專利名稱：具有正負(fù)脈沖輸出的全固態(tài)高壓電源的制作方法
具有正負(fù)脈沖輸出的全固態(tài)高壓電源技術(shù)領(lǐng)域
本發(fā)明屬于電源技術(shù)領(lǐng)域，涉及用于產(chǎn)生正負(fù)脈沖的系統(tǒng)和方法。具體涉及一種 具有正負(fù)脈沖輸出的全固態(tài)高壓電源。
背景技術(shù)：
目前，具有正負(fù)脈沖輸出的高壓電源在食品消毒和廢水廢氣處理等方面的應(yīng)用越 來越廣泛，對脈沖電源的各項(xiàng)性能指標(biāo)的要求也越來越高?；镜陌l(fā)展方向是更高的重復(fù) 頻率，更快的上升和下降沿，更大的輸出功率及更低的成本?，F(xiàn)有的技術(shù)方案分為以下三 種第一種方案是用半導(dǎo)體開關(guān)器件(如MOSFET或IGBT)構(gòu)成逆變橋，然后經(jīng)過升壓變壓 器將逆變橋的輸出電壓提升，從而形成正負(fù)雙向高壓脈沖。這種方案結(jié)構(gòu)簡單，但是由于變 壓器漏電感和分布電容的影響，使得輸出脈沖上升沿減慢，波形發(fā)生畸變，存在頂部震蕩和 反向電壓。并且脈沖寬度受到磁芯幾何尺寸限制，可調(diào)范圍較??；重復(fù)頻率受到磁芯損耗發(fā) 熱限制，不容易提高。第二種方案是用多個(gè)半導(dǎo)體開關(guān)串聯(lián)組成高壓開關(guān)模塊，再由這些模 塊形成逆變橋，將直流高壓轉(zhuǎn)變?yōu)殡p向脈沖。該方案由于不采用變壓器，因此可以得到良好 的電壓波形，并且脈沖頻率和寬度都可以在較大范圍內(nèi)調(diào)整。該項(xiàng)技術(shù)的難點(diǎn)是如何保證 串聯(lián)的半導(dǎo)體開關(guān)同步導(dǎo)通和關(guān)斷，否則開關(guān)器件就面臨連鎖擊穿的危險(xiǎn)。采用特殊設(shè)計(jì) 的門極驅(qū)動(dòng)電路以及選擇具有相同特性的半導(dǎo)體器件，能夠?qū)崿F(xiàn)開關(guān)模塊的安全運(yùn)行，但 這種方法不具有易操作性和普遍適用性。此外高壓直流電源造價(jià)也較高。第三種方案是采 用氣體開關(guān)，如旋轉(zhuǎn)火花隙，對高壓直流源放電，從而產(chǎn)生雙向脈沖。由于氣體開關(guān)具有較 快的開通速度，因此脈沖上升沿可以很快，達(dá)到納秒級。然而與半導(dǎo)體開關(guān)相比，氣體開關(guān) 存在電極燒蝕的問題，使用壽命不長，維護(hù)起來也較復(fù)雜。此外氣體開關(guān)屬于半控型器件， 無法主動(dòng)關(guān)斷；重復(fù)頻率不高，一般不超過ΙΚΗζ。這些缺點(diǎn)極大地限制了氣體開關(guān)的使用。發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提供一種體積小、壽命長、故障率低、脈沖寬度和幅值具有較大 的可調(diào)節(jié)范圍、能夠輸出正負(fù)脈沖的全固態(tài)高壓電源。本發(fā)明在特定應(yīng)用場合，能夠替代升 壓變壓器。
本發(fā)明可以在不使用高壓脈沖變壓器和高壓直流電源的情況下，利用半導(dǎo)體開關(guān) 開通和關(guān)斷的特性，將直流或交流低壓轉(zhuǎn)變?yōu)檎?fù)雙向的高壓脈沖，并且輸出脈沖的寬度、 頻率和幅值都具有較大的可調(diào)節(jié)范圍。
具體而言，本發(fā)明提供了一種具有正負(fù)脈沖輸出的全固態(tài)高壓電源，其特征在于， 其包括一系列串聯(lián)連接的放電單元，以及與各個(gè)放電單元相連的充電單元。一系列放電單 元中的第一個(gè)和最后一個(gè)單元用于連接到負(fù)載。每個(gè)放電單元包括數(shù)個(gè)半導(dǎo)體開關(guān)和與開 關(guān)相連的儲能電容。這些開關(guān)的類型既可以是半控型半導(dǎo)體開關(guān)，如晶閘管(SCR)，也可以 是全控型半導(dǎo)體開關(guān)，如MOSFET或IGBT。每一個(gè)放電單元的結(jié)構(gòu)有兩種選擇，一是全橋電 路結(jié)構(gòu)，包括四個(gè)半導(dǎo)體開關(guān)和一個(gè)儲能電容，同時(shí)包括相應(yīng)的開關(guān)驅(qū)動(dòng)；二是半橋電路結(jié)構(gòu)，包括兩個(gè)半導(dǎo)體開關(guān)和兩個(gè)儲能電容，同時(shí)包括相應(yīng)的開關(guān)驅(qū)動(dòng)。在每一套具有前面所 述特征的高壓電源中，每一個(gè)放電單元的結(jié)構(gòu)都保持一致。充電單元既可以是二極管和半 導(dǎo)體開關(guān)的組合(這種方法稱為非隔離充電)，也可以是變壓器和整流橋的組合(這種方法 稱為隔離充電)，但是在每一套具有前面所述特征的高壓電源中，每一個(gè)充電單元的結(jié)構(gòu)都保持一致。
