CN103401468B - 一种等离子体起弧电路 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种等离子体起弧电路，包括降压型稳流源电路（1）和高压脉冲电源电路（2），降压型稳流源电路（1）包括控制器（11）、电流采样电路（13）、带有中心抽头的耦合电感L1和电感L2、以及接于直流电压源（DC）正负极之间的二极管D1和第一开关装置，高压脉冲电源电路（2）包括用于发出脉冲信号的触发驱动模块（21）、第二开关装置、电感L1和电感L2，为了实现等离子体起弧电源的功能，并降低整体重量，本发明将高压脉冲电源与稳流源整合，从而实现单一模块的双重功能，避免切换过程带来的问题，模块简单可靠。

Description

一种等离子体起弧电路
技术领域
本发明涉及等离子体起弧电路。
背景技术
等离子体近年来得到了较为广泛的应用，包括高温等离子体切割技术、航空航天等离子体推进技术、医疗器械等离子体灭菌技术等等。该类等离子体的电源控制技术是等离子发生环节中重要的一环，并成为该行业的技术难点。
传统的等离子体起弧电路首先需要在输出端产生脉冲式高压，将气体等离子体化，之后根据不同的工作需要及应用背景令电源实现稳流输出。因此，等离子体起弧电路需兼有高压脉冲电源及稳流源的双重功能。
在已有的等离子体起弧电路中，高压脉冲电源将气体离子化之后需切换至稳流源。传统等离子体起弧电源将高压脉冲电源与稳流源分别设计，由于两电源的输出端共同作用于同一负载，相当于两电源在输出端并联，这就造成两电源之间的切换电路的设计较为复杂，且器件需要耐受电压较高，给器件选型也带来一定困难。
发明内容
为了解决现有等离子体起弧电路中，高压脉冲电源与稳流源之间的切换电路结构复杂、器件需耐受电压高的技术问题，本发明提出一种等离子体起弧电路，包括降压型稳流源电路和高压脉冲电源电路，降压型稳流源电路包括控制器、电流采样电路、带有中心抽头的耦合电感L1和电感L2、以及接于直流电压源正负极之间的二极管D1和第一开关装置，二极管D1的负极接直流电压源的正极，二极管D1的正极接第一开关装置的一端，第一开关装置的另一端接直流电压源的负极，第一开关装置的控制端接控制器，电流采样电路设于等离子体起弧电路的负载输出端，其输出端接控制器；高压脉冲电源电路包括触发驱动模块、第二开关装置、电感L1和电感L2，电感L1的一端接二极管D1的负极，电感L1的另一端分别与电感L2的异名端和第二开关装置连接，电感L2的另一端作为等离子体起弧电路的输出端，第二开关装置的另一端分别与二极管D1的正极和第一开关装置连接，第二开关装置的控制端与触发驱动模块连接。
进一步的，触发驱动电路包括依次连接的脉冲整形电路、上升沿单稳态触发电路和驱动电路，脉冲整形电路接收外部高压指令脉冲，驱动电路的输出端接第二开关装置的控制端。
进一步的，第一开关装置和控制器之间接有驱动器。
进一步的，电感L1、第二开关装置与电感L2之间接有二极管D2，二极管D2的负极与电感L2连接。
进一步的，电感L1、电感L2与第二开关装置之间接有二极管D3，二极管D3的负极与第二开关装置连接。
进一步的，第一开关装置为MOS管M1和/或第二开关装置为MOS管M2。
进一步的，所述等离子体起弧电路还包括接于第二开关装置两端之间的吸收电路。
更进一步的，吸收电路包括二极管D4、电容C和电阻R，电阻C和电阻R并接后一端与二极管D4的负极连接，另一端与第二开关装置的一端连接，二极管D4的正极接第二开关装置的另一端。
更进一步的，电感L1、电感L2和电容C满足以下关系：
当电源进入稳流输出的工作状态时，则有
L1+L2≥D*(1-D)*2Vi/(△Io*f)
其中，Vi、Io和△Io分别为等离子体起弧电路的输入电压、输出电流为和输出电流纹波，D为稳流源稳态占空比，f为第一开关装置的开关频率；
高压脉冲电源驱动信号为高电平时，则有
Vo=(n-1)*Vi
其中，Vo为高压脉冲电源电路的输出电压为，n为电感L1与L2的匝比；
高压脉冲电源驱动信号为低电平时，则有
I1 2*L1/2=(VC 2-Vi 2)*C/2
其中，I1为电感L1上的电流，VC为电容C上的电压。
更进一步的，电阻R为10KΩ。
