大功率脈沖沿時間可調節(jié)交直流電源的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種大功率脈沖沿時間可調節(jié)交直流電源，包括：整流電源模塊、穩(wěn)態(tài)直流電源模塊、脈沖沿調節(jié)模塊和換向模塊。針對脈沖穩(wěn)態(tài)過程，本發(fā)明采用所述整流電源模塊和所述穩(wěn)態(tài)直流電源模塊向負載輸出直流電能；而針對脈沖上升沿和下降沿的瞬態(tài)過程，本發(fā)明采用所述脈沖沿調節(jié)模塊控制電源和負載之間的電能交換，從而調節(jié)脈沖跳變沿的時間；所述換向模塊再將所述穩(wěn)態(tài)直流電源模塊和所述脈沖沿調節(jié)模塊有機的結合在一起，通過控制系統(tǒng)實時控制電源向磁鐵或線圈負載輸出脈沖交流或直流電能。本發(fā)明相對于現(xiàn)有大功率脈沖或方波電源主電路拓撲和控制系統(tǒng)異常復雜等問題，具有主電路拓撲和控制系統(tǒng)簡單，系統(tǒng)總成本低以及可靠性高等顯著優(yōu)點。
【專利說明】大功率脈沖沿時間可調節(jié)交直流電源
【技術領域】
[0001]本發(fā)明屬大功率電力電子裝置【技術領域】。涉及一種應用于高能物理研究、海上石油勘探以及脈沖電鍍等領域的大功率脈沖或方波電源，這些領域對于電源輸出脈沖或方波的上升、下降沿時間有嚴格要求，一般需要動態(tài)調節(jié)電源脈沖上升、下降沿時間。
【背景技術】
[0002]在諸如高能物理研究領域所應用的磁鐵電源、海上石油勘探領域所應用的線圈激勵電源等應用場合，脈沖或方波電源向負載磁鐵或負載線圈提供一定幅度和形狀的脈沖或方波電流，讓負載磁鐵或線圈內的磁場按脈沖或方波電流的幅度和形狀做周期性的變化。在這些應用場合中，對于電源的輸出脈沖或方波電流的上升沿和下降沿時間有明確的指標要求，有時還需進行動態(tài)調節(jié)，例如在一種輸出脈沖電流為6500A的注入凸軌磁鐵脈沖電源技術參數(shù)中，要求脈沖上升時間小于500us，而脈沖下降時間為150?400us。目前，現(xiàn)有技術生產制造的此類電源,主電路大多采用由多組H橋串并聯(lián)的拓撲電路(H橋的并聯(lián)起分流作用，H橋的串聯(lián)起分壓作用)，而且每組H橋橋臂又由多個橋臂并聯(lián)組成；控制系統(tǒng)采用多個閉環(huán)反饋控制，用信號發(fā)生器對給定波形編程，將給定波形與電源輸出脈沖電流進行比較，通過反饋控制系統(tǒng)產生PWM脈沖信號，控制IGBT驅動脈沖占空比，使電源輸出脈沖電流跟蹤給定波形，成為受程序控制的脈沖電流。這種脈沖或方波電源方案雖然能滿足脈沖沿控制的目標，但主電路拓撲結構太復雜，一般需采用數(shù)十組H橋串并聯(lián)，功率器件IGBT數(shù)量可達上百只；如此復雜的主電路拓撲必然導致控制系統(tǒng)的復雜，需很好的解決串并聯(lián)H橋的均壓、均流以及驅動脈沖一致性等等很多問題。另外，這種電源方案勢必成本高、體積大，且可靠性低。
【發(fā)明內容】
[0003]本發(fā)明提出了一種新型的大功率脈沖沿時間可調節(jié)交直流電源，采用穩(wěn)態(tài)供電電路和脈沖沿時間調節(jié)電路相結合的方式為磁鐵或線圈負載提供脈沖或方波電流，旨在提出一種簡單、高性價比的脈沖沿時間可調節(jié)的脈沖或方波電源方案。
