專利名稱：一種高壓脈沖電容器充電裝置的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及一種高壓電容器充電裝置，特別涉及利用市電對高壓、大功率脈沖電容器充電的裝置。
背景技術：
脈沖功率技術研究具有很強的目的性和實用性，廣泛應用于近代科學實驗、軍事科學技術、工業(yè)生產(chǎn)和醫(yī)學醫(yī)療等領域，日益得到各國的重視和發(fā)展。自六十年代以來，脈沖功率技術發(fā)展迅速，取得了一些重要突破，目前該技術正朝著高壓、大電流、短脈沖的方向發(fā)展。但是傳統(tǒng)的充電電源都工作在工頻狀態(tài)，存在著體積龐大、設備笨重、自動化程度低等弊端。
中國專利200410101801.3是由兩個高壓充電電容器、兩個高壓放電開關、脈沖形成網(wǎng)絡、一個高壓貯能電容、一個高壓充電二極管、一個高壓放電電阻等組成的充電裝置。中國專利02120864.6通過控制兩個環(huán)路上的電子開關開通、關斷一次，兩個串接電容中的一個電容上的電能會通過整流二極管轉(zhuǎn)移到輸出端，同時，輸入端給另一個電容充電，這樣循環(huán)往復完成電壓的變換和電容器的充電。中國專利01802279.0射頻設備具有一個輸入晶體管，從該輸入晶體管可以看到一個電容，快速充電電路對該電容充電，輸入晶體管接收射頻信號，當設備從截止模式轉(zhuǎn)變到接通模式或從低增益模式轉(zhuǎn)化到高增益模式時該電容被快速充電，由此降低了該設備的接通時間。上述現(xiàn)有技術主要缺點是效率低，功率密度小，不能提供目前所需要的大功率要求。
美國的Maxwell公司及EMI公司均研制了開關模式的脈沖電容充電的系列高壓電源，都是串聯(lián)諧振開關的改進型，并擁有各自的技術專利，如EMI的商品產(chǎn)品平均充電功率可達到30kJ/s(DC狀態(tài)50kW)，電壓為50kV，整體尺寸為480*310*560，功率密度為0.6W/cm3，效率85％，功率因數(shù)0.9，但其具體的結(jié)構及參數(shù)均未見報道。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是為了提高功率密度和整機效率，提出一種利用市電完成的高壓脈沖電容器充電裝置。
本發(fā)明包括四個組成部分電能變換單元，控制單元，集成功率模塊(IPM)驅(qū)動接口單元，外圍保護單元。電能變換單元為本發(fā)明的主電路，控制單元通過對電能變換單元輸出電壓進行采樣，然后把控制信號傳輸給集成功率模塊驅(qū)動接口單元，集成功率模塊驅(qū)動接口單元與電能變換單元的開關器件直接相連，以便對電能變換單元進行驅(qū)動和控制，外圍保護單元對電能變換單元內(nèi)部信號進行采樣，把輸出信號傳輸給控制單元，完成對主電路的保護。
電能變換單元主要由初級三相整流電路、高頻逆變電路、串聯(lián)諧振電路、高壓變壓器、高壓整流硅堆組成。工頻交流電經(jīng)初級三相整流電路實現(xiàn)AC-DC轉(zhuǎn)換，輸出低壓直流電壓，然后經(jīng)過高頻全橋逆變電路和串聯(lián)諧振電路實現(xiàn)DC-AC轉(zhuǎn)換，輸出高頻電流至變壓器，經(jīng)過升壓、整流，實現(xiàn)高頻高壓的AC-DC轉(zhuǎn)換，最后輸出，對高壓脈沖電容器進行充電。