本發(fā)明中，在一套采用二極管和半導(dǎo)體開關(guān)作為充電單元，也就是采用非隔離充 電的具有正負(fù)脈沖輸出的全固態(tài)高壓電源中，當(dāng)電源處于充電狀態(tài)時(shí)，每一個(gè)充電單元中 的半導(dǎo)體開關(guān)導(dǎo)通。如果這套高壓電源中的放電單元采用全橋電路結(jié)構(gòu)，那么為了形成完 整的充電回路，每一個(gè)放電單元中的一個(gè)半導(dǎo)體開關(guān)需要導(dǎo)通，其他半導(dǎo)體開關(guān)保持關(guān)斷 狀態(tài)；如果這套高壓電源中的放電單元采用半橋電路結(jié)構(gòu)，那么充電單元包括了能夠使電 流返回直流充電電源的半導(dǎo)體開關(guān)，因此放電單元中的半導(dǎo)體開關(guān)不需要導(dǎo)通。當(dāng)全固態(tài) 高壓電源處于放電狀態(tài)時(shí)，每一個(gè)充電單元中的半導(dǎo)體開關(guān)關(guān)斷；對于放電單元是全橋電 路結(jié)構(gòu)的高壓電源，每一個(gè)放電單元中原來導(dǎo)通的半導(dǎo)體開關(guān)也關(guān)斷。如果放電單元是全 橋電路結(jié)構(gòu)，那么為了產(chǎn)生某一個(gè)方向(正或負(fù))的脈沖，每一個(gè)放電單元中與儲能電容相 連的一對斜對角半導(dǎo)體開關(guān)導(dǎo)通，另一對半導(dǎo)體開關(guān)保持關(guān)斷狀態(tài)；為了產(chǎn)生反方向的脈 沖，每一個(gè)放電單元中原先導(dǎo)通的那一對半導(dǎo)體開關(guān)關(guān)斷，原先關(guān)斷的那一對半導(dǎo)體開關(guān) 導(dǎo)通。每個(gè)放電單元中每次導(dǎo)通和關(guān)斷的半導(dǎo)體開關(guān)與其他單元相比，在各自單元中所處 的相對位置都一樣。如果放電單元是半橋電路結(jié)構(gòu)，那么為了產(chǎn)生某一個(gè)方向(正或負(fù))的 脈沖，每一個(gè)放電單元中的一個(gè)半導(dǎo)體開關(guān)導(dǎo)通，和與該半導(dǎo)體開關(guān)相連的那一個(gè)儲能電 容一起構(gòu)成放電回路的一部分，此時(shí)該放電單元中的另一個(gè)半導(dǎo)體開關(guān)保持關(guān)斷狀態(tài)；為 了產(chǎn)生反方向的脈沖，每一個(gè)放電單元中原先導(dǎo)通的那一個(gè)半導(dǎo)體開關(guān)關(guān)斷，原先關(guān)斷的 那一個(gè)半導(dǎo)體開關(guān)導(dǎo)通，導(dǎo)通的開關(guān)和與之相連的那一個(gè)儲能電容一起，構(gòu)成了放電回路 的一部分。每個(gè)放電單元中每次導(dǎo)通和關(guān)斷的半導(dǎo)體開關(guān)與其他單元相比，在各自單元中 所處的相對位置都一樣。
本發(fā)明中，在一套采用變壓器和整流橋作為充電單元，也就是采用隔離充電的具 有正負(fù)脈沖輸出的全固態(tài)高壓電源中，每一個(gè)放電單元對應(yīng)于一個(gè)充電單元。所有充電單 元中的變壓器共享同一個(gè)原邊繞組，該原邊繞組可以為一匝或多匝高壓導(dǎo)線，導(dǎo)線兩端連 接到高頻交流充電電源的輸出端。每一個(gè)變壓器均采用環(huán)形磁芯，磁芯的副邊繞組為多匝 導(dǎo)線，導(dǎo)線兩端連接到由二極管組成的整流橋的輸入端。整流橋的輸出端連接到對應(yīng)的放 電單元中儲能電容的正負(fù)極。當(dāng)全固態(tài)高壓電源處于充電狀態(tài)時(shí)，每一個(gè)放電單元中的半 導(dǎo)體開關(guān)都保持關(guān)斷狀態(tài)；當(dāng)全固態(tài)高壓電源處于放電狀態(tài)時(shí)，根據(jù)需要，可以選擇是否繼 續(xù)充電，這通過控制高頻交流充電電源工作與否來實(shí)現(xiàn)。采用隔離充電的全固態(tài)高壓電源， 其放電單元同樣有兩種結(jié)構(gòu)可以選擇，即全橋電路結(jié)構(gòu)和半橋電路結(jié)構(gòu)。要輸出某個(gè)方向 的脈沖，對放電單元中的半導(dǎo)體開關(guān)的控制策略與采用非隔離充電的全固態(tài)高壓電源中半 導(dǎo)體開關(guān)的控制策略一致。
本發(fā)明中，無論是對于放電單元采用全橋電路結(jié)構(gòu)還是半橋電路結(jié)構(gòu)的全固態(tài)高 壓電源，都可以通過控制每一個(gè)放電單元的工作狀態(tài)來調(diào)整電壓脈沖。也就是說，可以使一 個(gè)或多個(gè)放電單元不工作，同時(shí)不影響其他放電單元的正常運(yùn)行，以此改變輸出脈沖的幅 值。同時(shí)，特定放電單元的失效不會(huì)阻止全固態(tài)高壓電源產(chǎn)生脈沖。