[0004]為實現(xiàn)上述目標，本發(fā)明提出的技術方案如下。
[0005]一種大功率脈沖沿時間可調節(jié)交直流電源，主要由整流電源模塊32、穩(wěn)態(tài)直流電源模塊33、脈沖沿調節(jié)模塊34 ;換向模塊35，磁鐵或線圈負載36組成，其中，脈沖沿調節(jié)模塊34用于控制在脈沖上升沿或下降沿瞬態(tài)過程中向負載釋放能量或儲存負載回饋的能量并同時對自身內部能量進行調節(jié)；換向模塊35用于在負載處于穩(wěn)態(tài)時將所述穩(wěn)態(tài)直流電源模塊輸出的直流電能周期性的進行換向，使負載磁鐵或線圈既能得到直流電能也能得到交流電能；當負載處于脈沖上升沿或下降沿的瞬態(tài)過程時，用于控制所述脈沖沿調節(jié)模塊與負載之間能量交換的方向；其特征在于，整流電源模塊輸入端與三相供電電網(wǎng)連接，輸出端與所述穩(wěn)態(tài)直流電源模塊輸入端連接；穩(wěn)態(tài)直流電源模塊輸入端與所述整流電源模塊輸出端連接，輸出端與所述脈沖沿調節(jié)模塊輸出端以及所述換向模塊輸入端連接；脈沖沿調節(jié)模塊輸入端與三相供電電網(wǎng)連接，輸出端與所述穩(wěn)態(tài)直流電源模塊輸出端以及所述換向模塊輸入端連接；換向模塊輸入端與所述穩(wěn)態(tài)直流電源模塊輸出端以及所述脈沖沿調節(jié)模塊輸出端連接，輸出端的兩端分別與負載兩端連接。
[0006]在本發(fā)明的結構中:
[0007]整流電源模塊32，用于將三相交流供電電壓轉換為電壓幅值恒定或可調節(jié)的直流脈動電壓，為后級功率變換模塊提供直流電能；穩(wěn)態(tài)直流電源模塊，將整流電源模塊變換的直流脈動電壓轉換為更平滑且幅值可調節(jié)的高頻直流電能，用于提供負載在穩(wěn)態(tài)過程中所需的直流電能；脈沖沿調節(jié)模塊，用于控制在脈沖上升沿或下降沿瞬態(tài)過程中向負載釋放能量或儲存負載回饋的能量，同時對自身內部能量進行調節(jié)，以達到滿足脈沖沿所要求調節(jié)時間內必須的能量要求；換向模塊，在負載處于穩(wěn)態(tài)時，所述換向模塊將所述穩(wěn)態(tài)直流電源模塊輸出的直流電能周期性的進行換向，使負載磁鐵或線圈既能得到直流電能也能得到交流電能；當負載處于脈沖上升沿或下降沿的瞬態(tài)過程時，所述換向模塊用于控制所述脈沖沿調節(jié)模塊與負載之間能量交換的方向。整流電源模塊輸入端與三相供電電網(wǎng)相連接，包括三相進線電抗器、三相全橋整流電路、平波電抗器以及直流支撐電容。所述三相進線電抗器輸入端與三相供電電網(wǎng)連接，輸出端與所述三相全橋整流電路連接，主要用于限制電網(wǎng)電壓突變和操作過電壓引起的電流沖擊。所述三相整流電路輸入端與所述三相電抗器輸出端連接，輸出端正極與所述平波電抗器輸入端連接，輸出端負極與所述直流支撐電容負極連接，采用三相不控或半控或全控橋式整流電路，用于將三相交流電壓變換為幅值可調或恒定的直流電壓。所述平波電抗器輸入與所述三相整流電路輸出端正極連接，輸出與所述直流支撐電容正極連接，主要用于抑制直流脈動電壓的紋波。所述直流支撐電容正極與所平波電抗器述輸出端連接，負極與所述三相整流電路輸出端負極連接，對所述三相整流電路的輸出電壓進行平滑濾波，同時吸收來自于后級變換器的高幅值脈動電流，使直流母線電壓波動保持在允許范圍內。所述直流支撐電容的正負極分別作為所述整流電源模塊輸出端正負極。
