一種用於容性負載的高壓脈衝電源的製作方法

2024-03-04 18:13:15

本實用新型涉及一種用於容性負載的高壓脈衝電源，具體屬於脈衝電源領域。

背景技術：

脈衝電源技術基於脈衝功率技術和現代電源技術，其電源系統一般由初級電源、中間儲能環節及脈衝形成系統等部分組成。其中，高壓脈衝電源的中間儲能環節按儲能方式不同主要有電容儲能式和電感儲能式兩種方式。電感比電容儲能密度大，但由於放電波形振蕩大，且不易產生長周期、快上升沿的方波脈衝；電容儲能放電波形穩定，控制性好且可適用於容性或高阻抗負載的負載。因此脈衝形成部分常常選用電容儲能的方式。

高壓脈衝電源具有極其廣泛的應用領域，例如在環保領域利用快脈衝放電離解有機物進行汙水處理、在材料和精密加工領域快脈衝產生等離子體的化學活性可以對材料進行表面改性、在食品加工領域快脈衝放電逐漸應用於食品保鮮和殺菌等等。但是在脈衝電源的諸多應用中，很多負載會表現出一定的容性行為，在脈衝電源放電過程中負載中會存儲電荷，而這些電荷放電結束後會緩慢洩放，使負載上的電壓並不會很快降到零電位，從而形成脈衝拖尾，所以普通的脈衝電源將難以直接驅動容性或高阻抗負載。

技術實現要素：

本實用新型提出一種用於容性負載的高壓脈衝電源，具有模塊集成化程度高、結構可擴展性強、固態半導體開關管耐壓要求低、可帶容性或高阻抗負載等優點；在相應的脈衝控制策略下，可以實現帶高阻抗或容性負載的需求。

本實用新型提出的一種用於容性負載的高壓脈衝電源，該脈衝電源包括由一個初級交流電源Uac、一個限流電阻Rac、開關管Tc0、開關管Tb0、開關管Tp0、開關管Td0、電容C0、高壓二級管Dd0和n個電壓倍增模塊；所述的每個電壓倍增模塊，包括兩個電容、六個開關管和一個高壓二級管；所述電路的開關管選用IGBT，並且每個IGBT都反向並聯二極體。

本實用新型提出的一種用於容性負載的高壓脈衝電源，初級交流電源Uac的一端與大地連接，初級交流電源Uac的另一端與限流電阻Rac的一端連接；限流電阻Rac的另一端與開關管Tc0的發射極連接，開關管Tc0的集電極與開關管Tp0的發射極、第一電壓倍增模塊的第一連接端連接；開關管Tp0的集電極與電容C0的一端、開關管Td0的集電極、第一電壓倍增模塊的第二連接端連接，開關管Td0的發射極與高壓二級管Dd0的陽極連接；高壓二級管Dd0的陰極和開關管Tb0的集電極與大地連接；Tb0的發射極與電容C0的另一端連接；第一電壓倍增模塊的第三連接端與第二電壓倍增模塊的第一連接端連接，第一電壓倍增模塊的第四連接端與第二電壓倍增模塊的第二連接端連接；以此類推，直到第(n-1)電壓倍增模塊的第三連接端與第n電壓倍增模塊的第一連接端連接，第(n-1)電壓倍增模塊的第四連接端與第n電壓倍增模塊的第二連接端連接；第n電壓倍增模塊的第三連接端和第n電壓倍增模塊的第四連接端與負載的一端連接，負載的另一端與大地連接。

上述高壓脈衝電源的n個電壓倍增模塊，其中每個電壓倍增模塊，包括電容C1、電容C2、開關管Tc1、開關管Tc2、開關管Tp1、開關管Tp2、開關管Tb1、開關管Td1、高壓二級管Dd1；所述的電容C1的一端作為電壓倍增模塊的第一連接端；電容C1的另一端與開關管Tc2的發射極、開關管Tp1的集電極連接；開關管Tp1的發射極與開關管Tc1的集電極、開關管Tb1的集電極、高壓二級管Dd1的陰極連接；開關管Tc1的發射極作為電壓倍增模塊的第二連接端；開關管Tc2的集電極與開關管Tp2的發射極連接，該連接點作為電壓倍增模塊的第三連接端；開關管Tb1的發射極與電容C2的一端連接；高壓二級管Dd1的陽極與開關管Td1的發射極連接；開關管Td1的集電極與開關管Tp2的集電極、電容C2的另一端連接，該連接點作為電壓倍增模塊的第四連接端。

本實用新型提出一種用於容性負載的高壓脈衝電源，其優點是，採用相應的控制策略解決了傳統高壓脈衝電源在容性負載的情況下出現脈衝拖尾的現象；電路的每一個IGBT開關管的耐壓值均不超過兩倍的輸入電壓，極大地降低了半導體開關器件的耐壓和絕緣要求；電路可以採用模塊化的設計，便於整個脈衝電源系統的維護、升級和擴容。

