一種複合脈衝發生電路的製作方法與工藝

2023-07-17 20:52:02 1

本發明屬於電力電子技術領域，涉及一種複合脈衝發生電路。

背景技術：
由於脈衝的通斷特性，使得在電極之間可產生高強度的交變脈衝電場，從而能實現直流電場條件下難以實現的現象或效果，因此被廣泛應用於表面處理、金屬加工、汙水處理以及軍工航天等領域。脈衝電源在不同的使用條件下對脈衝波形的形狀往往有特殊的要求，負載環境和用途不同，所需脈衝模式和電壓等級不同，甚至在工作狀態圖中不同時刻需要不同的脈衝類型和幅值。脈衝波形的形狀對相應的應用場合的處理效果往往會有較大影響。常見的脈衝波形有矩形波、三角波、梯形波、鋸齒波等脈衝形狀。矩形波脈衝屬於應用較多的一種，由矩形波演變過來的脈衝形式主要有單向方波脈衝、直流疊加方波脈衝、雙極性方波等脈衝形式，以雙極性方波脈衝應用較多。當前，雙極性方波脈衝發生電路主要分為兩類：第一類為雙向等幅方波脈衝發生電路，該類電路的特點是所發脈衝正向幅值與反向幅值相等。名稱為「一種脈衝發生器」的發明專利，公開號為CN102437773A，公開日期為2012.05.02，公開了一種雙極性脈衝電路，其雖然利用電感電容儲能放電的方法實現了雙極性脈衝輸出，實現簡單，但僅能實現正負向脈衝個 數1：1對稱型交流脈衝輸出，應用範圍受到限制，且脈衝參數調節較難。名稱為「雙極脈衝電源及並聯多臺該雙極脈衝電源的電源裝置」的一項發明，公開號為CN102047548A，公開日期為2011.05.04，提到了一種脈衝發生電路，通過控制全橋電路中的開關器件實現了雙極性脈衝輸出，既可以實現正負向脈衝個數1：1的對稱雙極性脈衝輸出，也可實現正負脈衝個數不等的雙極性脈衝輸出，控制方式較為靈活，但無法適用於要求正負向脈衝幅值不等場合。由於雙向等幅方波脈衝正負向幅值不可調或幅值調節量相等，因此這類電路在於對某些需要正負幅值需要不對稱的場合無法滿足性能要求，適用範圍往往受到限制。第二類為雙向非等幅方波脈衝發生電路，這類電路的特點是所發脈衝正負向幅值可以獨立調節，實現非對稱型脈衝輸出。名稱為「用於微弧氧化的高頻大功率多波形電源」的發明，公開號為CN1523745A，公開日期為2004.08.25，公開了一種雙極性脈衝的電源裝置，其通過控制兩個直流電源之間的四個開關器件實現了多波形輸出，但由於所需脈衝幅值可調，因此裝置需提供兩路幅值可調直流電源，電路拓撲和控制方式較為複雜，且大大增加了裝置的成本。名稱為「超快變換變極性方波電流弧焊電源裝置」發明，專利公開號為CN101125389A，公開日期為2008.2.20，公開了一種可產生雙極性脈衝的電源裝置，其將直流電壓源和全橋變換電路組合，首先採用逆變法將直流電轉化為一定的電壓脈衝，然後將此脈衝電壓疊加在一個輔助直流源上，形成雙極性脈衝，但該裝置需要一個額外的輔助電源，電路拓撲較為複雜。文獻《變極性微弧氧化脈衝電源拓撲結構的研究》中提出了一種用於微 弧氧化電源雙極性脈衝發生電路，通過在直流母線上分出兩路獨立控制，一路產生直流電壓基準，另一路產生脈衝，疊加在負載兩端，形成幅值可調的雙極性脈衝，但其本質上相當於一個等效的輔助電源，電路拓撲和控制方式非常複雜。雙向非等幅方波脈衝發生電路由於正負向脈衝幅值不等，在工業生產中應用較廣，但目前該類脈衝發生電路一般需要一個或多個輔助直流源，成本較高，電路結構及控制方式都較為複雜。

技術實現要素：
本發明的目的是提供一種複合脈衝發生電路，解決了現有技術中結構不合理，應用範圍受限制的問題。本發明採用的技術方案是，一種複合脈衝發生電路，包括直流源，直流源的正極與開關管S1的集電極和二極體D1的陰極連接，直流源1的負極與二極體D2的陽極和開關管S2的發射極連接；開關管S1的發射極分別與二極體D2的陰極和耦合電感Lm的a端同時連接，二極體D1的陽極分別與開關管S2的集電極和耦合電感Lm的b端同時連接，開關管S1的集電極和二極體D1陰極與負載的正用導線連接，耦合電感Lm的c端與負載的負用導線連接。