[0008]穩(wěn)態(tài)直流電源模塊33的輸入端與所述整流電源模塊的直流輸出端相連接，具體為輸入端正極與所述直流支撐電容的正極連接，負極與所述直流支撐電容的負極連接。所述穩(wěn)態(tài)直流電源模塊輸出預先設定幅值的直流電，提供負載在穩(wěn)態(tài)過程中所需的直流電能，可以采用多種非隔離或隔離的DC-DC拓撲電路，例如Buck、Boost、Buck-Boost或全橋電路等，具體根據(jù)實際應用場合擇優(yōu)選取電路拓撲結構，本說明書中以Buck電路為例進行闡述。采用Buck拓撲電路的穩(wěn)態(tài)直流電源模塊包括全控型功率半導體器件(如IGBT)，續(xù)流二極管，輸出電抗器以及輸出電容；所述功率器件IGBT集電極與所述直流支撐電容正極連接，發(fā)射極與所述續(xù)流二極管陰極連接，所述續(xù)流二極管陽極與所述直流支撐電容負極連接，所述輸出電抗器輸入端與續(xù)流二極管陰極連接，輸出端與所述輸出電容正極連接，所述輸出電容負極與所述續(xù)流二極管陽極連接。所述輸出電容的正負極分別作為所述穩(wěn)態(tài)直流電源模塊的輸出正負極。
[0009]脈沖沿調節(jié)模塊34輸入端與三相供電電網(wǎng)連接，包括三相進線電抗器、三相全控橋整流電路、電子開關以及儲能電容。所述三相進線電抗器和所述三相全控橋整流電路組成一個三相PWM整流器。所述三相進線電抗器輸入端與三相供電電網(wǎng)連接，輸出端與所述三相全控橋整流電路輸入端連接。所述三相全控橋整流電路輸出端正極與所述電子開關發(fā)射極連接，輸出端負極與所述儲能電容負極連接。所述儲能電容正極與所述電子開關集電極連接，負極與所述三相全控橋整流電路輸出負極連接。當所述儲能電容能量不夠時，所述三相PWM整流器將三相供電電網(wǎng)交流電能變換為直流電能，為所述儲能電容充電；當所述儲能電容能量足夠多，超過其額定容量時，所述三相PWM整流器將所述儲能電容存儲的多余電能逆變回饋回三相供電電網(wǎng)。由于供電電網(wǎng)和所述儲能電容間的能量需雙向流動，所述三相全控橋整流電路必須采用全控型功率半導體器件，如IGBT。所述電子開關用于控制供電電網(wǎng)和所述儲能電容間以及磁鐵或線圈負載和所述儲能電容間能量流動的方向，可以采用全控型的功率半導體器件，如帶反并聯(lián)續(xù)流二極管的IGBT。所述電子開關集電極與所述儲能電容正極連接，所述電子開關發(fā)射極與所述三相全控橋整流電路輸出正極連接。所述電子開關發(fā)射極作為所述脈沖沿調節(jié)模塊輸出正極，所述儲能電容負極作為所述脈沖沿調節(jié)模塊輸出負極。