附圖說明

圖1為本實用新型提出的用於容性負載的高壓脈衝電源電路結構圖。

圖2為圖1所示的脈衝電源中電壓倍增模塊的電路結構圖。

具體實施方式

在本實用新型的描述中，需要理解的是，術語「中心」、「縱向」、「橫向」、「長度」、「寬度」、「厚度」、「上」、「下」、「前」、「後」、「左」、「右」、「豎直」、「水平」、「頂」、「底」「內」、「外」、「順時針」、「逆時針」、「軸向」、「徑向」、「周向」等指示的方位或位置關係為基於附圖所示的方位或位置關係，僅是為了便於描述本實用新型和簡化描述，而不是指示或暗示所指的裝置或元件必須具有特定的方位、以特定的方位構造和操作，因此不能理解為對本實用新型的限制。

此外，術語「第一」、「第二」僅用於描述目的，而不能理解為指示或暗示相對重要性或者隱含指明所指示的技術特徵的數量；由此，限定有「第一」、「第二」的特徵可以明示或者隱含地包括一個或者更多個該特徵；在本實用新型的描述中，「多個」的含義是兩個或兩個以上，除非另有明確具體的限定。

在本實用新型中，除非另有明確的規定和限定，術語「安裝」、「相連」、「連接」、「固定」等術語應做廣義理解，例如，可以是固定連接，也可以是可拆卸連接，或成一體可以是機械連接，也可以是電連接可以是直接相連，也可以通過中間媒介間接相連，可以是兩個元件內部的連通或兩個元件的相互作用關係；對於本領域的普通技術人員而言，可以根據具體情況理解上述術語在本實用新型中的具體含義。

在本實用新型中，除非另有明確的規定和限定，第一特徵在第二特徵「上」或「下」可以是第一和第二特徵直接接觸，或第一和第二特徵通過中間媒介間接接觸；而且，第一特徵在第二特徵「之上」、「上方」和「上面」可是第一特徵在第二特徵正上方或斜上方，或僅僅表示第一特徵水平高度高於第二特徵；第一特徵在第二特徵「之下」、「下方」和「下面」可以是第一特徵在第二特徵正下方或斜下方，或僅僅表示第一特徵水平高度小於第二特徵。

在本說明書的描述中，參考術語「一個實施例」、「一些實施例」、「示例」、「具體示例」、或「一些示例」等的描述意指結合該實施例或示例描述的具體特徵、結構、材料或者特點包含於本實用新型的至少一個實施例或示例中；在本說明書中，對上述術語的示意性表述不必須針對的是相同的實施例或示例；而且，描述的具體特徵、結構、材料或者特點可以在任一個或多個實施例或示例中以合適的方式結合。

下面詳細描述本實用新型的實施例，所述實施例的示例在附圖中示出，其中自始至終相同或類似的標號表示相同或類似的元件或具有相同或類似功能的元件；下面通過參考附圖描述的實施例是示例性的，旨在用於解釋本實用新型，而不能理解為對本實用新型的限制。

本實用新型提出的一種用於容性負載的高壓脈衝電源，該脈衝電源包括由一個初級交流電源Uac、一個限流電阻Rac、開關管Tc0、開關管Tb0、開關管Tp0、開關管Td0、電容C0、高壓二級管Dd0和n個電壓倍增模塊；所述的每個電壓倍增模塊，包括兩個電容、六個開關管和一個高壓二級管；所述電路的開關管選用IGBT，並且每個IGBT都反向並聯二極體。

本實用新型提出的一種用於容性負載的高壓脈衝電源，初級交流電源Uac的一端與大地連接，初級交流電源Uac的另一端與限流電阻Rac的一端連接；限流電阻Rac的另一端與開關管Tc0的發射極連接，開關管Tc0的集電極與開關管Tp0的發射極、第一電壓倍增模塊的第一連接端連接；開關管Tp0的集電極與電容C0的一端、開關管Td0的集電極、第一電壓倍增模塊的第二連接端連接，開關管Td0的發射極與高壓二級管Dd0的陽極連接；高壓二級管Dd0的陰極和開關管Tb0的集電極與大地連接；Tb0的發射極與電容C0的另一端連接；第一電壓倍增模塊的第三連接端與第二電壓倍增模塊的第一連接端連接，第一電壓倍增模塊的第四連接端與第二電壓倍增模塊的第二連接端連接；以此類推，直到第(n-1)電壓倍增模塊的第三連接端與第n電壓倍增模塊的第一連接端連接，第(n-1)電壓倍增模塊的第四連接端與第n電壓倍增模塊的第二連接端連接；第n電壓倍增模塊的第三連接端和第n電壓倍增模塊的第四連接端與負載的一端連接，負載的另一端與大地連接。