控制單元由電流互感器、峰值采樣電路和電壓比較器、壓控振蕩器以及分頻和死區(qū)調(diào)整電路組成。正輸入端為預設值，比較器輸出信號經(jīng)一個RC積分電路送至壓控振蕩器LM331的輸入端，振蕩器輸出的方波信號經(jīng)分頻和死區(qū)調(diào)整電路后產(chǎn)生四路開關控制信號給集成功率模塊(IPM)驅(qū)動接口電路，控制集成功率模塊(IPM)的開關動作。
集成功率模塊(IPM)驅(qū)動接口單元主要由光耦器件和獨立的15V直流電源組成。光耦器件要滿足控制信號盡可能短的傳輸延遲時間和高的絕緣電壓，選用6N137，其高電平傳輸延遲時間和低電平傳輸延遲時間均為50ns，工作電壓為5V。設計了四路完全相同的驅(qū)動接口電路，開關控制信號從高速光耦6N137的3、4腳輸入，低速光耦PC817的3、4腳輸出為集成功率模塊(IPM)內(nèi)部故障檢測電路發(fā)出的故障信號。
保護單元電路工作原理如下，控制電路輸出的開關控制信號經(jīng)與門CD4081至集成功率模塊(IPM)驅(qū)動接口電路，集成功率模塊(IPM)故障輸出信號經(jīng)RC低通濾波電路至觸發(fā)器CD4013的時鐘端。正常工作時Q為高電平，與門導通，輸出開關控制信號，故障時D觸發(fā)器翻轉(zhuǎn)，Q端變?yōu)榈碗娖?，封鎖與門，從而封鎖了驅(qū)動信號，電源停止工作，有效的保護了集成功率模塊(IPM)和系統(tǒng)。
本發(fā)明的積極效果是①采用了高頻變換技術，降低了原材料消耗，裝置體積小，動態(tài)響應時間快；②采用了國際最新的軟開關技術，裝置的轉(zhuǎn)換效率高，電磁干擾?。虎鄄捎昧俗孕性O計的控制器，便于實現(xiàn)電源不同工作方式的選擇，易于實現(xiàn)輸出功率的調(diào)節(jié)。


圖1為本發(fā)明總體設計框圖，圖中1三相整流電路，2全橋逆變電路，3串聯(lián)諧振電路，4升壓變壓器，5高壓整流硅堆，6集成功率模塊(IPM)驅(qū)動接口單元，7控制單元。
圖2為控制單元示意圖，圖中8峰值采樣電路，9電壓比較器，10壓控振蕩器，11分頻和死區(qū)設置電路。
圖3為集成功率模塊(IPM)驅(qū)動接口單元電路原理圖。
圖4為外圍保護單元電路原理圖。
圖5本發(fā)明的主電路原理圖結(jié)構具體實施方式
下面結(jié)合附圖及具體實施方式
進一步說明本發(fā)明的內(nèi)容。
如圖1所示本發(fā)明主要包括電能變換單元、集成功率模塊(IPM)驅(qū)動接口單元6和控制單元7。其中電能變換單元由三相整流電路1、全橋逆變電路2、串聯(lián)諧振電路3、變壓升壓4、高壓整流硅堆5五部分組成。工頻交流電經(jīng)初級三相整流電路1實現(xiàn)AC-DC轉(zhuǎn)換，輸出低壓直流電壓，然后經(jīng)過高頻全橋逆變電路2和串聯(lián)諧振電路3實現(xiàn)DC-AC轉(zhuǎn)換，輸出高頻電流至升壓變壓器4，經(jīng)過高壓整流硅堆5實現(xiàn)高頻高壓的AC-DC轉(zhuǎn)換，最后輸出對高壓脈沖電容器進行充電。整個充電裝置由控制單元7進行控制，經(jīng)過集成功率模塊(IPM)驅(qū)動接口單元6完成對全橋逆變電路2的調(diào)節(jié)。如圖5所示，三相整流電路1由六只二極管連接成全波整流電路，全橋逆變電路2由雙單元IGBT兩只連接成全橋逆變電路，串聯(lián)諧振電路3由諧振電感和電容串聯(lián)組成，變壓升壓4由高頻升壓變壓器組成，高壓整流5由高壓整流二極管串聯(lián)起來組成全橋整流電路。三相二極管整流電路的輸出與逆變電路的IGBT相連接，IGBT的逆變輸出端與串聯(lián)諧振電感和高頻升壓變壓器的一個原邊相連接，諧振電感和電容相串聯(lián)后與高頻升壓變壓器的另一原邊相連，變壓器的付邊與高壓整流二極管輸入端相連，二極管整流輸出端接負載。