本發明所述的複合脈衝發生電路，其特點還在於：所述的直流源選用整流電路或DC-DC變換電路。所述的開關管S1、S2選用IGBT、MOSFET或IGCT的全控型開關器件。本發明的有益效果是：（1）該複合脈衝發生電路拓撲基於耦合電感實現，結構簡單，可實現多種脈衝輸出，特別是無需額外的輔助電源可實現雙向多電平脈衝輸出。（2）該複合脈衝發生電路無需電路改動，僅控制開關管的開通關斷即可 實現雙向多電平非對稱脈衝、雙極性非對稱脈衝、單極性脈衝、直流等多種輸出方式。（3）該複合脈衝發生電路可應用在中大功率場合，可以通過開關器件的擴容方式和脈衝拓撲的並聯方式擴大容量至更高。（4）該複合脈衝發生電路可以直接在原有直流源上進行改造，簡單靈活。（5）該複合脈衝發生電路可以實現寬範圍頻率輸出。（6）該複合脈衝發生電路可以實現導通周期，脈衝寬度的靈活調節。本發明的複合脈衝發生電路，適合於微弧氧化的應用需求，能夠實現雙向多電平非對稱脈衝、雙極性非對稱、單極性脈衝和直流等多種形式輸出，電路拓撲和控制方式簡單，特別是在無需輔助電源即可實現雙向多電平非對稱脈衝輸出，從而實現良好的膜層效果。該電路還適用於磁控濺射等表面處理設備以及弧焊電源等脈衝電源，在工業生產中有良好的應用前景。附圖說明圖1是本發明複合脈衝發生電路的電路拓撲圖；圖2為本發明複合脈衝發生電路在雙向多電平非對稱脈衝模式下工作模態1.1的工作狀態圖；圖3為本發明複合脈衝發生電路在雙向多電平非對稱脈衝模式下工作模態1.2的工作狀態圖；圖4為本發明複合脈衝發生電路在雙向多電平非對稱脈衝模式下工作模態1.3的工作狀態圖；圖5為本發明複合脈衝發生電路在雙向多電平非對稱脈衝模式下工作模態1.4的工作狀態圖；圖6為本發明複合脈衝發生電路在雙向多電平非對稱脈衝模式下工作模 態1.5的工作狀態圖；圖7為本發明複合脈衝發生電路在雙極性非對稱模式下工作模態2.1的工作狀態圖；圖8為本發明複合脈衝發生電路在雙極性非對稱模式下工作模態2.2的工作狀態圖；圖9為本發明複合脈衝發生電路在雙極性非對稱模式下工作模態2.3的工作狀態圖；圖10為本發明複合脈衝發生電路在雙極性非對稱模式下工作模態2.4的工作狀態圖；圖11為本發明複合脈衝發生電路在單極性模式下工作模態3.1的工作狀態圖；圖12為本發明複合脈衝發生電路在單極性模式下工作模態3.2的工作狀態圖；圖13為本發明複合脈衝發生電路在直流模式下工作模態4的工作狀態圖；圖14是本發明複合脈衝發生電路在雙向多電平非對稱脈衝模式下的工作波形；圖15是本發明複合脈衝發生電路在雙極性非對稱脈衝模式下的工作波形；圖16是本發明複合脈衝發生電路在單極性脈衝模式下的工作波形；圖17是本發明複合脈衝發生電路在直流模式下的工作波形。圖中，1.直流源，2.脈衝變換器電路，另外，S1、S2代表開關管，D1、D2代表二極體，Lm代表耦合電感，Uo 代表負載電壓。具體實施方式下面結合附圖和具體實施方式對本發明作進一步說明。如圖1，本發明複合脈衝發生電路的電路拓撲，包括直流源1和脈衝變換器電路2，脈衝變換器電路2內部包括開關管S1、S2，二極體D1、D2，以及耦合電感Lm，具體的電路拓撲結構是：直流源1的正極與開關管S1的集電極和二極體D1的陰極連接，直流源1的負極與二極體D2的陽極和開關管S2的發射極連接；開關管S1的發射極分別與二極體D2的陰極和耦合電感Lm的a端同時連接，二極體D1的陽極分別與開關管S2的集電極和耦合電感Lm的b端同時連接，開關管S1的集電極和二極體D1陰極與負載的正用導線連接，耦合電感Lm的c端與負載的負用導線連接。直流源1選用所有可提供穩定直流電壓或電流的電路，如整流電路或DC-DC變換電路。開關管S1、S2均選用IGBT、MOSFET或IGCT等所有全控型開關器件。本發明複合脈衝發生電路在不同模式下的使用方法是，第一種，當所需電路類型為雙向多電平非對稱脈衝發生電路即電路工作於雙向多電平非對稱脈衝模式時，具體按以下步驟操作：步驟1、如圖2，即電路工作在工作模態1.1的工作狀態圖，開關管S1關斷，開關管S2開通，電流由直流源1的正極經過負載、耦合電感cb端、開關管S2到直流源1的負極。