本发明具的有益效果是：为了实现等离子体起弧电源的功能，并降低整体重量，本发明将高压脉冲电源与稳流源整合，从而实现单一模块的双重功能，避免切换过程带来的问题，并且无需高压切换开关，模块简单可靠。
附图说明
图1为本发明实施例等离子体起弧电路的电路结构示意图；
图2为图1所示的电路中触发驱动模块的电路结构示意图；
图3为图1所示的电路在点火控制脉冲使能时MOS管M2导通后电路情况；
图4为图1所示的电路在点火脉冲消失后MOS管M2断开后电路情况。
具体实施方式
下面结合附图说明及具体实施方式对本发明进一步说明。
如图1所示，本发明实施例的等离子体起弧电路，包括降压型稳流源电路1和高压脉冲电源电路2，降压型稳流源电路1包括控制器11、驱动器12、电流采样电路13、带有中心抽头的耦合电感L1和电感L2、以及接于直流电压源DC正负极之间的二极管D1和第一开关装置，二极管D1的负极接直流电压源DC的正极，二极管D1的正极接第一开关装置的一端，第一开关装置的另一端接直流电压源DC的负极，第一开关装置的控制端经驱动器12接控制器11，电流采样电路13设于等离子体起弧电路的负载输出端，其输出端接控制器11；高压脉冲电源电路2包括触发驱动模块21、第二开关装置、电感L1和电感L2，电感L1的一端接二极管D1的负极，电感L1的另一端分别与电感L2的异名端和第二开关装置连接，电感L2的另一端作为等离子体起弧电路的输出端，第二开关装置的另一端分别与二极管D1的正极和第一开关装置连接，第二开关装置的控制端与触发驱动模块21连接。第一开关装置选用MOS管M1，第二开关装置选用MOS管M2。
如图1所示，电感L1和MOS管M2漏极的汇接处与电感L2之间接有二极管D2，二极管D2的负极与电感L2连接。电感L1和二极管D2的汇接处与MOS管M2漏极之间接有二极管D3，二极管D3的负极与MOS管M2漏极连接。
如图2所示，触发驱动模块21包括依次连接的脉冲整形电路211、上升沿单稳态触发电路212和驱动电路213，脉冲整形电路211根据需要自外部接收高压指令脉冲，驱动电路213接MOS管M2的栅极。其中脉冲整形电路21可采用串接的两个非门Q1、Q2。
优选的，本实施例的等离子体起弧电路还包括接于第二开关装置两端之间的吸收电路。吸收电路包括二极管D4、电容C和电阻R，电阻C和电阻R并接后一端与二极管D4的负极连接，另一端与MOS管M2源级连接，二极管D4的正极和MOS管M2漏极汇接后与二极管D3的负极连接。
本实施例的等离子体起弧电路拓扑结构如图1所示，其能实现高压脉冲电源和稳流源两种功能，L1与L2为带有中心抽头的耦合电感。首先，等离子体起弧电路未工作时，控制稳流源稳流输出的控制器11由于输出端开路，电流采样电路13向控制器11的反馈信号为零，控制器11通过驱动器12控制MOS管M1处于一直导通的状态。当需要高压脉冲电源电路工作时，***电路发出高压指令脉冲，经过两个非门Q1、Q2对此脉冲进行整形，之后，信号进入上升沿单稳态触发电路，产生一定占空比的驱动信号。如图3所示，当驱动信号为高电平时，两电感L1、L2中心抽头处的MOS管M2在点火脉冲的驱动下导通，将电能储存在原边的电感L1上，MOS管M2的闭合时间与储存能量的大小直接相关；而后，当驱动信号为低电平时，MOS管M2断开，如图4所示，令原边电感L1的储能通过与其相耦合的副边电感L2将电压泵升至所需的高压（可根据所需的升压幅度设置电感L1和电感L2的匝比），即可实现负载等离子体化，此处，MOS管M2处的RCD4作为吸收回路，降低该高压产生过程中对MOS管的电压应力。
在输出端负载成功等离子体之后，直流电压源DC进入稳流输出的工作状态，此时的MOS管M2处于断开状态，L1、L2共同作为稳流源的输出滤波电感，可从输出电感L2处进行电流采样，通过电流闭环控制器，控制MOS管M1的导通时间，以达到稳流输出的目的。
以下介绍电感L1、L2、C的选取法：
首先，当电源进入稳流输出的工作状态，L1、L2串联作为稳流源的输出滤波电感，设等离子体起弧电路的输入电压为Vi，输出电流为Io，输出电流纹波为△Io，稳流源稳态占空比为D，MOS管M1的开关频率为f，则有：
L1+L2≥D*(1-D)*2Vi/(△Io*f)