由于采用了上述技術(shù)方案，本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比具有以下優(yōu)勢
放電回路不采用高壓脈沖變壓器進(jìn)行升壓，因此輸出脈沖的寬度和頻率具有較大 的可調(diào)節(jié)范圍；
由于省去了高壓脈沖變壓器，因此在輸出較大功率的情況下系統(tǒng)能保持相對小的 體積和較低的功率損耗。體積的減小降低了寄生電容的影響，因此可以串聯(lián)更多的電壓單 元，達(dá)到較高的輸出電壓等級；
放電單元中的半導(dǎo)體開關(guān)在導(dǎo)通和關(guān)斷過程中不會(huì)面臨過壓擊穿的危險(xiǎn)。單個(gè)開 關(guān)導(dǎo)通和關(guān)斷速度的快慢或者是否導(dǎo)通不會(huì)對其他開關(guān)的正常運(yùn)行產(chǎn)生影響；
充電電源只需要低壓直流電源或是低壓高頻交流電源，與傳統(tǒng)方案中使用的高壓 直流電源相比大大降低了成本；
既能產(chǎn)生單向脈沖，又能產(chǎn)生雙向脈沖。
為了便于理解，以下將通過具體的附圖和實(shí)施例對本發(fā)明進(jìn)行詳細(xì)地描述。需要 特別指出的是，具體實(shí)施例和附圖僅是為了說明，顯然本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員可以根據(jù)本 文說明，在本發(fā)明的范圍內(nèi)對本發(fā)明做出各種各樣的修正和改變，這些修正和改變也納入 本實(shí)用新型的范圍內(nèi)。


圖1為采用非隔離充電，并且放電單元為全橋電路結(jié)構(gòu)的具有正負(fù)脈沖輸出的全 固態(tài)高壓電源實(shí)施方式框圖，
其中100-直流充電電源；102-充電電流通路；104、106和108-充電單元；110、 112和114-二極管；116、118禾口 120-半導(dǎo)體開關(guān)；122,124和126-開關(guān)驅(qū)動(dòng)；128,130和 132-放電單元；134、136、138、140、142、144、146、148、150、152、154 和 156-半導(dǎo)體開關(guān)； 158、160、162、164、166、168、170、172、174、176、178 和 180-開關(guān)驅(qū)動(dòng)；182、184 和 186-儲能 電容；188-負(fù)載。
圖2為采用非隔離充電，并且放電單元為半橋電路結(jié)構(gòu)的具有正負(fù)脈沖輸出的全 固態(tài)高壓電源實(shí)施方式框圖，
其中200-直流充電電源；202-充電電流通路；204、206和208-充電單元； 210、212、214、216、218 和 220- 二極管；222、224、226、228、230 和 232-半導(dǎo)體開關(guān)；234、 236、238、240、242 和 244-開關(guān)驅(qū)動(dòng)；246,248 和 250-放電單元；252、254、256、258、260 和 262-半導(dǎo)體開關(guān)；264、266、268、270、272 和 274-開關(guān)驅(qū)動(dòng)；276、278、280、282、284 和 觀6_儲能電容J88-負(fù)載。
圖3為采用隔離充電，并且放電單元為全橋電路結(jié)構(gòu)的具有正負(fù)脈沖輸出的全固 態(tài)高壓電源實(shí)施方式框圖，
其中300-交流充電電源；302-充電變壓器原邊繞組；304、306和308-充電單元； 310、312和314-充電變壓器；316、318和320-整流橋；322、324和326-放電單元；328、330、 332、334、336、338、340、342、344、346、348 和 350-半導(dǎo)體開關(guān)；352、354、356、358、360、362、 364、366、368、370、372 和 374-開關(guān)驅(qū)動(dòng)；376,378 和 380-儲能電容；382-負(fù)載。
圖4為采用隔離充電，并且放電單元為半橋電路結(jié)構(gòu)的具有正負(fù)脈沖輸出的全固 態(tài)高壓電源實(shí)施方式框圖，
其中400-交流充電電源；402-充電變壓器原邊繞組；404、406和408-充電單元； 410、412和414-充電變壓器；416、418和420-整流橋；422、424和426-放電單元；428,430, 432、434、436 和 438-半導(dǎo)體開關(guān)；440、442、444、446、448 和 450-開關(guān)驅(qū)動(dòng)；452、454、456、 458,460和462-儲能電容；464-負(fù)載。
