專利名稱：一種大功率直流/方波變換電路及其控制方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及用于多行業(yè)及用途的高頻脈沖電源，具體涉及ー種大功率直流/方波變換電路及其控制方法
背景技術(shù)：
脈沖電源廣泛用于電鍍金、銀、錫、合金等，對改善鍍層具有十分重要的作用。雙脈沖電源比單脈沖電源的電鍍更細致、更光潔，并且ー些特殊的電鍍需要特殊的電壓波形，如正負不對稱脈沖。為了滿足這種特殊電壓波形的要求，目前國內(nèi)的脈沖電源輸出部分大多采用H橋型電路結(jié)構(gòu)，為了改善波形、吸收電壓尖峰、保護開關(guān)管，通常需要在H橋的母線上加大容量電容器。但由于母線上大電容的充放電效應(yīng)，輸出電壓存在較大上升時間延時及較大下降時間延時，無法輸出不對稱電壓差大或占空比較小的脈沖電壓波形，輸出最高頻率及最小占空比受到限制。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于消除上述現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供ー種電路結(jié)構(gòu)簡單、控制容易，輸出的方波脈沖寬度、頻率、幅值可調(diào)，占空比范圍大、正負脈沖轉(zhuǎn)換速度快、波形質(zhì)量高、可實現(xiàn)高頻率高電壓輸出的大功率直流/方波變換電路及其控制方法。本發(fā)明的目的可以通過以下技術(shù)方案來實現(xiàn)
ー種大功率直流/方波變換電路，包括四個開關(guān)管、兩個快恢復(fù)ニ極管模塊、兩個電容器模塊，所述四個開關(guān)管中的第一開關(guān)管與第三開關(guān)管串聯(lián)構(gòu)成H橋型電路第一側(cè)橋臂，連接處引出為H橋型電路第一側(cè)橋臂的輸出端；第一開關(guān)管的高端與第一快恢復(fù)ニ極管模塊的負極連接，連接處接第二電容器模塊至H橋型電路第二側(cè)橋臂的輸出端；第二開關(guān)管與第四開關(guān)管串聯(lián)構(gòu)成H橋型電路第二側(cè)橋臂，連接處引出為H橋型電路第二側(cè)橋臂的輸出端；第二開關(guān)管的高端與第二快恢復(fù)ニ極管模塊的負極連接，連接處接第一電容器模塊至H橋型電路第一側(cè)橋臂的輸出端；兩個快恢復(fù)ニ極管模塊的正極共同接至直流母線正極，第三開關(guān)管、第四開關(guān)管的低端共同接至直流母線負扱。作為優(yōu)選，上述四個開關(guān)管可選用N溝道絕緣柵雙極晶閘管IGBT，則所述第一開關(guān)管的高端和第二開關(guān)管的高端均指N溝道絕緣柵雙極晶閘管IGBT的集電極，第三開關(guān)管和第四開關(guān)管的低端均指N溝道絕緣柵雙極晶閘管IGBT的發(fā)射扱。上述的大功率直流/方波變換電路中，所述第一快恢復(fù)ニ極管模塊、第二快恢復(fù)ニ極管模塊分別由ー個以上快恢復(fù)ニ極管構(gòu)成，兩個以上的快恢復(fù)ニ極管采用串聯(lián)、并聯(lián)或混聯(lián)方式。所述第一電容器模塊、第二電容器模塊分別由ー個以上電容器構(gòu)成，兩個以上的電容器采用串聯(lián)、并聯(lián)或混聯(lián)方式。上述的大功率直流/方波變換電路中，所述H橋型電路采用高頻全橋H橋型電路結(jié)構(gòu)，第一開關(guān)管、第二開關(guān)管、第三開關(guān)管、第四開關(guān)管組成H橋型電路的四臂。上述的大功率直流/方波變換電路的控制方法如下若需要輸出單向方波脈沖時，控制第二開關(guān)管、第三開關(guān)管關(guān)斷，控制第一開關(guān)管、第四開關(guān)管按設(shè)定頻率的開通關(guān)斷，則可得到正向方波脈沖輸出；反之，控制第一開關(guān)管、第四開關(guān)管關(guān)斷，控制第二開關(guān)管、第三開關(guān)管按設(shè)定頻率的開通關(guān)斷，則可得到反向方波脈沖輸出；
