CN108736760B - 一种基于固态开关的高压脉冲发生器 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于固态开关的高压脉冲发生器，该发生器包括输入电源、电路的快关管、至少一组固态开关模块、负载电阻和负载电容，电路的快关管的一端连接输入电源的正极，另一端连接到至少一组固态开关模块的输入端；至少一组固态开关模块的输出端连接到输入电源的负极；固态开关模块包括一个储能电容、一个上位开关和一个下位开关，上位开关和下位开关串联后与储能电容并联；当只有一组固态开关模块的时候，负载电阻的一端连接到固态开关模块的上位开关和下位开关之间，负载电阻的另一端与负载电容串联后连接到输入电源的负极；当固态开关模块多于一组的时候，不同的固态开关模块并联，相邻的固态开关模块的输入端之间串联有保护二极管。
Description
技术领域
本发明涉及电气设备及电器工程技术领域，具体涉及一种基于固态开关的高压脉冲发生器。
背景技术
高压脉冲发生器广泛用于电表、家用电器、低压电器、机电等相关行业进行绝缘性能试验。高压脉冲发生器产生的脉冲波形主要有方波、指数衰减波以及震荡波等。
现有技术中传统高压脉冲发生器多依靠火花间隙开关(spark gap)来实现瞬时导通，然而这种开关可控性差，导致这种类型的脉冲发生器难以控制开启关闭时间，同时脉冲幅度及长度也难以控制。随着高压固态开关技术逐渐成熟，基于传统marx拓扑的固态marx拓扑开始大量出现。
Marx型发生器所需直流电源电压较低、无需使用变压器，因此其体积比较小，但需通过LC充电来补充脉冲期间失去的电荷，所以其重复频率不太高。另外，随着Marx脉冲发生器级数的增大，导致输出脉冲前沿时间变长，不利于杀菌效率的提高。通过脉冲变压器升压后也可得到高压脉冲发生器。利用脉冲变压器升压法研究设计的脉冲发生器由于均使用脉冲变压器升压，从而降低了高压直流电源的电压等级，简化了变压器初级电路的设计，因而得到广泛应用。但脉冲变压器的应用同时也限制了输出脉冲宽度的变化范围，且脉冲变压器对快前沿脉冲响应较差。另外由于变压器的恢复时间问题，导致脉冲重复频率不能太高。所以研究设计价格低廉、寄生参数小的大功率脉冲变压器是提高此类型高压脉冲发生器参数的一个方向。
早期的固态marx拓扑多采用绝缘变压器实现对位于高电平位的IGBT的控制，然而受限很多，绝缘变压器的尺寸和设计难度也因电位差的增大而变大。
发明内容
为了克服现有技术中存在的问题，本发明提供一种完全基于高压固态开关的模块化高压脉冲发生器。
为实现上述目的，本发明所述的基于固态开关的高压脉冲发生器包括输入电源、电路的快关管、至少一组固态开关模块、负载电阻和负载电容，所述的电路的快关管的一端连接输入电源的正极，另一端连接到至少一组固态开关模块的输入端；至少一组固态开关模块的输出端连接到输入电源的负极；所述的固态开关模块包括一个储能电容、一个上位开关和一个下位开关，上位开关和下位开关串联后与储能电容并联；当只有一组固态开关模块的时候，负载电阻的一端连接到固态开关模块的上位开关和下位开关之间，负载电阻的另一端与负载电容串联后连接到输入电源的负极；当固态开关模块多于一组的时候，不同的固态开关模块并联，相邻的固态开关模块的输入端之间串联有保护二极管，在后的固态开关模块的输出端连接到与其相邻的在前的固态开关模块的上位开关和下位开关之间；第一组固态开关模块的输出端连接到输入电源的负极；负载电阻的一端连接到最末端的固态开关模块的上位开关和下位开关之间，负载电阻的另一端与负载电容串联后连接到输入电源的负极。
所述的固态开关模块包括一个储能电容、一个上位开关和一个下位开关，上位开关和下位开关串联后与储能电容并联；所述的上位开关包括第一绝缘栅双极型晶体管芯片和第一续流二极管，所述的第一绝缘栅双极型晶体管芯片的集电极与第一续流二极管的负极连接，第一绝缘栅双极型晶体管芯片的发射极与第一续流二极管的正极连接；所述的下位开关包括第二绝缘栅双极型晶体管芯片和第二续流二极管，所述的第二绝缘栅双极型晶体管芯片的集电极与第二续流二极管的负极连接，第二绝缘栅双极型晶体管芯片的发射极与第二续流二极管的正极连接。