具體實(shí)施方式
本發(fā)明的實(shí)施方式中包括一系列串聯(lián)連接的放電單元，以及與每個(gè)放電單元相對 應(yīng)的充電單元。放電單元有兩種結(jié)構(gòu)，分別是半橋電路結(jié)構(gòu)和全橋電路結(jié)構(gòu)。充電單元也 有兩種結(jié)構(gòu)，分別是非隔離結(jié)構(gòu)和隔離結(jié)構(gòu)。因此，根據(jù)充電單元和放電單元結(jié)構(gòu)形式的不 同，本發(fā)明可以分成四種實(shí)施方式。
實(shí)施例1
圖1示出能夠產(chǎn)生并向負(fù)載傳送正負(fù)脈沖的全固態(tài)高壓電源的一種實(shí)施方式。該 實(shí)施方式中的充電單元采用非隔離結(jié)構(gòu)，放電單元采用全橋電路結(jié)構(gòu)。該實(shí)施方式包括三 個(gè)充電單元和三個(gè)放電單元，但是熟悉本領(lǐng)域的技術(shù)人員應(yīng)該認(rèn)識到，可以包括更多或更 少單元。
該實(shí)施方式中的每一個(gè)充電單元包括一個(gè)二極管，一個(gè)半導(dǎo)體開關(guān)和開關(guān)驅(qū)動(dòng)。 例如對于充電單元104，它包括二極管110，半導(dǎo)體開關(guān)116和開關(guān)驅(qū)動(dòng)122。每一個(gè)放電單 元包括一個(gè)儲能電容，四個(gè)半導(dǎo)體開關(guān)以及相應(yīng)的開關(guān)驅(qū)動(dòng)。例如對于放電單元128，它包 括儲能電容182，半導(dǎo)體開關(guān)134、136、138和140，以及開關(guān)驅(qū)動(dòng)158、160、162和164。
當(dāng)全固態(tài)高壓電源處于充電狀態(tài)時(shí)，要對放電單元128、130和132中的儲能電容 182、184和186充電。通過開關(guān)驅(qū)動(dòng)122、124和126的控制信號，充電單元104、106和108 中的所有半導(dǎo)體開關(guān)116、118和120處于導(dǎo)通狀態(tài)；通過開關(guān)驅(qū)動(dòng)160、168和176的控 制信號，三個(gè)放電單元中的半導(dǎo)體開關(guān)136、144和152同樣處于導(dǎo)通狀態(tài)；通過開關(guān)驅(qū)動(dòng) 158、162、164、166、170、172、174、178和180的控制信號，三個(gè)放電單元中的其他半導(dǎo)體開 關(guān)134、138、140、142、146、148、150、154和156處于關(guān)斷狀態(tài)。因此，直流充電電源100對儲 能電容182、184和186并聯(lián)充電。通路102表示來自直流充電電源100的對儲能電容182 進(jìn)行充電的電流通路。該電流通路經(jīng)過了二極管110，半導(dǎo)體開關(guān)116和半導(dǎo)體開關(guān)140的 反并聯(lián)二極管。類似地，對儲能電容184充電的電流通路經(jīng)過了二極管110、112，半導(dǎo)體開 關(guān)116、118和136，以及半導(dǎo)體開關(guān)148和140的反并聯(lián)二極管；對儲能電容186充電的電 流通路經(jīng)過了二極管110、112和114，半導(dǎo)體開關(guān)116、118、120、144和136，以及半導(dǎo)體開 關(guān)156、148和140的反并聯(lián)二極管。
當(dāng)全固態(tài)高壓電源處于放電狀態(tài)時(shí)，如果要輸出正向脈沖電壓(相對于地電位)， 通過施加相應(yīng)的開關(guān)驅(qū)動(dòng)，使三個(gè)充電單元中的所有半導(dǎo)體開關(guān)116、118和120處于關(guān) 斷狀態(tài)；三個(gè)放電單元中每單元內(nèi)的一對斜對角半導(dǎo)體開關(guān)，也就是136、138，144、146和 152、巧4處于關(guān)斷狀態(tài)，同時(shí)使三個(gè)放電單元中每單元內(nèi)的另一對斜對角半導(dǎo)體開關(guān)，也就 是134、140，142、148和150、156處于導(dǎo)通狀態(tài)。因此儲能電容182、184和186對負(fù)載188 串聯(lián)放電，輸出正向脈沖電壓。如果要輸出負(fù)向脈沖電壓(相對于地電位)，通過施加相應(yīng) 的開關(guān)驅(qū)動(dòng)，使三個(gè)充電單元中的所有半導(dǎo)體開關(guān)116、118和120處于關(guān)斷狀態(tài)，三個(gè)放電 單元中每單元內(nèi)的一對斜對角半導(dǎo)體開關(guān)，也就是134、140，142、148和150、156處于關(guān)斷狀態(tài)，同時(shí)使三個(gè)放電單元中每單元內(nèi)的另一對斜對角半導(dǎo)體開關(guān)，也就是136、138，144、 146和152、巧4處于導(dǎo)通狀態(tài)。因此儲能電容182、184和186對負(fù)載188串聯(lián)放電，輸出負(fù) 向脈沖電壓。
