大功率脈沖沿時間可調(diào)節(jié)交直流電源的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本實用新型屬大功率電力電子裝置技術(shù)領(lǐng)域。涉及一種應(yīng)用于高能物理研宄、海上石油勘探以及脈沖電鍍等領(lǐng)域的大功率脈沖或方波電源，這些領(lǐng)域?qū)τ陔娫摧敵雒}沖或方波的上升、下降沿時間有嚴(yán)格要求，一般需要動態(tài)調(diào)節(jié)電源脈沖上升、下降沿時間。
【背景技術(shù)】
[0002]在諸如高能物理研宄領(lǐng)域所應(yīng)用的磁鐵電源、海上石油勘探領(lǐng)域所應(yīng)用的線圈激勵電源等應(yīng)用場合，脈沖或方波電源向負(fù)載磁鐵或負(fù)載線圈提供一定幅度和形狀的脈沖或方波電流，讓負(fù)載磁鐵或線圈內(nèi)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(yīng)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(biāo)要求，有時還需進(jìn)行動態(tài)調(diào)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(shù)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(shù)生產(chǎn)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?fù)潆娐?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(jìn)行比較，通過反饋控制系統(tǒng)產(chǎn)生PWM脈沖信號，控制IGBT驅(qū)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(biāo)，但主電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)太復(fù)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(dá)上百只；如此復(fù)雜的主電路拓?fù)浔厝粚?dǎo)致控制系統(tǒng)的復(fù)雜，需很好的解決串并聯(lián)H橋的均壓、均流以及驅(qū)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。
【實用新型內(nèi)容】
[0003]本實用新型提出了一種新型的大功率脈沖沿時間可調(diào)節(jié)交直流電源，采用穩(wěn)態(tài)供電電路和脈沖沿時間調(diào)節(jié)電路相結(jié)合的方式為磁鐵或線圈負(fù)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(diào)節(jié)的脈沖或方波電源方案。
[0004]為實現(xiàn)上述目標(biāo)，本實用新型提出的技術(shù)方案如下。
[0005]一種大功率脈沖沿時間可調(diào)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(diào)節(jié)模塊34 ;換向模塊35，磁鐵或線圈負(fù)載36組成，其中，脈沖沿調(diào)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(fù)載釋放能量或儲存負(fù)載回饋的能量并同時對自身內(nèi)部能量進(jìn)行調(diào)節(jié)；換向模塊35用于在負(fù)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(jìn)行換向，使負(fù)載磁鐵或線圈既能得到直流電能也能得到交流電能；當(dāng)負(fù)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(diào)節(jié)模塊與負(fù)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(diào)節(jié)模塊輸出端以及所述換向模塊輸入端連接；脈沖沿調(diào)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(diào)節(jié)模塊輸出端連接，輸出端的兩端分別與負(fù)載兩端連接。
[0006]在本實用新型的結(jié)構(gòu)中:
[0007]整流電源模塊32，用于將三相交流供電電壓轉(zhuǎn)換為電壓幅值恒定或可調(diào)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(zhuǎn)換為更平滑且幅值可調(diào)節(jié)的高頻直流電能，用于提供負(fù)載在穩(wěn)態(tài)過程中所需的直流電能；脈沖沿調(diào)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(fù)載釋放能量或儲存負(fù)載回饋的能量，同時對自身內(nèi)部能量進(jìn)行調(diào)節(jié)，以達(dá)到滿足脈沖沿所要求調(diào)節(jié)時間內(nèi)必須的能量要求；換向模塊，在負(fù)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(jìn)行換向，使負(fù)載磁鐵或線圈既能得到直流電能也能得到交流電能；當(dāng)負(fù)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(diào)節(jié)模塊與負(fù)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(jìn)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(jìn)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(fù)極與所述直流支撐電容負(fù)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(diào)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(fù)極與所述三相整流電路輸出端負(fù)極連接，對所述三相整流電路的輸出電壓進(jìn)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(nèi)。所述直流支撐電容的正負(fù)極分別作為所述整流電源模塊輸出端正負(fù)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(fù)極與所述直流支撐電容的負(fù)極連接。所述穩(wěn)態(tài)直流電源模塊輸出預(yù)先設(shè)定幅值的直流電，提供負(fù)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?fù)潆娐?，例如Buck、Boost、Buck-Boost或全橋電路等，具體根據(jù)實際應(yīng)用場合擇優(yōu)選取電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，本說明書中以Buck電路為例進(jìn)行闡述。采用Buck拓?fù)潆娐返姆€(wěn)態(tài)直流電源模塊包括全控型功率半導(dǎo)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(fù)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(fù)極與所述續(xù)流二極管陽極連接。所述輸出電容的正負(fù)極分別作為所述穩(wěn)態(tài)直流電源模塊的輸出正負(fù)極。
[0009]脈沖沿調(diào)節(jié)模塊34輸入端與三相供電電網(wǎng)連接，包括三相進(jìn)線電抗器、三相全控橋整流電路、電子開關(guān)以及儲能電容。所述三相進(jìn)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(jìn)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(guān)發(fā)射極連接，輸出端負(fù)極與所述儲能電容負(fù)極連接。所述儲能電容正極與所述電子開關(guān)集電極連接，負(fù)極與所述三相全控橋整流電路輸出負(fù)極連接。當(dāng)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(dāng)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(dǎo)體器件，如IGBT。所述電子開關(guān)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(fù)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(dǎo)體器件，如帶反并聯(lián)續(xù)流二極管的IGBT。所述電子開關(guān)集電極與所述儲能電容正極連接，所述電子開關(guān)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(guān)發(fā)射極作為所述脈沖沿調(diào)節(jié)模塊輸出正極，所述儲能電容負(fù)極作為所述脈沖沿調(diào)節(jié)模塊輸出負(fù)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(fù)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(dǎo)體器件的開通、關(guān)斷控制所述脈沖沿調(diào)節(jié)模塊與磁鐵或線圈負(fù)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(dǎo)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(guān)斷所述H橋變換器中處于對角線的兩只功率半導(dǎo)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(fù)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(diào)節(jié)模塊內(nèi)部存儲的能量快速向磁鐵或線圈負(fù)載釋放，滿足負(fù)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(guān)斷，磁鐵或線圈負(fù)載在穩(wěn)態(tài)過程中存儲的能量經(jīng)過IGBT反并聯(lián)的續(xù)流二極管快速向所述脈沖沿調(diào)節(jié)模塊單元釋放，滿足負(fù)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(fù)極與輸出電容負(fù)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