所述的基于固态开关的高压脉冲发生器包括四组固态开关模块，其中第一组固态开关模块包括第一储能电容、第一上位开关和第一下位开关，第一上位开关和第一下位开关串联后与第一储能电容并联；第二组固态开关模块包括第二储能电容、第二上位开关和第二下位开关，第二上位开关和第二下位开关串联后与第二储能电容并联；第一组固态开关模块的输入端与第二组固态开关模块的输入端之间串联有第一保护二极管，第二组固态开关模块的输出端连接到第一组固态开关模块的第一上位开关和第一下位开关之间。
第三组固态开关模块包括第三储能电容、第三上位开关和第三下位开关，第三上位开关和第三下位开关串联后与第三储能电容并联；第二组固态开关模块的输入端与第三组固态开关模块的输入端之间串联有第二保护二极管，第三组固态开关模块的输出端连接到第二组固态开关模块的第二上位开关和第二下位开关之间。
第四组固态开关模块包括第四储能电容、第四上位开关和第四下位开关，第四上位开关和第四下位开关串联后与第四储能电容并联；第三组固态开关模块的输入端与第四组固态开关模块的输入端之间串联有第三保护二极管，第四组固态开关模块的输出端连接到第三组固态开关模块的第三上位开关和第三下位开关之间；负载电阻的一端连接到第四组固态开关模块的第四上位开关和第四下位开关之间，负载电阻的另一端与负载电容串联后连接到输入电源的负极。
所述的基于固态开关的高压脉冲发生器还包括保护电阻，该保护电阻串联在电路的快关管和第一组固态开关模块之间。
所述的四组固态开关模块分别通过光纤与单片机控制器连接，由单片机控制器通过光耦控制电路的快关管、第一上位开关和第一下位开关、第二上位开关和第二下位开关、第三上位开关和第三下位开关以及第四上位开关和第四下位开关的导通与截止，来实现高压高频输出。
所述的输入电源用于对第一储能电容、第二储能电容、第三储能电容和第四储能电容充电，使每个储能电容的电压等于输入电压；关断电路的快关管阻断所有固态开关模块与输入电源的连接，关断第一下位开关，打开第一上位开关，中间间隔10ns～20ns，将电容第一储能电容与负载串联，输出电压等于输入电压。
关断第二下位开关，打开第二上位开关，将第二储能电容与负载串联，此时输出电压等于2倍的输入电压；关断第三下位开关，打开第三上位开关，将第三储能电容与负载串联，此时输出电压等于3倍的输入电压；关断第四下位开关，打开第四上位开关，将第四储能电容与负载串联，此时输出电压等于4倍的输入电压。
本发明具有如下优点：本发明所述的基于固态开关的高压脉冲发生器与现有技术相比，体积小，可控性强，输出幅值高，响应速度快，解决了高电位固态开关驱动供电难以小型化的问题，大大降低了脉冲发生器的尺寸及制造难度和成本。模块化使得发生器设计、组装以及输出电压幅值的增大变得非常简单。代替使用绝缘变压器对驱动电路供电，这个新式发生器采用电池给开关供电，实现了驱动电路摆脱电平位限制。IGBT开关接受光纤信号接收器传送的信号，可以获得单片机的控制，同时能够实现多开关同步或延时开启或关闭。直流电源范围最高可达到4kV,输出电压可以达到16kV，阶梯波形可控，开关最短响应时间少于20微秒。
附图说明
图1是本发明所述的基于固态开关的高压脉冲发生器的拓扑结构图。
图2是本发明的固态开关模块的模块结构示意图。
图3至图7是本发明的高压脉冲发生器的不同输出模式示意图。
图8是本发明的单片机控制单元的结构示意图。
具体实施方式
以下实施例用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。
如图1至图8所示，本发明所述的基于固态开关的高压脉冲发生器包括输入电源、电路的快关管S0、至少一组固态开关模块、负载电阻RL和负载电容CL，所述的电路的快关管S0的一端连接输入电源的正极，另一端连接到至少一组固态开关模块的输入端；至少一组固态开关模块的输出端连接到输入电源的负极；所述的固态开关模块包括一个储能电容、一个上位开关和一个下位开关，上位开关和下位开关串联后与储能电容并联；当只有一组固态开关模块的时候，负载电阻RL的一端连接到固态开关模块的上位开关和下位开关之间，负载电阻RL的另一端与负载电容CL串联后连接到输入电源的负极；当固态开关模块多于一组的时候，不同的固态开关模块并联，相邻的固态开关模块的输入端之间串联有保护二极管，在后的固态开关模块的输出端连接到与其相邻的在前的固态开关模块的上位开关和下位开关之间；第一组固态开关模块的输出端连接到输入电源的负极；负载电阻RL的一端连接到最末端的固态开关模块的上位开关和下位开关之间，负载电阻RL的另一端与负载电容CL串联后连接到输入电源的负极。