實(shí)施例2
圖2示出能夠產(chǎn)生并向負(fù)載傳送正負(fù)脈沖的全固態(tài)高壓電源的另一種實(shí)施方式。 該實(shí)施方式中的充電單元采用非隔離結(jié)構(gòu)，放電單元采用半橋電路結(jié)構(gòu)。該實(shí)施方式包括 三個(gè)充電單元和三個(gè)放電單元，但是熟悉本領(lǐng)域的技術(shù)人員應(yīng)該認(rèn)識到，可以包括更多或 更少單元。
該實(shí)施方式中的每一個(gè)充電單元包括兩個(gè)二極管，兩個(gè)半導(dǎo)體開關(guān)和相應(yīng)的開關(guān) 驅(qū)動(dòng)。例如對于充電單元204，它包括二極管210、220，半導(dǎo)體開關(guān)222、232和開關(guān)驅(qū)動(dòng)234、 2440每一個(gè)放電單元包括兩個(gè)儲能電容，兩個(gè)半導(dǎo)體開關(guān)以及相應(yīng)的開關(guān)驅(qū)動(dòng)。例如對于 放電單元對6，它包括儲能電容276、278，半導(dǎo)體開關(guān)252、254，以及開關(guān)驅(qū)動(dòng)沈4、沈6。
當(dāng)全固態(tài)高壓電源處于充電狀態(tài)時(shí)，要對放電單元對6、248和250中的儲能電容 276、278、280、282、284 和 286 充電。通過開關(guān)驅(qū)動(dòng) 234、236、238、240、242 和 244 的控制信 號，充電單元204,206和208中的所有半導(dǎo)體開關(guān)222、224、226、228、230和232處于導(dǎo)通 狀態(tài)；通過開關(guān)驅(qū)動(dòng)沈4、沈6、沈8、270、272和274的控制信號，三個(gè)放電單元中的所有半 導(dǎo)體開關(guān)252、254、256、258、260和262處于關(guān)斷狀態(tài)。因此，每個(gè)放電單元內(nèi)的兩個(gè)儲能 電容先串聯(lián)起來，然后由直流充電電源200對這三組儲能電容，也就是276、278，280,282和 284,286并聯(lián)充電。通路202表示來自直流充電電源200的對儲能電容276和278進(jìn)行充 電的電流通路。該電流通路經(jīng)過了二極管210和220，半導(dǎo)體開關(guān)222和232。類似地，對 儲能電容280和282充電的電流通路經(jīng)過了二極管210、212、218和220，半導(dǎo)體開關(guān)222、 224,230和232 ；對儲能電容284和286充電的電流通路經(jīng)過了二極管210、212、214、216、 218 和 220，半導(dǎo)體開關(guān) 222、224、226、228、230 和 232。
當(dāng)全固態(tài)高壓電源處于放電狀態(tài)時(shí)，如果要輸出正向脈沖電壓(相對于地電位)， 通過施加相應(yīng)的開關(guān)驅(qū)動(dòng)，使三個(gè)充電單元中的所有半導(dǎo)體開關(guān)222、224、226、228、230和 232處于關(guān)斷狀態(tài)；三個(gè)放電單元中的半導(dǎo)體開關(guān)252、256和260處于關(guān)斷狀態(tài)，同時(shí)使三 個(gè)放電單元中的半導(dǎo)體開關(guān)254、258和262處于導(dǎo)通狀態(tài)。因此儲能電容278、282和286 對負(fù)載觀8串聯(lián)放電，輸出正向脈沖電壓。如果要輸出負(fù)向脈沖電壓(相對于地電位)， 通過施加相應(yīng)的開關(guān)驅(qū)動(dòng)，使三個(gè)充電單元中的所有半導(dǎo)體開關(guān)222、224、226、228、230和 232處于關(guān)斷狀態(tài)；三個(gè)放電單元中的半導(dǎo)體開關(guān)254、258和262處于關(guān)斷狀態(tài)，同時(shí)使三 個(gè)放電單元中的半導(dǎo)體開關(guān)252、256和260處于導(dǎo)通狀態(tài)。因此儲能電容276、280和284 對負(fù)載觀8串聯(lián)放電，輸出負(fù)向脈沖電壓。
