二柵高頻整流橋(1-17-7)、二 柵阻容濾波電路(1-17-8)、二柵限流電阻(1-17-9)、一柵負逆變橋(1-17-10)、一柵負 變壓器(1-17-11)、一柵負高頻整流橋(1-17-12)、一柵負阻容濾波電路(1-17-13)、耦 合電阻(1-17-14)、一柵負限流電阻(1-17-15)、一柵正逆變橋(1-17-16)、一柵正變壓 器(1-17-17)、一柵正高頻整流橋(1-17-18)、一柵正阻容濾波電路(1_17_19)、一柵正 限流電阻(1-17-20)、脈衝變壓器(1-17-21)和柵極IGBT (1_17_22)組成，柵極EMI濾波器(1-17-2)的輸入端連接外部220V工頻供電電源，柵極EMI濾波器 (1-17-2)的輸出端連接柵極整流橋(1-17-3)的輸入端，柵極整流橋(1-17-3)的輸出端 連接柵極濾波電路(1-17-4)的輸入端，二柵逆變橋(1-17-5)的輸入端、一柵負逆變橋 (1-17-10)的輸入端及一柵正逆變橋(1-17-16)的輸入端均與柵極濾波電路(1-17-4)的輸 出端連接；二柵逆變橋(1-17-5)的輸出端連接二柵變壓器(1-17-6)的初級線圈，二柵變壓器 (1-17-6)的次級線圈連接二柵高頻整流橋(1-17-7)的輸入端，二柵高頻整流橋(1-17-7) 的輸出端連接二柵阻容濾波電路(1-17-8)的輸入端，二柵阻容濾波電路(1-17-8)的第一 輸出端接地，二柵阻容濾波電路(1-17-8)的第二輸出端與柵極電路(1-17)的二柵輸出端 (P)之間串聯二柵限流電阻(1-17-9)，柵極電路(1-17)的二柵輸出端(P)用來給真空四 極管(1-12)的二柵供電；一柵負逆變橋(1-17-10)的輸出端連接一柵負變壓器(1-17-11)的初級線圈，一柵 負變壓器(1-17-11)的次級線圈連接一柵負高頻整流橋(1-17-12)的輸入端，一柵負高 頻整流橋(1-17-12)的輸出端連接一柵負阻容濾波電路(1-17-13)的輸入端，一柵負阻 容濾波電路(1-17-13)的第一輸出端接地，一柵負阻容濾波電路(1-17-13)的第二輸出 端與柵極電路(1-17)的一柵輸出端(Q)之間串聯耦合電阻(1-17-14)和一柵負限流電阻 (1-17-15)，柵極電路(1-17)的一柵輸出端(Q)用來給真空四極管(1-12)的一柵供電；一柵正逆變橋(1-17-16)的輸出端連接一柵正變壓器(1-17-17)的初級線圈，一柵 正變壓器(1-17-17)的次級線圈連接一柵正高頻整流橋(1-17-18)的輸入端，一柵正高 頻整流橋(1-17-18)的輸出端連接一柵正阻容濾波電路(1-17-19)的輸入端，一柵正阻 容濾波電路(1-17-19)的第一輸出端接地，一柵正阻容濾波電路(1-17-19)的第二輸出 端與柵極IGBT (1-17-22)的集電極之間依次串聯一柵正限流電阻(1_17_20)和脈衝變壓 器(1-17-21)的初級線圈，脈衝變壓器(1-17-21)的次級線圈與耦合電阻(1_17_14)相關 聯，柵極IGBT (1-17-22)的發射極接地，柵極IGBT (1_17_22)的柵極是柵極電路(1_17) 的觸發信號輸入端。
3.根據權利要求1或2所述的基於全PLC控制的高壓脈衝電源，其特徵在於所述 儲能電容(1-9)的電容容量範圍為0.05 μ F-5 μ F。
4.根據權利要求1或2所述的基於全PLC控制的高壓脈衝電源，其特徵在於所述下拉電阻(1-15)是可調電阻，其阻值可調範圍為IOkQ-IOOkQ。
5.根據權利要求1或2所述的基於全PLC控制的高壓脈衝電源，其特徵在於所述 負載放電限流電阻(1-11)是可調電阻，其阻值可調範圍為10 Ω-200 Ω。
6.根據權利要求1或2所述的基於全PLC控制的高壓脈衝電源，其特徵在於所述 真空四極管(1-12)的型號為TM-702F。
7.根據權利要求1或2所述的基於全PLC控制的高壓脈衝電源，其特徵在於所述 可編程邏輯控制器(2-1)的型號為松下FPX-C30TPLC。
8.根據權利要求1或2所述的基於全PLC控制的高壓脈衝電源，其特徵在於所述 升壓變壓器(1-6)的升壓比為1 65。
9.根據權利要求1或2所述的基於全PLC控制的高壓脈衝電源，其特徵在於所述 控制迴路還包括故障監控電路(2-5)，故障監控電路(2-5)用於燈絲電源(1-13)和柵極電 路(1-17)的故障監測，故障監控電路(2-5)的輸出端連接可編程邏輯控制器(2-1)故障 信號輸入端。
專利摘要基於全PLC控制的高壓脈衝電源，屬於脈衝功率技術領域。它解決了現有高壓脈衝電源的單片機控制系統抗幹擾能力差及其主電路的原始體積大的問題。它由主迴路和控制迴路組成，用可編程邏輯控制器輸出佔空比一定、頻率連續可調的脈衝，同步觸發產生一個同頻率、脈寬固定的矩形波，再將其變為寬度一定的鋸齒波，該鋸齒波與PLC輸出的模擬量比較產生一個新的脈衝，通過改變輸出模擬量的大小，實現脈寬的連續調節，最小輸出脈寬可以達到幾個微秒，該脈衝再經過功率放大，驅動柵極電路，實現高壓脈衝的調製，它以可編程邏輯控制器作為控制核心，通過人機界面，方便地設定和顯示電源的各工作參數。本實用新型用作高壓脈衝電源。
文檔編號H02M1/14GK201797448SQ201020540368
公開日2011年4月13日 申請日期2010年9月25日 優先權日2010年9月25日
發明者鞏春志, 朱宗濤, 楊士勤, 田修波 申請人:哈爾濱工業大學