如图2所示，所述的固态开关模块包括一个储能电容C、一个上位开关和一个下位开关，上位开关和下位开关串联后与储能电容并联；所述的上位开关包括第一绝缘栅双极型晶体管芯片IGBT1和第一续流二极管FWD1，所述的第一绝缘栅双极型晶体管芯片IGBT1的集电极与第一续流二极管FWD1的负极连接，第一绝缘栅双极型晶体管芯片IGBT1的发射极与第一续流二极管FWD1的正极连接；所述的下位开关包括第二绝缘栅双极型晶体管芯片IGBT2和第二续流二极管FWD2，所述的第二绝缘栅双极型晶体管芯片IGBT2的集电极与第二续流二极管FWD2的负极连接，第二绝缘栅双极型晶体管芯片IGBT2的发射极与第二续流二极管FWD2的正极连接。
如图1所示，所述的基于固态开关的高压脉冲发生器包括四组固态开关模块，其中第一组固态开关模块SCC1包括第一储能电容C1、第一上位开关S1a和第一下位开关S1b，第一上位开关和第一下位开关串联后与第一储能电容C1并联；第二组固态开关模块SCC2包括第二储能电容C2、第二上位开关S2a和第二下位开关S2b，第二上位开关和第二下位开关串联后与第二储能电容C2并联；第一组固态开关模块SCC1的输入端与第二组固态开关模块SCC2的输入端之间串联有第一保护二极管D1，第二组固态开关模块SCC2的输出端连接到第一组固态开关模块SCC1的第一上位开关和第一下位开关之间。
第三组固态开关模块SCC3包括第三储能电容C3、第三上位开关S3a和第三下位开关S3b，第三上位开关和第三下位开关串联后与第三储能电容C3并联；第二组固态开关模块SCC2的输入端与第三组固态开关模块SCC3的输入端之间串联有第二保护二极管D2，第三组固态开关模块SCC3的输出端连接到第二组固态开关模块SCC2的第二上位开关和第二下位开关之间。
第四组固态开关模块SCC4包括第四储能电容C4、第四上位开关S4a和第四下位开关S4b，第四上位开关和第四下位开关串联后与第四储能电容C4并联；第三组固态开关模块SCC3的输入端与第四组固态开关模块SCC4的输入端之间串联有第三保护二极管D3，第四组固态开关模块SCC4的输出端连接到第三组固态开关模块SCC3的第三上位开关和第三下位开关之间；负载电阻RL的一端连接到第四组固态开关模块的第四上位开关和第四下位开关之间，负载电阻RL的另一端与负载电容CL串联后连接到输入电源的负极。
所述的基于固态开关的高压脉冲发生器还包括保护电阻RP，该保护电阻串联在电路的快关管S0和第一组固态开关模块SCC1之间。
如图8所示，所述的四组固态开关模块分别通过光纤与单片机控制器(端口Port0、Port1、Port2、Port3、Port4……Port9、Port10)连接，由单片机控制器通过光耦(OTM1、OTM2)控制电路的快关管S0、第一上位开关S1a和第一下位开关S1b、第二上位开关S2a和第二下位开关S2b、第三上位开关S3a和第三下位开关S3b以及第四上位开关S4a和第四下位开关S4b的导通与截止，来实现高压高频输出。
如图3至图7所示，所述的输入电源用于对第一储能电容C1、第二储能电容C2、第三储能电容C3和第四储能电容C4充电，使每个储能电容的电压等于输入电压(Vc＝Vin)；关断电路的快关管S0阻断所有固态开关模块与输入电源的连接，关断第一下位开关S1b，打开第一上位开关S1a(顺序不能错)，中间间隔10ns～20ns，将电容第一储能电容C1与负载串联，输出电压V1等于输入电压Vin(V1＝Vin)。
关断第二下位开关S2b，打开第二上位开关S2a，将第二储能电容C2与负载串联，此时输出电压V1等于2倍的输入电压Vin(V1＝2Vin)；关断第三下位开关S3b，打开第三上位开关S3a，将第三储能电容C3与负载串联，此时输出电压V1等于3倍的输入电压Vin(V1＝3Vin)；关断第四下位开关S4b，打开第四上位开关S4a，将第四储能电容C4与负载串联，此时输出电压V1等于4倍的输入电压Vin(V1＝4Vin)。
关断所有上位开关，打开所有下位开关，重新对储能电容充电，同时给负载放电。
本发明所述的固态开关模块可以单极工作，也就是第一组固态开关模块SCC1单独工作，输出高压脉冲可达4KV。也可以多级串联工作，输出电压可达16KV。
只有电路的快关管S0得电，所有的固态开关模块才能得电。
输入电源的生成方式比较传统，利用升压变压器升压后整流成直流。