實(shí)施例3
圖3示出能夠產(chǎn)生并向負(fù)載傳送正負(fù)脈沖的全固態(tài)高壓電源的另一種實(shí)施方式。 該實(shí)施方式中的充電單元采用隔離結(jié)構(gòu)，放電單元采用全橋電路結(jié)構(gòu)。該實(shí)施方式包括三 個(gè)充電單元和三個(gè)放電單元，但是熟悉本領(lǐng)域的技術(shù)人員應(yīng)該認(rèn)識到，可以包括更多或更 少單元。
該實(shí)施方式中的每一個(gè)充電單元包括充電變壓器和一個(gè)整流橋。例如對于充電單 元304，它包括充電變壓器310和整流橋316。所有的充電變壓器，包括310、312和314共享同一個(gè)原邊繞組302。每一個(gè)放電單元包括一個(gè)儲能電容，四個(gè)半導(dǎo)體開關(guān)以及相應(yīng)的開 關(guān)驅(qū)動(dòng)。例如對于放電單元322，它包括儲能電容376，半導(dǎo)體開關(guān)3觀、330、332和334，以 及開關(guān)驅(qū)動(dòng)352,354,356和358。
當(dāng)全固態(tài)高壓電源處于充電狀態(tài)時(shí)，交流電源300通過三個(gè)充電單元304、306和 308分別對三個(gè)放電單元322、3 和326中的儲能電容376、378和380隔離充電。通過開 關(guān)驅(qū)動(dòng) 352、354、356、358、360、362、364、366、368、370、372 和 374 的控制信號，三個(gè)放電單 元中的所有半導(dǎo)體開關(guān) 328、330、332、334、336、338、；340、；342、；344、；346、348 和 350 處于關(guān)斷 狀態(tài)。
當(dāng)全固態(tài)高壓電源處于放電狀態(tài)時(shí)，可以選擇是否繼續(xù)對儲能電容充電，這通過 控制交流電源充電的工作狀態(tài)來實(shí)現(xiàn)。無論是否繼續(xù)充電，都不會(huì)對高壓電源的正常工作 有影響，所影響的是脈沖放電時(shí)傳輸?shù)截?fù)載的能量。如果要輸出正向脈沖電壓(相對于地 電位)，通過施加相應(yīng)的開關(guān)驅(qū)動(dòng)，使三個(gè)放電單元中每單元內(nèi)的一對斜對角半導(dǎo)體開關(guān)， 也就是330、332，338、340和346、348處于關(guān)斷狀態(tài)，同時(shí)使三個(gè)放電單元中每單元內(nèi)的另 一對斜對角半導(dǎo)體開關(guān)，也就是328、334，336,342和344、350處于導(dǎo)通狀態(tài)。因此儲能電 容376、378和380對負(fù)載382串聯(lián)放電，輸出正向脈沖電壓。如果要輸出負(fù)向脈沖電壓(相 對于地電位)，通過施加相應(yīng)的開關(guān)驅(qū)動(dòng)，使三個(gè)放電單元中每單元內(nèi)一對斜對角半導(dǎo)體開 關(guān)，也就是328、334，336,342和344、350處于關(guān)斷狀態(tài)，同時(shí)使三個(gè)放電單元中每單元內(nèi)的 另一對斜對角半導(dǎo)體開關(guān)，也就是330、332，338,340和346、348處于導(dǎo)通狀態(tài)。因此儲能 電容376、378和380對負(fù)載382串聯(lián)放電，輸出負(fù)向脈沖電壓。
實(shí)施例4
圖4示出能夠產(chǎn)生并向負(fù)載傳送正負(fù)脈沖的全固態(tài)高壓電源的另一種實(shí)施方式。 該實(shí)施方式中的充電單元采用隔離結(jié)構(gòu)，放電單元采用半橋電路結(jié)構(gòu)。該實(shí)施方式包括三 個(gè)充電單元和三個(gè)放電單元，但是熟悉本領(lǐng)域的技術(shù)人員應(yīng)該認(rèn)識到，可以包括更多或更 少單元。
該實(shí)施方式中的每一個(gè)充電單元包括充電變壓器和一個(gè)整流橋。例如對于充電單 元404，它包括充電變壓器410和整流橋416。所有的充電變壓器，包括410、412和414共 享同一個(gè)原邊繞組402。每一個(gè)放電單元包括兩個(gè)儲能電容，兩個(gè)半導(dǎo)體開關(guān)以及相應(yīng)的開 關(guān)驅(qū)動(dòng)。例如對于放電單元422，它包括儲能電容452、454，半導(dǎo)體開關(guān)428、430，以及開關(guān) 驅(qū)動(dòng) 440、442。