圖2為本發(fā)明的控制單元示意圖，由電流互感器、峰值采樣電路8和電壓比較器9以及壓控振蕩器10以及分頻和死區(qū)設置電路11組成。電壓比較器8正輸入端為預設值，輸出信號經(jīng)一個RC積分電路送至壓控振蕩器10LM331的輸入端，振蕩器輸出的方波信號經(jīng)分頻和死區(qū)設置電路11后產(chǎn)生四路開關控制信號給集成功率模塊(IPM)的驅(qū)動接口單元，控制集成功率模塊(IPM)的開關動作。諧振電流的反饋信號與比較器正輸入端的預設電壓值相比較，若反饋信號小于預設值時，意味著諧振電流小于預設值，比較器的輸出增大，壓控振蕩器的輸出頻率升高，即開關頻率升高，諧振電流增大；若反饋信號大于預設值，意味著諧振電流大于預設值，比較器的輸出減小，壓控振蕩器的輸出頻率減小，即開關頻率變小，諧振電流減小。通過該動態(tài)調(diào)節(jié)，諧振電流維持在預設值附近。在實際工作中，隨著輸出電壓的升高，諧振頻率在增大，諧振回路電流峰值在不斷的減小，反饋信號與預設值比較后輸出一個逐漸增大的電壓信號使得開關頻率不斷的升高。
圖3為本發(fā)明的集成功率模塊(IPM)驅(qū)動接口單元6，主要由光耦器件和獨立的15V直流電源組成。光耦器件要滿足控制信號盡可能短的傳輸延遲時間和高的絕緣電壓。這里選用6N137，其高電平傳輸延遲時間和低電平傳輸延遲時間均為50ns，工作電壓為5V。設計了四路相同的驅(qū)動接口電路，其中一路見圖3，其它三路電路完全相同。開關控制信號從高速光耦6N137的3、4腳輸入，低速光耦PC817的3、4腳輸出為集成功率模塊(IPM)內(nèi)部故障檢測電路發(fā)出的故障信號，內(nèi)部故障檢測電路主要由電流傳感器、電壓傳感器和溫度傳感器組成，當電路工作時發(fā)生過流、過壓或者過熱時傳感器就會發(fā)出故障信號，以便保護功率模塊。兩個光耦把高壓和低壓隔離開，在印刷電路板上布線時要有一定的絕緣距離。隔離的15V電源經(jīng)濾波器濾波后作為驅(qū)動電源。J1為5腳插座，直接插在集成功率模塊(IPM)的輸入端上，連接集成功率模塊(IPM)內(nèi)部驅(qū)動電路。內(nèi)部驅(qū)動電路主要包括電源轉(zhuǎn)換和信號轉(zhuǎn)換兩部分，電源轉(zhuǎn)換部分把輸入的15V直流電源轉(zhuǎn)換為5V直流電源，信號轉(zhuǎn)換部分把輸入的驅(qū)動信號進行反轉(zhuǎn)，以便控制功率模塊。J1的5腳連接15V電源正極，2腳輸出為5V，正好為6N137提供工作電壓。15V直流電源地與6N 137的5管腳相連，15V直流電源的正極與PC817的1管腳相連。該接口電路板直接放置在集成功率模塊(IPM)上面，保證器件間的引線盡可能的短。
圖4為本發(fā)明的外圍保護單元。只要集成功率模塊(IPM)內(nèi)部檢測保護電路有一個起作用，就會關斷門極驅(qū)動電路，并輸出一個脈寬為1.8ms的脈沖信號。但是該故障信號是非保持性的，如果1.8ms結(jié)束后故障源仍沒有排除，集成功率模塊(IPM)就會重復自動保護的過程，反復動作。過流、短路、過熱保護動作都是非常惡劣的運行狀況，應避免其反復動作，因此僅靠集成功率模塊(IPM)內(nèi)部保護電路還不能完全實現(xiàn)器件的自我保護，要使系統(tǒng)真正安全、可靠運行，需要輔助的外圍保護電路。