若要求輸出雙向?qū)ΨQ方波脈沖或雙向不對稱方波脈沖時，通過切換上述單向方波脈沖的正向方波脈沖輸出和反向方波脈沖輸出兩種狀態(tài)來實現(xiàn)。相對現(xiàn)有的脈沖電源發(fā)生電路，本發(fā)明的有益效果是 (O電路結(jié)構(gòu)簡單、控制方便、易實現(xiàn)；
(2)可輸出單相方波脈沖、雙向?qū)ΨQ方波脈沖、雙向不對稱方波脈沖；
(3)輸出的方波脈沖寬度、頻率、幅值可調(diào)；
(4)輸出的方波脈沖占空比范圍大、正負脈沖轉(zhuǎn)換速度快、波形質(zhì)量高、可實現(xiàn)高頻率聞電壓輸出；
(5)電路工作在高頻狀態(tài)，系統(tǒng)動態(tài)響應(yīng)性能高、輸出波形精度大、質(zhì)量高。


圖I是實施方式中的大功率直流/方波變換電路實例圖。圖2是圖I所示的大功率直流/方波變換電路在兩個開關(guān)周期內(nèi)的輸出正向方波脈沖電壓波形。圖3是是圖I所示的大功率直流/方波變換電路在兩個開關(guān)周期內(nèi)的輸出反向方波脈沖電壓波形。圖4是圖I所示的大功率直流/方波變換電路在兩個開關(guān)周期內(nèi)的輸出雙向不對稱方波脈沖電壓波形。圖5是圖I所示的大功率直流/方波變換電路在兩個開關(guān)周期內(nèi)的輸出雙向?qū)ΨQ方波脈沖電壓波形。
具體實施例方式以下結(jié)合具體實施例對本發(fā)明做進ー步說明。圖I是依據(jù)本發(fā)明ー實施例的大功率直流/方波變換電路實例圖，大功率直流/方波變換電路包括四個開關(guān)管第一開關(guān)管Q1、第二開關(guān)管Q2、第三開關(guān)管Q3、第四開關(guān)管Q4，兩個快恢復(fù)ニ極管模塊第一快恢復(fù)ニ極管模塊D1、第二快恢復(fù)ニ極管模塊D2，兩個電容器模塊第一電容器模塊C1、第二電容器模塊C2 ;所述四個開關(guān)管Q1-Q4中的第一開關(guān)管Q1與第三開關(guān)管Q3串聯(lián)構(gòu)成H橋型電路第一側(cè)橋臂，連接處引出為H橋型電路第一側(cè)橋臂的輸出端；第一開關(guān)管Q1的高端與第一快恢復(fù)ニ極管模-D1的負極連接，連接處接第二電容器模塊C2至H橋型電路第二側(cè)橋臂的輸出端；第二開關(guān)管Q2與第四開關(guān)管Q4串聯(lián)構(gòu)成H橋型電路第二側(cè)橋臂，連接處引出為H橋型電路第二側(cè)橋臂的輸出端；第二開關(guān)管Q2的高端與第二快恢復(fù)ニ極管模塊D2的負極連接，連接處接第一電容器模塊C1至H橋型電路第一側(cè)橋臂的輸出端；兩個快恢復(fù)ニ極管模-D1.D2的正極共同接至直流母線正極，第三開關(guān)管Q3、第四開關(guān)管Q4的低端共同接至直流母線負扱。作為實施例，四個開關(guān)管均采用N溝道絕緣柵雙極晶閘管IGBT。
作為實施例，第一快恢復(fù)ニ極管模塊D1、第二快恢復(fù)ニ極管模塊D2分別由任意個快恢復(fù)ニ極管并聯(lián)構(gòu)成，第一電容器模塊C1、第二電容器模塊C2分別由任意個電容器并聯(lián)構(gòu)成。作為實施例，H橋型電路采用高頻全橋H橋型電路結(jié)構(gòu)(大于2kHz)，第一開關(guān)管Q1、第二開關(guān)管Q2、第三開關(guān)管Q3、第四開關(guān)管Q4組成H橋型電路的四臂。如上所述，ー種大功率直流/方波變換電路的控制方法如下