當(dāng)全固態(tài)高壓電源處于充電狀態(tài)時(shí)，交流充電電源400通過三個(gè)充電單元404、 406和408分別對三個(gè)放電單元422、似4和似6中的三對串聯(lián)的儲能電容，也就是452、454， 456、458，和460,462隔離充電。通過開關(guān)驅(qū)動(dòng)440、442、444、446、448和450的控制信號， 三個(gè)放電單元中的所有半導(dǎo)體開關(guān)似8、430、432、434、436和438處于關(guān)斷狀態(tài)。
當(dāng)全固態(tài)高壓電源處于放電狀態(tài)時(shí)，可以選擇是否繼續(xù)對儲能電容充電，這通過 控制交流電源充電的工作狀態(tài)來實(shí)現(xiàn)。無論是否繼續(xù)充電，都不會(huì)對高壓電源的正常工作 有影響，所影響的是脈沖放電時(shí)傳輸?shù)截?fù)載的能量。如果要輸出正向脈沖電壓(相對于地 電位)，通過施加相應(yīng)的開關(guān)驅(qū)動(dòng)，使三個(gè)放電單元中的半導(dǎo)體開關(guān)似8、432和436處于關(guān) 斷狀態(tài)，同時(shí)使三個(gè)放電單元中的半導(dǎo)體開關(guān)430、434和438處于導(dǎo)通狀態(tài)。因此儲能電 容454、458和462對負(fù)載464串聯(lián)放電，輸出正向脈沖電壓。如果要輸出負(fù)向脈沖電壓(相對于地電位)，通過施加相應(yīng)的開關(guān)驅(qū)動(dòng)，使三個(gè)放電單元中的半導(dǎo)體開關(guān)430、434和438 處于關(guān)斷狀態(tài)，同時(shí)使三個(gè)放電單元中的半導(dǎo)體開關(guān)似8、432和436處于導(dǎo)通狀態(tài)。因此 儲能電容452、456和460對負(fù)載464串聯(lián)放電，輸出負(fù)向脈沖電壓。
在以上四種實(shí)施方式中，放電單元中的半導(dǎo)體開關(guān)既可以是半控型半導(dǎo)體開關(guān)， 如晶閘管(SCR)，也可以是全控型半導(dǎo)體開關(guān)，如MOSFET或IGBT。如果所使用半導(dǎo)體開關(guān) 的內(nèi)部沒有集成反并聯(lián)二極管(例如對于晶閘管和部分型號的IGBT)，那么需要對這些開 關(guān)外接反并聯(lián)二極管。如果所使用半導(dǎo)體開關(guān)的內(nèi)部已經(jīng)集成了反并聯(lián)二極管(例如對于 大多數(shù)的M0SFET)，那么就不需要外接二極管。
在以上四種實(shí)施方式中，如果放電單元中的半導(dǎo)體開關(guān)使用了晶閘管這類半控型 開關(guān)，那么要使開關(guān)斷開，除了施加相應(yīng)的開關(guān)驅(qū)動(dòng)，還應(yīng)該確保流過開關(guān)的電流小于開關(guān) 本身的維持電流。例如對于圖1所示的第一種實(shí)施方式，當(dāng)輸出正向脈沖時(shí)，通過施加相應(yīng) 的開關(guān)驅(qū)動(dòng)，要使三個(gè)放電單元中的半導(dǎo)體開關(guān)136、138、144、146、152和巧4處于關(guān)斷狀 態(tài)，此時(shí)應(yīng)該確保流過這些開關(guān)的電流小于開關(guān)本身的維持電流。如果放電單元中的半導(dǎo) 體開關(guān)使用了 IGBT或MOSFET這類全控型開關(guān)，那么無論在開關(guān)斷開之前流過的電流或大 或小，只需要施加相應(yīng)的開關(guān)驅(qū)動(dòng)，開關(guān)即能關(guān)斷。
權(quán)利要求
1.一種具有正負(fù)脈沖輸出的全固態(tài)高壓電源，其特征在于，其包括一系列串聯(lián)連接的 放電單元，以及與各個(gè)放電單元相連的充電單元；所述的一系列放電單元中的第一個(gè)和最 后一個(gè)單元用于連接到負(fù)載；每個(gè)放電單元包括數(shù)個(gè)半導(dǎo)體開關(guān)和與開關(guān)相連的儲能電容。
2.按權(quán)利要求1所述的具有正負(fù)脈沖輸出的全固態(tài)高壓電源，其特征在于，所述的開 關(guān)的類型是半控型半導(dǎo)體開關(guān)，或是全控型半導(dǎo)體開關(guān)。
3.按權(quán)利要求1所述的具有正負(fù)脈沖輸出的全固態(tài)高壓電源，其特征在于，所述的每 一個(gè)放電單元的結(jié)構(gòu)是全橋電路結(jié)構(gòu)，或是半橋電路結(jié)構(gòu)。