上述高壓脈衝電源的n個電壓倍增模塊，其中每個電壓倍增模塊，包括電容C1、電容C2、開關管Tc1、開關管Tc2、開關管Tp1、開關管Tp2、開關管Tb1、開關管Td1、高壓二級管Dd1；所述的電容C1的一端作為電壓倍增模塊的第一連接端；電容C1的另一端與開關管Tc2的發射極、開關管Tp1的集電極連接；開關管Tp1的發射極與開關管Tc1的集電極、開關管Tb1的集電極、高壓二級管Dd1的陰極連接；開關管Tc1的發射極作為電壓倍增模塊的第二連接端；開關管Tc2的集電極與開關管Tp2的發射極連接，該連接點作為電壓倍增模塊的第三連接端；開關管Tb1的發射極與電容C2的一端連接；高壓二級管Dd1的陽極與開關管Td1的發射極連接；開關管Td1的集電極與開關管Tp2的集電極、電容C2的另一端連接，該連接點作為電壓倍增模塊的第四連接端。

以下結合附圖1和附圖2，通過闡述相應的控制策略，詳細介紹本實用新型提出的用於容性負載的高壓脈衝電源電路的工作過程，可以分為三個工作階段。

第一階段，交流電源給各儲能電容充電階段。

觸發導通開關管Tc0、開關管Tb0和各電壓倍增模塊的開關管Tc1、開關管Tc2、開關管Tb1，充電過程分為交流電源的正、負半周兩個充電工作周期。

在交流電源的正半周（上正下負）充電工作周期內，對電容C0和各級電壓倍增模塊的電容C2進行充電；對電容C0的充電迴路是交流電源正極性端-限流電阻Rac-開關管Tc0-開關管Tp0的反並聯二極體-電容C0-開關管Tb1-交流電源負極性端，對電容C0充入一倍的輸入電壓；對每一級電壓倍增模塊的電容C2的充電迴路是交流電源正極性端-限流電阻Rac-開關管Tc0-該級和該級模塊之前各級的電容C1和開關管Tc2-該級模塊的開關管Tp2反並聯二極體-該級電壓倍增模塊的電容C2-該級模塊的開關管Tb1和開關管Tc1-該級模塊之前各級的電容C2、開關管Tb1和開關管Tc1-電容C0-開關管Tb0-交流電源負極性端，對每一級電壓倍增模塊的電容C2充入兩倍的輸入電壓。

在交流電源的負半周（下正上負）的充電工作周期內，對各級電壓倍增模塊的電容C1進行充電；對每一級電壓倍增模塊的電容C1的充電迴路是交流電源正極性端-開關管Tb0-電容C0-該級模塊之前各級的開關管Tc1、開關管Tb1、電容C2-該級模塊的開關管Tc1、開關管Tp1的反並聯二極體-該級電壓倍增模塊的電容C1-該級模塊之前各級的開關管Tc2、電容C1-開關管Tc0-限流電阻Rac-交流電源負極性端，對每一級電壓倍增模塊的電容C1充入兩倍的輸入電壓。

第二階段，各儲能電容對容性負載脈衝放電階段。

關斷開關管Tc0和各電壓倍增模塊的開關管Tc1、開關管Tc2，繼續使開關管Tb0和各電壓倍增模塊的開關管Tb1保持導通狀態，觸發導通開關管Tp0和各電壓倍增模塊的開關管Tp1、開關管Tp2，構成各儲能電容串聯的放電迴路是大地-開關管Tb0-電容C0-開關管Tp0-各級電壓倍增模塊的電容C1、開關管Tp1、開關管Tb1、電容C2、開關管Tp2-負載-大地，實現對負載的脈衝放電。

第三階段，對容性負載脈衝放電結束後的截尾階段。

脈衝放電結束之後，關斷開關管Tb0、開關管Tp0和各電壓倍增模塊的開關管Tb1、開關管Tp1、開關管Tp2，觸發導通開關管Td0和各電壓倍增模塊的開關管Tc1、開關管Td1，使容性負載產生低阻抗迴路，該迴路是大地-負載-各電壓倍增模塊的開關管Td1、高壓二級管Dd1、開關管Tc1-開關管Td0-高壓二級管Dd0-大地，容性負載可以通過這種控制策略解決脈衝下降沿的拖尾現象。

儘管上面已經示出和描述了本實用新型的實施例，可以理解的是，上述實施例是示例性的，不能理解為對本實用新型的限制，本領域的普通技術人員在本實用新型的範圍內可以對上述實施例進行變化、修改、替換和變型。