CN210518137U

CN210518137U - 一种开关电容型高频功率脉冲发生电路

Info

Publication number: CN210518137U
Application number: CN201921095565.7U
Authority: CN
Inventors: 何良宗; 徐鑫勇
Original assignee: Xiamen University; Shenzhen Research Institute of Xiamen University
Current assignee: Xiamen University; Shenzhen Research Institute of Xiamen University
Priority date: 2019-07-12
Filing date: 2019-07-12
Publication date: 2020-05-12
Anticipated expiration: 2029-07-12

Abstract

本实用新型公开了一种开关电容型高频功率脉冲发生电路，能实现幅值为输入电压4倍及以上的高频功率脉冲。所述的开关电容型高频功率脉冲发生电路仅由电容器、开关器件以及小型电感组成，能使器件实现零电流开通和关断，从而减小器件所受电流应力，减少损耗。通过对开关S₅和S₁‑S₄分别进行高频180°互补控制即可得到高频输出脉冲，控制方式简单。具有能量转换效率高、重量轻、功率密度高、器件总功率等级低、扩展性强等优点，可以为后级H桥逆变电路提供脉冲输入。

Description

一种开关电容型高频功率脉冲发生电路

技术领域

本实用新型涉及一种高频功率脉冲电源电路，特别是一种开关电容型高频功率脉冲发生电路。

背景技术

众所周知，化石能源被大量的开采导致全球气候变化、温室效应逐渐加剧，人们逐渐认识到找寻干净的清洁能源、可再生能源等来代替的重要性。在新能源中，发展潜力比较大的有太阳能和氢能，对于这两种能源的来源，人们通过光伏发电和燃料电池发电来得到相应的新能源。

在生产实际中，有很多市面上提供的电源就如刚才提到的光伏电池、燃料电池等，它们都是低压直流输出，但我们生活中大多数用电设备所需要的供电方式都为交流供电，因此我们需要把低压直流输入逆变为用电设备所需的交流电输出(比如常用的220VAC)。传统的逆变电路主要工作方式是，输入直流电压，通过逆变产生的等幅而不等宽脉冲(PWM波)组成的正弦包络输出电压。

SPWM技术运用到传统的逆变技术中使得逆变器的性能得到了大大的提高。随着科技的飞速发展，提高PWM逆变器开关频率能够减小交流变换器的体积重量，但也还存在一些问题，比如电磁干扰的增大，开关损耗的增加。尽管现在已经有PWM软开关逆变技术的相关研究，但其研究内容比较复杂，寻找更加简便的生成方法使得得到相应的输出效果变得更有意义。

实用新型内容

本实用新型的主要目的在于克服现有技术中的上述缺陷，提出一种体积小、重量轻、功率密度大、易集成的开关电容型可拓展高频功率脉冲发生电路。

本实用新型采用如下技术方案：

一种开关电容型高频功率脉冲发生电路，其特征在于：包括电源、输入级开关电容模块、中间级开关电容模块、输出级开关电容模块、谐振电感支路和输出开关；该输入级开关电容模块输出端与中间级开关电容模块的输入端相连；该中间级开关电容模块的输出端与输出级开关电容模块的电路端相连；该输出级开关电容模块的输出端与谐振电感支路和输出开关串联；该电源与输入级开关电容模块、中间级开关电容模块、输出级开关电容模块、谐振电感支路和输出开关相连。

所述输入级开关电容模块包括第一开关S₁、第一二极管D₁、第一电容C₁和第二二极管D₂；该第一开关S₁的漏级与所述电源正极、第一二极管D₁的阳极连接；第一电容C₁连接在第一二极管D₁的阴极与第一开关S₁的源级之间；第二二极管D₂的阳极与第一开关S₁的源级连接，阴极与所述中间级开关电容模块的输入端相连。

中间级开关电容模块包括第二开关S₂、第三二极管D₃、第二电容C₂和第四二极管D₄；第二开关S₂的漏级与第一二极管D₁的阴极连接；第二开关S₂的源级与第二二极管D₂的阴极连接；第三二极管D₃的阳极与第一二极管D₁的阳极连接；第二电容C₂连接在第二开关S₂的源级与第三二极管D₃的阴极之间；所述第四二极管D4的阳极与第二开关S₂的漏级连接。

所述输出级开关电容模块包括第三开关S₃、第五二极管D₅和第三电容C₃；该第三开关S₃的漏级与第三二极管D₃的阴极连接；所述第三开关S₂的源级与第四二极管D₄的阴极连接；所述第五二极管D₅的阳极与第三二极管D₃的阳极连接；所述第三电容C₃连接在第三开关S₃的源级与第五二极管D₅的阴极之间。