4.按權(quán)利要求2或3所述的具有正負(fù)脈沖輸出的全固態(tài)高壓電源，其特征在于，在每一 套高壓電源中，每一個(gè)放電單元的結(jié)構(gòu)都保持一致；充電單元是二極管和半導(dǎo)體開關(guān)的組 合或是變壓器和整流橋的組合，每一套所述的高壓電源中，每一個(gè)充電單元的結(jié)構(gòu)都保持 一致。
5.按權(quán)利要求3所述的具有正負(fù)脈沖輸出的全固態(tài)高壓電源，其特征在于，所述的全 橋電路結(jié)構(gòu)放電單元包括四個(gè)半導(dǎo)體開關(guān)和一個(gè)儲能電容，同時(shí)包括相應(yīng)的開關(guān)驅(qū)動(dòng)；所 述的半橋電路結(jié)構(gòu)放電單元包括兩個(gè)半導(dǎo)體開關(guān)和兩個(gè)儲能電容，同時(shí)包括相應(yīng)的開關(guān)驅(qū)動(dòng)。
6.按權(quán)利要求2所述的具有正負(fù)脈沖輸出的全固態(tài)高壓電源，其特征在于，所述的是 半控型半導(dǎo)體開關(guān)是晶閘管；所述的全控型半導(dǎo)體開關(guān)為MOSFET或IGBT。
7.按權(quán)利要求1所述的具有正負(fù)脈沖輸出的全固態(tài)高壓電源，其特征在于，所述的充 電單元采用非隔離結(jié)構(gòu)，放電單元采用全橋電路結(jié)構(gòu)；所述的充電單元包括三個(gè)或更多或 更少充電單元和三個(gè)或更多或更少放電單元，其中的每一個(gè)充電單元包括一個(gè)二極管，一 個(gè)半導(dǎo)體開關(guān)和開關(guān)驅(qū)動(dòng)，每一個(gè)放電單元包括一個(gè)儲能電容，四個(gè)半導(dǎo)體開關(guān)以及相應(yīng) 的開關(guān)驅(qū)動(dòng)。
8.按權(quán)利要求1所述的具有正負(fù)脈沖輸出的全固態(tài)高壓電源，其特征在于，所述的充 電單元采用非隔離結(jié)構(gòu)，放電單元采用半橋電路結(jié)構(gòu)；所述的充電單元三個(gè)或更多或更少 充電單元和三個(gè)或更多或更少放電單元，其中的每一個(gè)充電單元包括兩個(gè)二極管，兩個(gè)半 導(dǎo)體開關(guān)和相應(yīng)的開關(guān)驅(qū)動(dòng)，每一個(gè)放電單元包括兩個(gè)儲能電容，兩個(gè)半導(dǎo)體開關(guān)以及相 應(yīng)的開關(guān)驅(qū)動(dòng)。
9.按權(quán)利要求1所述的具有正負(fù)脈沖輸出的全固態(tài)高壓電源，其特征在于，所述的充 電單元采用隔離結(jié)構(gòu)，放電單元采用全橋電路結(jié)構(gòu)；所述的充電單元三個(gè)或更多或更少充 電單元和三個(gè)或更多或更少放電單元，其中的每一個(gè)充電單元包括充電變壓器和一個(gè)整流 橋，每一個(gè)放電單元包括一個(gè)儲能電容，四個(gè)半導(dǎo)體開關(guān)以及相應(yīng)的開關(guān)驅(qū)動(dòng)。
10.按權(quán)利要求1所述的具有正負(fù)脈沖輸出的全固態(tài)高壓電源，其特征在于，所述的充 電單元采用隔離結(jié)構(gòu)，放電單元采用半橋電路結(jié)構(gòu)，所述的充電單元三個(gè)或更多或更少充 電單元和三個(gè)或更多或更少放電單元，其中的每一個(gè)充電單元包括充電變壓器和一個(gè)整流 橋，每一個(gè)放電單元包括兩個(gè)儲能電容，兩個(gè)半導(dǎo)體開關(guān)以及相應(yīng)的開關(guān)驅(qū)動(dòng)。
全文摘要
本發(fā)明屬于電源技術(shù)領(lǐng)域，涉及一種具有正負(fù)脈沖輸出的全固態(tài)高壓電源，包括一系列串聯(lián)連接的放電單元，以及與各個(gè)放電單元相連的充電單元；所述的一系列放電單元中的第一個(gè)和最后一個(gè)單元用于連接到負(fù)載；每個(gè)放電單元包括數(shù)個(gè)半導(dǎo)體開關(guān)和與開關(guān)相連的儲能電容。本發(fā)明可在不使用高壓脈沖變壓器和高壓直流電源的情況下，利用半導(dǎo)體開關(guān)開通和關(guān)斷的特性，將直流或交流低壓轉(zhuǎn)變?yōu)檎?fù)雙向的高壓脈沖，并且輸出脈沖的寬度、頻率和幅值都具有較大的可調(diào)節(jié)范圍。本發(fā)明的全固態(tài)高壓電源具有體積小、壽命長、故障率低的特點(diǎn)。在特定應(yīng)用場合，本發(fā)明能夠替代升壓變壓器。
文檔編號H02M3/10GK102035378SQ200910196678
公開日2011年4月27日 申請日期2009年9月28日 優(yōu)先權(quán)日2009年9月28日
發(fā)明者劉克富, 王冬冬, 邱劍 申請人:復(fù)旦大學(xué)