若需要輸出單向方波脈沖時，控制第二開關(guān)管Q2、第三開關(guān)管93關(guān)斷，控制第一開關(guān)管Q1、第四開關(guān)管Q4按設(shè)定頻率的開通關(guān)斷，則可得到正向方波脈沖輸出(如圖2所示);反之，控制第一開關(guān)管Q1、第四開關(guān)管Q4關(guān)斷，控制第二開關(guān)管Q2、第三開關(guān)管Q3按設(shè)定頻率的開通關(guān)斷，則可得到反向方波脈沖輸出(如圖3所示)。
若要求輸出雙向?qū)ΨQ方波脈沖或雙向不對稱方波脈沖時，只需將單向方 波脈沖的兩種輸出狀態(tài)按照所需的雙向輸出進行切換即可。例如但不限于要求輸出雙向不對稱脈沖(正向電壓V1XK負向電壓_V2〈0)時(如圖4所示)
(I)在正半周期，第二開關(guān)管Q2、第三開關(guān)管Q3關(guān)斷，控制第一開關(guān)管Q1、第四開關(guān)管Q4同時導(dǎo)通，調(diào)節(jié)直流母線電壓為V1, V1 一方面給第二電容器模塊C2充電，一方面作為輸出。在輸出所要求脈寬后，第一開關(guān)管Q1、第四開關(guān)管04關(guān)斷，這時第二電容器模塊C2兩端電壓Uc2=V1,由于沒有充放電回路，Uc2保持不變。(2)在負半周期，第一開關(guān)管Q1、第四開關(guān)管Q4關(guān)斷，控制第二開關(guān)管Q2、第三開關(guān)管Q3同時導(dǎo)通，調(diào)節(jié)直流母線電壓為V2，V2 一方面給第一電容器模塊C1充電，一方面作為輸出。在輸出所要求脈寬后，第二開關(guān)管Q2、第三開關(guān)管Q3關(guān)斷，這時第一電容器模塊C1兩端電壓Uci=V2,由于沒有充放電回路，Uci保持不變。( 3)在正半周期期間，加在第二電容器模塊C2兩端電壓基本相等，第二電容器模塊C2沒有充放電回路，Uc2=V1不變；在負半周期期間，加在第一電容器模塊C1兩端電壓基本相等，第一電容器模塊C1沒有充放電回路，Uci=V2。(4)下個周期開始，由于第一電容器模塊C1、第二電容器模塊C2已分別充電到所要求的電壓'、V2，所以只要調(diào)節(jié)直流母線電壓分別為V1. V2即可，由于母線上沒有大容量電容，沒有充放電效應(yīng)，故能快速調(diào)節(jié)\、\之值，而不受V1. V2之差值大小影響。例如但不限于要求輸出雙向?qū)ΨQ方波脈沖(正向電壓V1XK負向電壓-V1(O)時(如圖5所示)，控制方法與輸出雙向不對稱方波脈沖相同，只需使V2=V1,并且在一個開關(guān)周期第一開關(guān)管Q1、第四開關(guān)管Q4同時導(dǎo)通時間和第二開關(guān)管Q2、第三開關(guān)管Q3同時導(dǎo)通時間相等，即令正半周期和負半周期輸出脈寬相等。本發(fā)明所提供的大功率直流/方波變換電路結(jié)構(gòu)簡單、控制方便、易實現(xiàn)，可輸出寬度、頻率、幅值可調(diào)的單相方波脈沖、雙向?qū)ΨQ方波脈沖、雙向不對稱方波脈沖，且輸出占空比范圍大、正負脈沖轉(zhuǎn)換速度快；避免了傳統(tǒng)電路輸出電壓存在較大上升時間延時及較大下降時間延時，無法輸出不對稱電壓差大或占空比較小的脈沖電壓波形，輸出最高頻率及最小占空比受到限制等問題。
本文中所描述的具體實施例僅是對本發(fā)明精神的具體說明，本領(lǐng)域技術(shù)人員可以在不違背本發(fā)明的原理和實質(zhì)的前提下對本具體實施例做出各種修改或補充或者采用類似的方式替代，但是這些改動均落入本發(fā)明的保護范圍。因此本發(fā)明技術(shù)范圍不局限于上述實 施例。
權(quán)利要求