设高压脉冲电源电路的输出电压为Vo，电感L1与L2的匝比为n，电感L1上的电流为I1，电容C上电压为VC；高压脉冲电源驱动信号为高电平时，则有：
Vo=(n-1)*Vi
高压脉冲电源驱动信号为低电平时，则有：
I1 2*L1/2=(VC 2-Vi 2)*C/2
根据以上关系式可以选定L1、L2以及C的参数，电路中的R在稳流源正常工作时，将带来静态功耗，因此阻值一般选择10KΩ左右。
如上所云是结合具体的优选实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施只局限于这些说明。对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思和内涵的前提下，还可以做出若干简单推演或替换，都应当视为属于本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种等离子体起弧电路，包括降压型稳流源电路(1)和高压脉冲电源电路(2)，其特征在于：降压型稳流源电路(1)包括控制器(11)、电流采样电路(13)、带有中心抽头的耦合电感L1和电感L2、以及接于直流电压源(DC)正负极之间的二极管D1和第一开关装置，二极管D1的负极接直流电压源(DC)的正极，二极管D1的正极接第一开关装置的一端，第一开关装置的另一端接直流电压源(DC)的负极，第一开关装置的控制端接控制器(11)，电流采样电路(13)设于等离子体起弧电路的负载输出端，电流采样电路(13)的输出端接控制器(11)；高压脉冲电源电路(2)包括触发驱动模块(21)、第二开关装置、电感L1和电感L2，电感L1的同名端接二极管D1的负极，电感L1的异名端分别与电感L2的同名端和第二开关装置的一端连接，电感L2的异名端作为等离子体起弧电路的输出端，第二开关装置的另一端分别与二极管D1的正极和第一开关装置的一端连接，第二开关装置的控制端与触发驱动模块(21)连接。
2.根据权利要求1所述的等离子体起弧电路，其特征在于：触发驱动电路(21)包括依次连接的脉冲整形电路(211)、上升沿单稳态触发电路(212)和驱动电路(213)，脉冲整形电路(211)接收外部高压指令脉冲，驱动电路(213)的输出端接第二开关装置的控制端。
3.根据权利要求1所述的等离子体起弧电路，其特征在于：第一开关装置和控制器(11)之间接有驱动器(12)。
4.根据权利要求1所述的等离子体起弧电路，其特征在于：电感L1与电感L2之间接有二极管D2，二极管D2的负极与电感L2连接，二极管D2的正极与电感L1连接。
5.根据权利要求1所述的等离子体起弧电路，其特征在于：电感L1与第二开关装置之间接有二极管D3，二极管D3的负极与第二开关装置连接，二极管D3的正极与电感L1连接。
6.根据权利要求1所述的等离子体起弧电路，其特征在于：第一开关装置为MOS管M1和/或第二开关装置为MOS管M2。
7.根据权利要求1所述的等离子体起弧电路，其特征在于：还包括接于第二开关装置两端之间的吸收电路。
8.根据权利要求7所述的等离子体起弧电路，其特征在于：吸收电路包括二极管D4、电容C和电阻R，电阻C和电阻R并接后一端与二极管D4的负极连接，另一端与第二开关装置的一端连接，二极管D4的正极接第二开关装置的另一端。
9.根据权利要求8所述的等离子体起弧电路，其特征在于：电感L1、电感L2和电容C满足以下关系：
当电源进入稳流输出的工作状态时，则有
L1+L2≥D*(1-D)*2Vi/(△Io*f)
其中，Vi、Io和△Io分别为等离子体起弧电路的输入电压、输出电流为和输出电流纹波，D为稳流源稳态占空比，f为第一开关装置的开关频率；
高压脉冲电源驱动信号为高电平时，则有
Vo＝(n-1)*Vi
其中，Vo为高压脉冲电源电路的输出电压为，n为电感L1与L2的匝比；
高压脉冲电源驱动信号为低电平时，则有
I1 2*L1/2＝(VC 2-Vi 2)*C/2
其中，I1为电感L1上的电流为I1，电容C上的电压为VC。
10.根据权利要求8所述的等离子体起弧电路，其特征在于：电阻R为10KΩ。
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