[0010]換向模塊35在穩(wěn)態(tài)過程中將所述穩(wěn)態(tài)直流電源模塊輸出的直流電能變換為周期性的交流電能輸送給負載，在脈沖上升沿或下降沿的瞬態(tài)過程中，通過對功率半導體器件的開通、關斷控制所述脈沖沿調節(jié)模塊與磁鐵或線圈負載間能量交換的方向。所述換向模塊由一組(或多組并聯(lián)的)H橋變換器組成，H橋變換器由四只電流能雙向流動的全控型功率半導體器件(如帶反并聯(lián)續(xù)流二極管的IGBT)組成。在穩(wěn)態(tài)過程中，通過周期性的輪流開通、關斷所述H橋變換器中處于對角線的兩只功率半導體器件，將所述穩(wěn)態(tài)直流電源模塊輸出的直流電能變換為交流電能傳遞給負載；在脈沖沿上升的瞬態(tài)過程中，通過開通IGBT器件將所述脈沖沿調節(jié)模塊內部存儲的能量快速向磁鐵或線圈負載釋放，滿足負載對于脈沖電源上升速率的要求；在脈沖沿下降的瞬態(tài)過程中，將IGBT器件關斷，磁鐵或線圈負載在穩(wěn)態(tài)過程中存儲的能量經過IGBT反并聯(lián)的續(xù)流二極管快速向所述脈沖沿調節(jié)模塊單元釋放，滿足負載對于脈沖電源下降速率的要求。換向模塊輸入端正極與所述穩(wěn)態(tài)直流電源模塊中輸出電容正極連接，負極與輸出電容負極連接。H橋變換器超前橋臂的中點作為所述換向模塊輸出端一端，滯后橋臂的中點作為所述換向模塊輸出端的另一端。
[0011]整流電源模塊輸入端與三相供電電網(wǎng)連接，輸出端與所述穩(wěn)態(tài)直流電源模塊輸入端連接。穩(wěn)態(tài)直流電源模塊輸入端與所述整流電源模塊輸出端連接，輸出端與所述脈沖沿調節(jié)模塊輸出端以及所述換向模塊輸入端連接。脈沖沿調節(jié)模塊輸入端與三相供電電網(wǎng)連接，輸出端與所述穩(wěn)態(tài)直流電源模塊輸出端以及所述換向模塊輸入端連接。換向模塊輸入端與所述穩(wěn)態(tài)直流電源模塊輸出端以及所述脈沖沿調節(jié)模塊輸出端連接，輸出端的兩端分別與負載兩端連接。
[0012]本發(fā)明的上述技術方案相比現(xiàn)有技術方案具有以下優(yōu)點。
[0013]脈沖電源輸出脈沖可分解為脈沖穩(wěn)態(tài)過程和脈沖跳變沿瞬態(tài)過程兩部分，針對脈沖穩(wěn)態(tài)過程，本發(fā)明采用所述穩(wěn)態(tài)直流電源模塊向負載輸出預先設定好的直流電能，而針對脈沖上升沿和下降沿的瞬態(tài)過程，本發(fā)明采用所述脈沖沿調節(jié)模塊控制電源和負載之間的能量流動，從而調節(jié)脈沖跳變沿的變化速率，滿足負載對于電源輸出脈沖上升時間和下降時間的要求。本發(fā)明將脈沖電源分解為兩個電源模塊，通過控制系統(tǒng)將兩個電源模塊有機的結合起來，大大簡化了電源主電路拓撲和控制系統(tǒng)的復雜度，降低了電源的總成本，提高了電源的可靠性。本發(fā)明采用的所述換向模塊不僅能很方便的實現(xiàn)交直流脈沖的輸出，而且通過控制開關器件的開通關斷便能控制所述脈沖調節(jié)模塊與負載之間的能量傳遞方向，非常靈活。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0014]圖1為本發(fā)明大功率脈沖沿時間可調節(jié)交直流電源的系統(tǒng)示意框圖。
[0015]圖2為本發(fā)明大功率脈沖沿時間可調節(jié)交直流電源實施例的主電路拓撲圖；圖中附圖標記表不為:31—二相供電電網(wǎng)；32—整流電源模塊；33—穩(wěn)態(tài)直流電源模塊；34—脈沖沿調節(jié)模塊；35—換向模塊；36—磁鐵或線圈負載。