圖4為設計的外圍保護電路?？刂齐娐份敵龅拈_關控制信號經(jīng)與門CD4081至集成功率模塊(IPM)驅(qū)動接口單元，集成功率模塊(IPM)故障輸出信號經(jīng)RC低通濾波電路至觸發(fā)器CD4013的時鐘端。正常工作時Q為高電平，與門導通，輸出開關控制信號；故障時D觸發(fā)器翻轉(zhuǎn)，Q端變?yōu)榈碗娖剑怄i與門，從而封鎖了驅(qū)動信號，電源停止工作，有效的保護了集成功率模塊(IPM)和系統(tǒng)。RC低通慮波電路能夠防止高頻干擾信號使保護電路誤動作。
本發(fā)明中，高壓整流硅堆5的輸出電壓經(jīng)分壓后與控制單元7的峰值采樣電路8的輸入端相連接，分頻和死區(qū)設置電路11的輸出控制端接集成功率模塊(IPM)驅(qū)動接口單元6的高速光耦6N137的2，3管腳，集成功率模塊(IPM)驅(qū)動接口單元6的低速光耦PC817的FO端3管腳接外圍保護單元的Erros Signal端，PC817的FO端的4管腳通過電阻與15V直流電源的正極相連接，輸出接控制電路7。
本發(fā)明工作過程如下所述，工頻交流電經(jīng)初級三相整流電路1實現(xiàn)AC-DC轉(zhuǎn)換，輸出低壓直流電壓，然后經(jīng)過高頻全橋逆變電路2和串聯(lián)諧振電路3實現(xiàn)DC-AC轉(zhuǎn)換，輸出高頻電流至升壓變壓器4，經(jīng)過高壓整流硅堆5實現(xiàn)高頻高壓的AC-DC轉(zhuǎn)換，最后輸出對高壓脈沖電容器進行充電。整個充電裝置由控制電路7進行控制，控制信號通過驅(qū)動電路6完成對全橋逆變電路2的調(diào)節(jié)，通過預設電壓可以完成對輸出電壓的調(diào)節(jié)，以達到方便實用的目的。
本發(fā)明可作為高壓脈沖電容器的充電裝置。
權利要求
1.一種高壓脈沖電容器充電裝置，其特征在于主要包括電能變換單元、四路相同的驅(qū)動接口電路集成功率模塊(IPM)驅(qū)動接口單元[6]、控制單元[7]和外圍保護單元；其中電能變換單元由三相整流電路[1]、全橋逆變電路[2]、串聯(lián)諧振電路[3]、變壓升壓[4]、高壓整流硅堆[5]五部分組成；工頻交流電經(jīng)初級三相整流電路[1]實現(xiàn)AC-DC轉(zhuǎn)換，輸出低壓直流電壓，經(jīng)過高頻全橋逆變電路[2]和串聯(lián)諧振電路[3]實現(xiàn)DC-AC轉(zhuǎn)換，然后輸出高頻電流至升壓變壓器[4]，經(jīng)過高壓整流硅堆[5]實現(xiàn)高頻高壓的AC-DC轉(zhuǎn)換后輸出，對高壓脈沖電容器充電；控制單元[7]對電能變換單元輸出電壓進行采樣，把控制信號傳輸給集成功率模塊驅(qū)動接口單元[6]，集成功率模塊驅(qū)動接口單元[6]與電能變換單元的開關器件直接相連，以便對電能變換單元進行驅(qū)動和控制，外圍保護單元對電能變換單元內(nèi)部信號進行采樣，把輸出信號傳輸給控制單元[7]，完成對主電路的保護。
2.按照權利要求1所述的高壓脈沖電容器充電裝置，其特征在于三相整流電路[1]由六只二極管連接成全波整流電路，全橋逆變電路[2]由雙單元IGBT兩只連接成全橋逆變電路，串聯(lián)諧振電路[3]由諧振電感和電容串聯(lián)組成，變壓升壓[4]由高頻升壓變壓器組成，高壓整流[5]由高壓整流二極管串聯(lián)起來組成全橋整流電路；三相二極管整流電路的輸出與逆變電路的IGBT相連接，IGBT的逆變輸出端與串聯(lián)諧振電感和高頻升壓變壓器的一個原邊相連接，諧振電感和電容串聯(lián)后與高頻升壓變壓器的另一原邊相連，變壓器的付邊與高壓整流二極管輸入端相連，二極管整流輸出端接負載。