所述谐振电感支路包括谐振电感和第五开关S₅，谐振电感一端与第四二极管D₄的阴极连接；该谐振电感的另一端与第五开关S₅的漏级连接；第五开关S₅的源级与所述电源负极连接。

所述输出开关为第四开关S₄，其漏级与第五二极管D₅的阴极连接；第四开关S₄的源级与负载的一端连接；负载的另一端与所述电源负极连接。

所述第一电容C1、所述第二电容C₂、所述第三电容C₃为无极性电容。

包括有至少一所述中间级开关电容模块；所有所述中间级开关电容模块串联形成基本开关电容拓扑。

由上述对本实用新型的描述可知，与现有技术相比，本实用新型具有如下有益效果：

本实用新型提出一种逆变器新思路，即先产生等幅等宽的功率脉冲，再通过逆变桥产生正弦输出电压。本实用新型聚焦于从低压直流输入产生高压等幅等宽脉冲功率输出。开关电容变换器仅由一定数量的电容和开关组成，基于开关电容的高频功率脉冲电源电路无磁性元件，具有体积小、重量轻、功率密度大、易集成等优点，符合功率脉冲电源电路的发展要求。

本实用新型利用开关管控制电容并联充电、串联放电实现高频功率脉冲输出，并可使输出脉冲幅值为输入电压的4倍及以上；利用谐振电感实现开关S₅、二极管D₁、D₃、D₅的零电流开通和关断，减小器件承受的电流应力，提高效率。本实用新型具有结构简单、控制方便、能量转换效率高、重量轻、功率密度高、扩展性强等优点。

附图说明

图1为本实用新型的电路结构示意图；

图2为一个开关周期内的理论波形图，包括驱动信号、流经电容的电流波形以及输出电压波形；

图3为基本开关电容模块，其中：(a)输入级开关电容模块(b)中间级开关电容模块(c)输出级开关电容模块；

图4为增加两个中间级开关电容模块的电路结构示意图。

具体实施方式

以下通过具体实施方式对本实用新型作进一步的描述。

一种开关电容型高频功率脉冲发生电路，参见图1至图3，本实用新型实施例包括电源，输入级开关电容模块，中间级开关电容模块，输出级开关电容模块，谐振电感支路和输出开关等。该输入级开关电容模块包括一个输入端和三个输出端，其一个输入端与电源正极连接。

具体的，该输入级开关电容模块包括第一开关S₁，第一二极管D₁，第一电容C₁和第二二极管D₂。第一开关S₁的漏级与输入电源正极连接；第一二极管D₁的阳极与第一开关S₁的漏级连接；第一电容连接在第一二极管D₁的阴极与第一开关S₁的源级之间；第二二极管D₂的阳极与第一开关S₁的源级连接。

该中间级开关电容模块包括三个输入端和三个输出端，该三个输入端分别与输入级开关电容模块的三个输出端连接。中间级开关电容模块由第二开关S₂，第三二极管D₃，第二电容C₂，第四二极管D₄组成。该第二开关S₂的漏级与第一二极管D₁的阴极连接；第二开关S₂的源级与第二二极管D₂的阴极连接；第三二极管D₃的阳极与第一二极管D₁的阳极连接；第二电容C₂连接在第二开关S₂的源级与第三二极管D₃的阴极之间；第四二极管D₄的阳极与第二开关S₂的漏级连接。

该输出开关电容模块包括三个输出端和二个输出端，其三个输入端分别于中间级开关电容模块的三个输出端连接。具体的，该输出级开关电容模块包括第三开关S₃，第五二极管D₅和第三电容C₃。该第三开关S₃的漏级与第三二极管 D₃的阴极连接；第三开关S₃的源级与第四二极管D₄的阴极连接；第五二极管D₅的阳极与第三二极管D₃的阳极连接；第三电容C₃连接在第三开关S₃的源级与第五二极管D₅的阴极之间。

谐振电感支路包括谐振电感和第五开关S₅，该谐振电感一端与第四二极管 D₄的阴极连接；谐振电感的另一端与第五开关S₅的漏级连接。第五开关S₅的源级与输入电源负极连接。输出开关即第四开关S₄的漏级与第五二极管D₅的阴极连接；第四开关S₄的源级与负载R_L的一端连接；负载R_L的另一端与电源负极连接。

本实用新型的第一电容C1、第二电容C₂、第三电容C₃为无极性电容，开关为全控型MOSFET器件，小电感做调节电流作用。在整个工作状态中，开关频率为100kHz，驱动信号占空比为0.5。在一个开关周期中，开关电容型可拓展多电平高频功率脉冲电源电路有两种工作状态。现对工作状态说明如下：