虽然，上文中已经用一般性说明及具体实施例对本发明作了详尽的描述，但在本发明基础上，可以对之作一些修改或改进，这对本领域技术人员而言是显而易见的。因此，在不偏离本发明精神的基础上所做的这些修改或改进，均属于本发明要求保护的范围。
Claims (1)
1.一种基于固态开关的高压脉冲发生器，其特征在于：所述基于固态开关的高压脉冲发生器包括输入电源、电路的快关管、四组固态开关模块、负载电阻和负载电容、四组固态开关模块的输出端连接到输入电源的负极；当固态开关模块为四组的时候，不同的固态开关模块并联，相邻的固态开关模块的输入端之间串联有保护二极管，在后的固态开关模块的输出端连接到与其相邻的在前的固态开关模块的上位开关和下位开关之间；第一组固态开关模块的输出端连接到输入电源的负极；负载电阻的一端连接到最末端的固态开关模块的上位开关和下位开关之间，负载电阻的另一端与负载电容串联后连接到输入电源的负极；所述的固态开关模块包括一个储能电容、一个上位开关和一个下位开关，上位开关和下位开关串联后与储能电容并联；所述的上位开关包括第一绝缘栅双极型晶体管芯片和第一续流二极管，所述的第一绝缘栅双极型晶体管芯片的集电极与第一续流二极管的负极连接，第一绝缘栅双极型晶体管芯片的发射极与第一续流二极管的正极连接；所述第一绝缘栅双极型晶体管芯片的基极通过光耦与单片机控制器连接；所述的下位开关包括第二绝缘栅双极型晶体管芯片和第二续流二极管，所述的第二绝缘栅双极型晶体管芯片的集电极与第二续流二极管的负极连接，第二绝缘栅双极型晶体管芯片的发射极与第二续流二极管的正极连接；所述第二绝缘栅双极型晶体管芯片的基极通过光耦与单片机控制器连接；所述的基于固态开关的高压脉冲发生器包括四组固态开关模块，其中第一组固态开关模块包括第一储能电容、第一上位开关和第一下位开关，第一上位开关和第一下位开关串联后与第一储能电容并联；第二组固态开关模块包括第二储能电容、第二上位开关和第二下位开关，第二上位开关和第二下位开关串联后与第二储能电容并联；第一组固态开关模块的输入端与第二组固态开关模块的输入端之间串联有第一保护二极管，第二组固态开关模块的输出端连接到第一组固态开关模块的第一上位开关和第一下位开关之间；第三组固态开关模块包括第三储能电容、第三上位开关和第三下位开关，第三上位开关和第三下位开关串联后与第三储能电容并联；第二组固态开关模块的输入端与第三组固态开关模块的输入端之间串联有第二保护二极管，第三组固态开关模块的输出端连接到第二组固态开关模块的第二上位开关和第二下位开关之间；第四组固态开关模块包括第四储能电容、第四上位开关和第四下位开关，第四上位开关和第四下位开关串联后与第四储能电容并联；第三组固态开关模块的输入端与第四组固态开关模块的输入端之间串联有第三保护二极管，第四组固态开关模块的输出端连接到第三组固态开关模块的第三上位开关和第三下位开关之间；负载电阻的一端连接到第四组固态开关模块的第四上位开关和第四下位开关之间，负载电阻的另一端与负载电容串联后连接到输入电源的负极；
所述的电路的快关管的一端连接输入电源的正极，另一端连接到至少一组固态开关模块的输入端；
所述的基于固态开关的高压脉冲发生器还包括保护电阻，该保护电阻串联在电路的快关管和第一组固态开关模块之间；
所述的四组固态开关模块分别通过光纤与单片机控制器连接，由单片机控制器通过光耦控制电路的快关管、第一上位开关和第一下位开关、第二上位开关和第二下位开关、第三上位开关和第三下位开关以及第四上位开关和第四下位开关的导通与截止，来实现高压高频输出；
所述的输入电源用于对第一储能电容、第二储能电容、第三储能电容和第四储能电容充电，使每个储能电容的电压等于输入电压；关断电路的快关管阻断所有固态开关模块与输入电源的连接，关断第一下位开关，打开第一上位开关，中间间隔10ns～20ns，将第一储能电容与负载串联，输出电压等于输入电压；
关断第二下位开关，打开第二上位开关，将第二储能电容与负载串联，此时输出电压等于2倍的输入电压；关断第三下位开关，打开第三上位开关，将第三储能电容与负载串联，此时输出电压等于3倍的输入电压；
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2018
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