[0016]圖3為本發(fā)明大功率脈沖沿時間可調節(jié)交直流電源實施例的輸出電流波形示意圖；圖中附圖標記表示為:tr一脈沖上升沿瞬態(tài)過程；ts—脈沖穩(wěn)態(tài)過程；tf一脈沖下降沿瞬態(tài)過程。
【具體實施方式】
[0017]下面，結合附圖，對本發(fā)明的結構作進一步的詳述。
[0018]圖2所示為上述所提出技術方案的一種具體電路實現(xiàn)方式，包括:三相供電電網(wǎng)31,整流電源模塊32，穩(wěn)態(tài)直流電源模塊33，脈沖沿調節(jié)模塊34，換向模塊35以及磁鐵或線圈負載36。
[0019]整流電源模塊32采用三相全橋不控整流電路拓撲，包括三相進線電抗器L1、整流二極管Dl?D6、平波電抗器L2以及直流支撐電容Cl ;其中三相進線電抗器LI主要用于限制電網(wǎng)電壓突變和操作過電壓引起的電流沖擊；整流二極管Dl?D6組成一個三相不控整流橋，完成AD-DC電能變換，將所述三相供電電網(wǎng)31的三相交流電壓變換為幅值恒定的直流脈動電壓；平波電抗器L2和直流支撐電容Cl組成一個直流濾波器，主要用于抑制直流脈動電壓的紋波，另外，直流支撐電容Cl還能同時吸收來自于后級所述穩(wěn)態(tài)直流電源模塊的高幅值脈動電流，使直流側母線電壓波動保持在允許范圍內。
[0020]穩(wěn)態(tài)直流電源模塊33采用Buck降壓斬波電路拓撲，完成DC-DC電能變換，在如圖3所示脈沖穩(wěn)態(tài)階段ts時間段內向磁鐵或線圈負載36提供直流電能，包括IGBT Q1、續(xù)流二極管D7、輸出電抗器L3以及輸出濾波電容C2 ;Buck斬波電路不僅能將所述整流電源模塊32變換的直流脈動電壓調節(jié)為更加平滑的直流電壓，同時還能將所述整流電源模塊32變換的幅值恒定的直流電壓變換為幅值可自由調節(jié)的直流電壓；當電源工作與電壓源模式時，采集輸出濾波電容C2兩端的電壓作為閉環(huán)反饋量，控制所述穩(wěn)態(tài)直流電源模塊33的輸出電壓按預先設定值輸出；當電源工作于電流源模式時，采集流過輸出電抗器L3上電流經輸出濾波電容C2濾波后的電流分量作為閉環(huán)反饋量，控制所述穩(wěn)態(tài)直流電源模塊33的輸出電流按預先設定值輸出。
[0021]脈沖沿調節(jié)模塊34在如圖3所示脈沖上升沿tr時間段向磁鐵或線圈負載釋放電能，加速脈沖上升沿的上升速率，在如圖3所示脈沖下降沿tf時間段內吸收磁鐵或線圈負內載釋放的電能，加速脈沖下降沿的下降速率；所述脈沖沿調節(jié)模塊34包括:三相進線電抗器L4、整流IGBT Q6?Q11、充當電子開關的IGBT Q12以及儲能電容C3 ;其中三相進線電抗器L4和整流IGBT Q6?Qll組成一個三相PWM整流器，當儲能電容C3存儲的電能不足以維持脈沖上升沿所要求的上升速率時，PWM整流器工作于整流狀態(tài)，電子開關Q12處于關斷狀態(tài)，供電電網(wǎng)通過PWM整流器和Q12的反并聯(lián)續(xù)流二極管向儲能電容C3充電；在脈沖下降沿過程中，電子開關Q12處于開通狀態(tài)，磁鐵或線圈負載在穩(wěn)態(tài)時存儲的電能通過Q12向儲能電容C3充電，當負載釋放的電能超過儲能電容C3的額定容量時，PWM整流器工作于逆變狀態(tài)，將多余的電能回饋至供電電網(wǎng)，保證儲能電容C3的安全可靠性。