3.按照權利要求1所述的高壓脈沖電容器充電裝置，其特征在于控制單元[7]由電流互感器、峰值采樣電路[8]和電壓比較器[9]以及壓控振蕩器[10]以及分頻和死區(qū)設置電路[11]組成；電壓比較器[8]正輸入端為預設值，輸出信號經(jīng)一個RC積分電路送至壓控振蕩器10LM331的輸入端，振蕩器輸出的方波信號經(jīng)分頻和死區(qū)設置電路[11]后產(chǎn)生四路開關控制信號給集成功率模塊(IPM)的驅(qū)動接口單元，控制集成功率模塊(IPM)的開關動作。
4.按照權利要求1所述的高壓脈沖電容器充電裝置，其特征在于集成功率模塊(IPM)驅(qū)動接口單元6，主要由光耦器件和獨立的15V直流電源組成；開關控制信號從高速光耦6N137的3、4腳輸入，低速光耦PC817的3、4腳輸出為集成功率模塊(IPM)內(nèi)部故障檢測電路發(fā)出的故障信號；兩個光耦把高壓和低壓隔離開；隔離的15V電源經(jīng)濾波器濾波后作為驅(qū)動電源；5腳插座J1插在集成功率模塊(IPM)的輸入端上，連接集成功率模塊(IPM)內(nèi)部驅(qū)動電路，J1的5腳連接15V電源正極，2腳輸出為5V，為6N137提供工作電壓。
5.按照權利要求1所述的高壓脈沖電容器充電裝置，其特征在于外圍保護電路中，控制電路[7]輸出的開關控制信號經(jīng)與門CD4081至集成功率模塊(IPM)驅(qū)動接口單元[6]，集成功率模塊(IPM)故障輸出信號經(jīng)RC低通濾波電路至觸發(fā)器CD4013的時鐘端。
6.按照權利要求1所述的高壓脈沖電容器充電裝置，其特征在于高壓整流硅堆5的輸出電壓經(jīng)分壓后與控制單元7的峰值采樣電路8的輸入端相連接，分頻和死區(qū)設置電路11的輸出控制端接集成功率模塊(IPM)驅(qū)動接口單元6的高速光耦6N137的2，3管腳，集成功率模塊(IPM)驅(qū)動接口單元6的低速光耦PC817的FO端3管腳接外圍保護單元4的ErrosSignal端，PC817的FO端的4管腳通過電阻和15V直流電源相連接，輸出接控制電路7。
全文摘要
一種高壓脈沖電容器充電裝置，包括電能變換單元、四路相同的驅(qū)動接口電路集成功率模塊驅(qū)動接口單元[6]、控制單元[7]和外圍保護單元。工頻交流電經(jīng)初級三相整流電路[1]實現(xiàn)AC－DC轉(zhuǎn)換，輸出低壓直流電壓，經(jīng)過高頻全橋逆變電路[2]和串聯(lián)諧振電路[3]實現(xiàn)DC－AC轉(zhuǎn)換，然后輸出高頻電流至升壓變壓器[4]，經(jīng)高壓整流硅堆[5]實現(xiàn)高頻高壓的AC－DC轉(zhuǎn)換后輸出，對高壓脈沖電容器充電?？刂茊卧猍7]對電能變換單元輸出電壓采樣，把控制信號傳輸給集成功率模塊驅(qū)動接口單元[6]，集成功率模塊驅(qū)動接口單元[6]與電能變換單元的開關器件直接相連，以便對電能變換單元進行驅(qū)動和控制，外圍保護單元對電能變換單元內(nèi)部信號進行采樣，把輸出信號傳輸給控制單元[7]，完成對主電路的保護。
文檔編號H02J15/00GK101013860SQ20061016550
公開日2007年8月8日 申請日期2006年12月21日 優(yōu)先權日2006年12月21日
發(fā)明者高迎慧, 楊小衛(wèi), 嚴萍, 張東輝, 孫鷂鴻 申請人:中國科學院電工研究所