此時輸出電壓Uo等於直流源電壓U；步驟2、如圖3，即電路工作在工作模態1.2的工作狀態圖，開關管S1開通，開關管S2關斷，電流由耦合電感b端經過二極體D1、開關管S1到耦 合電感c端。此時輸出電壓Uo等於零；步驟3、如圖4，即電路工作在工作模態1.3的工作狀態圖，開關管S1開通，開關管S2開通，直流源1正極經過負載、耦合電感cb端、開關管S2到電源1的負極，另一方面直流源1正極經過開關管S1、耦合電感ca端、耦合電感cb端到直流源1的負極。此時輸出電壓Uo等於耦合電感ca端的電壓-Um；步驟4、如圖5，即電路工作在工作模態1.4的工作狀態圖，開關管S1開通，開關管S2關斷，電流由耦合電感b端經過二極體D1、開關管S1到耦合電感c端。此時輸出電壓Uo等於零；步驟5、如圖6，即電路工作在工作模態1.5的工作狀態圖，開關管S1關斷，開關管S2關斷，一方面電流由耦合電感b端經過二極體D1、負載到耦合電感c端，另一方面電流由耦合電感b端經過二極體D1、直流源、二極體D2、耦合電感a端到耦合電感c端。此時輸出電壓Uo等於耦合電感ca端的電壓Um和直流源電壓U之和；步驟6、重複步驟1、2、3、4、5過程N次，N為大於等於0的整數；電路工作在雙向多電平非對稱脈衝模式下，工作波形如圖14所示。第二種，當所需電路類型為雙極性非對稱脈衝電路即電路工作在雙極性非對稱脈衝模式時，具體按以下步驟操作：步驟1、如圖7，即工作在工作模態2.1的工作狀態圖，開關管S1關斷，開關管S2開通，電流由直流源1的正極經過負載、耦合電感cb端、開關管S2到直流源1的負極。此時輸出電壓Uo等於電源電壓U；步驟2、如圖8，即工作在工作模態2.2的工作狀態圖，開關管S1開通，開關管S2關斷，電流由耦合電感b端經過二極體D1、開關管S1到耦合電感 c端。此時輸出電壓Uo等於零；步驟3、重複步驟1、2過程N次，N為大於等於0的整數；步驟4、如圖9，即電路工作在工作模態2.3的工作狀態圖，開關管S1開通，開關管S2開通，直流源1正極經過負載、耦合電感cb端、開關管S2到電源1的負極，另一方面直流源1正極經過開關管S1、耦合電感ca端、耦合電感cb端到電源1的負極。此時輸出電壓Uo等於耦合電感ca端的電壓-Um；步驟5、如圖10，即電路工作在工作模態2.4的工作狀態圖，開關管S1關斷，開關管S2開通，電流由耦合電感b端經過二極體D1、開關管S1到耦合電感c端。此時輸出電壓Uo等於零；步驟6、重複步驟4、5過程N次，N為大於等於0的整數；電路工作在雙極性非對稱脈衝模式下，工作波形如圖15所示。第三種，當所需電路類型為單極性脈衝發生電路即電路工作在單極性脈衝模式時，具體按以下步驟操作：步驟1、如圖11，即工作模態3.1的工作狀態圖，開關管S1關斷，開關管S2導通，電流從直流源1的正極經過負載、耦合電感cb端、開關管S2到直流源1負極，此時輸出電壓等於直流源電壓U；步驟2、如圖12，即工作模態3.2的工作狀態圖，開關管S1關斷，開關管S2關斷，電路中無電流迴路，此時Uo等於零；步驟3、重複步驟1、2過程N次，N為大於等於0的整數；電路工作在單極性脈衝模式下，工作波形如圖16所示。第四種，當所需電路類型為直流電路即電路工作在直流模式時，具體按以下步驟操作：步驟1、如圖13，即工作模態4的工作狀態圖，開關管S1關斷，開關管S2導通，電流從直流源1的正極經過負載、耦合電感cb端、開關管S2到直流源1負極，此時輸出電壓等於直流源電壓U；步驟3、重複步驟1過程N次，N為大於等於0的整數；電路工作在直流模式下，工作波形如圖17所示。本發明的複合脈衝發生電路，通過控制開關管S1、S2的開通和關斷，實現了雙向多電平非對稱脈衝、雙極性非對稱、單極性脈衝和直流等多種波形輸出，電路結構和控制方式簡單，特別是無需輔助電源即可實現雙向多電平脈衝輸出，該電路還適用於磁控濺射等表面處理設備以及弧焊電源等脈衝電源，在工業生產中有良好的應用前景。