[0022]換向模塊35采用H橋拓撲電路，既能將所述穩(wěn)態(tài)直流電源模塊33的直流輸出電壓變換為交流輸出電壓，也可保持原有直流輸出電壓橋包括Q2?Q5四只IGBT ;當超前橋臂上管Q2和滯后橋臂下管Q4導通時，磁鐵或線圈負載36上得到的電壓方向與所述穩(wěn)態(tài)直流電源模塊33輸出電壓方向一致，當超前橋臂下管Q3和滯后橋臂上管Q5導通時，磁鐵或線圈負載36上得到的電壓方向與所述穩(wěn)態(tài)直流電源模塊33輸出電壓方向相反；通過周期性的開通關斷Q2、Q4以及Q3、Q5即可在磁鐵或線圈負載36上得到正負交替的交流電壓；當不需輸出交流電壓時，將Q2、Q4開關對或Q3、Q5開關對一直開通，仍可在磁鐵或線圈負載36上得到直流電壓。
[0023]以上所述，僅為本發(fā)明所提出技術方案的一種具體電路實現(xiàn)形式，但本發(fā)明的保護范圍并不局限于此，任何熟悉本【技術領域】的技術人員在本發(fā)明闡述的技術范圍內，可輕易想到的變化或替換，都應涵蓋在本發(fā)明的保護范圍之內。
【權利要求】
1.一種大功率脈沖沿時間可調節(jié)交直流電源，主要由整流電源模塊32、穩(wěn)態(tài)直流電源模塊33、脈沖沿調節(jié)模塊34 ;換向模塊35，磁鐵或線圈負載36組成，其中，脈沖沿調節(jié)模塊34用于控制在脈沖上升沿或下降沿瞬態(tài)過程中向負載釋放能量或儲存負載回饋的能量并同時對自身內部能量進行調節(jié)；換向模塊35用于在負載處于穩(wěn)態(tài)時將所述穩(wěn)態(tài)直流電源模塊輸出的直流電能周期性的進行換向，使負載磁鐵或線圈既能得到直流電能也能得到交流電能；當負載處于脈沖上升沿或下降沿的瞬態(tài)過程時，用于控制所述脈沖沿調節(jié)模塊與負載之間能量交換的方向；其特征在于，整流電源模塊輸入端與三相供電電網(wǎng)連接，輸出端與所述穩(wěn)態(tài)直流電源模塊輸入端連接；穩(wěn)態(tài)直流電源模塊輸入端與所述整流電源模塊輸出端連接，輸出端與所述脈沖沿調節(jié)模塊輸出端以及所述換向模塊輸入端連接；脈沖沿調節(jié)模塊輸入端與三相供電電網(wǎng)連接，輸出端與所述穩(wěn)態(tài)直流電源模塊輸出端以及所述換向模塊輸入端連接；換向模塊輸入端與所述穩(wěn)態(tài)直流電源模塊輸出端以及所述脈沖沿調節(jié)模塊輸出端連接，輸出端的兩端分別與負載兩端連接。
2.根據(jù)權利要求1所述大功率脈沖沿時間可調節(jié)交直流電源，其特征在于，所述脈沖沿調節(jié)模塊由三相PWM整流器、電子開關以及儲能電容組成；所述換向模塊由一組或多組并聯(lián)的H橋變換器組成；H橋變換器由四只電流能雙向流動的全控型功率半導體器件。
3.根據(jù)權利要求2所述大功率脈沖沿時間可調節(jié)交直流電源，其特征在于，所述H橋變換器為帶反并聯(lián)續(xù)流二極管的IGBT。
【文檔編號】H02M7/217GK104135166SQ201410334766
【公開日】2014年11月5日 申請日期:2014年7月14日 優(yōu)先權日:2014年7月14日
【發(fā)明者】何 雄, 許建平 申請人:西南交通大學