在第一种状态下，开关S₅打开，开关S₁-S₄关断，电源对电容C₁、C₂、C₃进行并联充电并充电至V_in，由于谐振电感的作用，参考图2，此时电容的充电电流呈正弦型，减小了器件所承受的电流应力。此时负载上的输出电压为0。为了保证S₅及D₁、D₃、D₅实现零电流关断，开关频率需满足以下不等式：

在第二种状态下，开关S₁-S₄打开，开关S₅关断，电源以及电容C₁、C₂、C₃进行串联放电，此时输出电压为电源及C₁、C₂、C₃的串联电压，为4V_in。此状态下为了得到相对平稳的脉冲电压，开关频率需满足以下不等式：

实施例二

参见图4，一种开关电容型高频功率脉冲发生电路，其主要结构与实施例一相同，区别在于：包括有3个串联的中间级开关电容模块，即在实施例一中的间级基本开关电容模块后再添加2个中间级基本开关电容模块形成基本开关电容模块拓扑。该实施例可实现输出幅值为输入电压6倍的高频功率脉冲。

本实用新型仅由电容和开关器件以及相关驱动电路组成，控制简单，无磁性元件，具有效率高、重量轻、功率密度高、扩展性强等优点，能够实现输出幅值为输入电压4倍及以上的高频功率脉冲的功能，并利用谐振电感实现器件的零电流开断减小器件所受电流应力并减少损耗。

上述仅为本实用新型的具体实施方式，但本实用新型的设计构思并不局限于此，凡利用此构思对本实用新型进行非实质性的改动，均应属于侵犯本实用新型保护范围的行为。

Claims

1.一种开关电容型高频功率脉冲发生电路，其特征在于：包括电源、输入级开关电容模块、中间级开关电容模块、输出级开关电容模块、谐振电感支路和输出开关；该输入级开关电容模块输出端与中间级开关电容模块的输入端相连；该中间级开关电容模块的输出端与输出级开关电容模块的电路端相连；该输出级开关电容模块的输出端与谐振电感支路和输出开关串联；该电源与输入级开关电容模块、中间级开关电容模块、输出级开关电容模块、谐振电感支路和输出开关相连。

2.如权利要求1所述的一种开关电容型高频功率脉冲发生电路，其特征在于：所述输入级开关电容模块包括第一开关S₁、第一二极管D₁、第一电容C₁和第二二极管D₂；该第一开关S₁的漏级与所述电源正极、第一二极管D₁的阳极连接；第一电容C₁连接在第一二极管D₁的阴极与第一开关S₁的源级之间；第二二极管D₂的阳极与第一开关S₁的源级连接，阴极与所述中间级开关电容模块的输入端相连。

3.如权利要求2所述的一种开关电容型高频功率脉冲发生电路，其特征在于：中间级开关电容模块包括第二开关S₂、第三二极管D₃、第二电容C₂和第四二极管D₄；第二开关S₂的漏级与第一二极管D₁的阴极连接；第二开关S₂的源级与第二二极管D₂的阴极连接；第三二极管D₃的阳极与第一二极管D₁的阳极连接；第二电容C₂连接在第二开关S₂的源级与第三二极管D₃的阴极之间；所述第四二极管D4的阳极与第二开关S₂的漏级连接。

4.如权利要求3所述的一种开关电容型高频功率脉冲发生电路，其特征在于：所述输出级开关电容模块包括第三开关S₃、第五二极管D₅和第三电容C₃；该第三开关S₃的漏级与第三二极管D₃的阴极连接；所述第三开关S₂的源级与第四二极管D₄的阴极连接；所述第五二极管D₅的阳极与第三二极管D₃的阳极连接；所述第三电容C₃连接在第三开关S₃的源级与第五二极管D₅的阴极之间。

5.如权利要求4所述的一种开关电容型高频功率脉冲发生电路，其特征在于：所述谐振电感支路包括谐振电感和第五开关S₅，谐振电感一端与第四二极管D₄的阴极连接；该谐振电感的另一端与第五开关S₅的漏级连接；第五开关S₅的源级与所述电源负极连接。

6.如权利要求4所述的一种开关电容型高频功率脉冲发生电路，其特征在于：所述输出开关为第四开关S₄，其漏级与第五二极管D₅的阴极连接；第四开关S₄的源级与负载的一端连接；负载的另一端与所述电源负极连接。

7.如权利要求4所述的一种开关电容型高频功率脉冲发生电路，其特征在于：所述第一电容C1、所述第二电容C₂、所述第三电容C₃为无极性电容。

8.如权利要求1所述的一种开关电容型高频功率脉冲发生电路，其特征在于：包括有至少一所述中间级开关电容模块；所有所述中间级开关电容模块串联形成基本开关电容拓扑。