1.ー種大功率直流/方波變換電路，其特征在于包括四個開關(guān)管(Q1-Q4X兩個快恢復(fù)ニ極管模塊(D1,D2)、兩個電容器模塊(C1,C2),所述四個開關(guān)管(Q「Q4)中的第一開關(guān)管(Q1)與第三開關(guān)管(Q3)串聯(lián)構(gòu)成H橋型電路第一側(cè)橋臂，連接處引出為H橋型電路第一側(cè)橋臂的輸出端；第一開關(guān)管(Q1)的高端與第一快恢復(fù)ニ極管模塊(D1)的負極連接，連接處接第ニ電容器模塊(C2)至H橋型電路第二側(cè)橋臂的輸出端；第二開關(guān)管(Q2)與第四開關(guān)管(Q4)串聯(lián)構(gòu)成H橋型電路第二側(cè)橋臂，連接處引出為H橋型電路第二側(cè)橋臂的輸出端；第ニ開關(guān)管(Q2)的高端與第二快恢復(fù)ニ極管模塊(D2)的負極連接，連接處接第一電容器模塊(C1)至H橋型電路第一側(cè)橋臂的輸出端；兩個快恢復(fù)ニ極管模塊(D1A2)的正極共同接至直流母線正極，第三開關(guān)管(Q3)、第四開關(guān)管(Q4)的低端共同接至直流母線負扱。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的大功率直流/方波變換電路，其特征在于所述兩個快恢復(fù)ニ極管模塊(Dp D2)分別由ー個以上快恢復(fù)ニ極管構(gòu)成。
3.根據(jù)權(quán)利要求I所述的大功率直流/方波變換電路，其特征在于所述兩個電容器模塊(Cp C2)分別由ー個以上電容器構(gòu)成。
4.根據(jù)權(quán)利要求I所述的大功率直流/方波變換電路，其特征在于所述H橋型電路采用高頻全橋H橋型電路結(jié)構(gòu)。
5.權(quán)利要求1-4任一項所述的大功率直流/方波變換電路的控制方法，其特征在于 若需要輸出單向方波脈沖時，控制第二開關(guān)管Q2、第三開關(guān)管93關(guān)斷，控制第一開關(guān)管Q1、第四開關(guān)管Q4按設(shè)定頻率的開通關(guān)斷，則可得到正向方波脈沖輸出；反之，控制第一開關(guān)管Q1、第四開關(guān)管Q4關(guān)斷，控制第二開關(guān)管Q2、第三開關(guān)管Q3按設(shè)定頻率的開通關(guān)斷，則可得到反向方波脈沖輸出； 若要求輸出雙向?qū)ΨQ方波脈沖或雙向不對稱方波脈沖時，通過切換上述單向方波脈沖的正向方波脈沖輸出和反向方波脈沖輸出兩種狀態(tài)來實現(xiàn)。
全文摘要
本發(fā)明公開一種大功率直流/方波變換電路及其控制方法，包括四個開關(guān)管、兩個快恢復(fù)二極管模塊、兩個電容器模塊，第一、第三開關(guān)管串聯(lián)構(gòu)成H橋第一側(cè)橋臂，連接處為輸出端，第一開關(guān)管的高端與第一快恢復(fù)二極管的負極連接，連接處接第二電容至第二側(cè)橋臂的輸出端；第二、第四開關(guān)管串聯(lián)構(gòu)成第二側(cè)橋臂，連接處為輸出端，第二開關(guān)管的高端與第二快恢復(fù)二極管的負極連接，連接處接第一電容至第一側(cè)橋臂的輸出端；兩個快恢復(fù)二極管的正極接至直流母線正極，第三、第四開關(guān)管的低端接至直流母線負極。本發(fā)明控制方法簡單，輸出的方波脈沖寬度、頻率、幅值可調(diào)，具有占空比范圍大、正負脈沖轉(zhuǎn)換速度快等優(yōu)點。
文檔編號H02M9/00GK102647105SQ20121012571
公開日2012年8月22日 申請日期2012年4月26日 優(yōu)先權(quán)日2012年4月26日
發(fā)明者杜貴平 申請人:華南理工大學(xué)