CN101013860A - 一种高压脉冲电容器充电装置 - Google Patents
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Abstract
一种高压脉冲电容器充电装置，包括电能变换单元、四路相同的驱动接口电路集成功率模块驱动接口单元[6]、控制单元[7]和外围保护单元。工频交流电经初级三相整流电路[1]实现AC－DC转换，输出低压直流电压，经过高频全桥逆变电路[2]和串联谐振电路[3]实现DC－AC转换，然后输出高频电流至升压变压器[4]，经高压整流硅堆[5]实现高频高压的AC－DC转换后输出，对高压脉冲电容器充电。控制单元[7]对电能变换单元输出电压采样，把控制信号传输给集成功率模块驱动接口单元[6]，集成功率模块驱动接口单元[6]与电能变换单元的开关器件直接相连，以便对电能变换单元进行驱动和控制，外围保护单元对电能变换单元内部信号进行采样，把输出信号传输给控制单元[7]，完成对主电路的保护。
Description
技术领域
本发明涉及一种高压电容器充电装置，特别涉及利用市电对高压、大功率脉冲电容器充电的装置。
背景技术
脉冲功率技术研究具有很强的目的性和实用性，广泛应用于近代科学实验、军事科学技术、工业生产和医学医疗等领域，日益得到各国的重视和发展。自六十年代以来，脉冲功率技术发展迅速，取得了一些重要突破，目前该技术正朝着高压、大电流、短脉冲的方向发展。但是传统的充电电源都工作在工频状态，存在着体积庞大、设备笨重、自动化程度低等弊端。
中国专利200410101801.3是由两个高压充电电容器、两个高压放电开关、脉冲形成网络、一个高压贮能电容、一个高压充电二极管、一个高压放电电阻等组成的充电装置。中国专利02120864.6通过控制两个环路上的电子开关开通、关断一次，两个串接电容中的一个电容上的电能会通过整流二极管转移到输出端，同时，输入端给另一个电容充电，这样循环往复完成电压的变换和电容器的充电。中国专利01802279.0射频设备具有一个输入晶体管，从该输入晶体管可以看到一个电容，快速充电电路对该电容充电，输入晶体管接收射频信号，当设备从截止模式转变到接通模式或从低增益模式转化到高增益模式时该电容被快速充电，由此降低了该设备的接通时间。上述现有技术主要缺点是效率低，功率密度小，不能提供目前所需要的大功率要求。
美国的Maxwell公司及EMI公司均研制了开关模式的脉冲电容充电的系列高压电源，都是串联谐振开关的改进型，并拥有各自的技术专利，如EMI的商品产品平均充电功率可达到30kJ/s(DC状态50kW)，电压为50kV，整体尺寸为480*310*560，功率密度为0.6W/cm3，效率85％，功率因数0.9，但其具体的结构及参数均未见报道。
发明内容
本发明的目的是为了提高功率密度和整机效率，提出一种利用市电完成的高压脉冲电容器充电装置。
本发明包括四个组成部分：电能变换单元，控制单元，集成功率模块(IPM)驱动接口单元，外围保护单元。电能变换单元为本发明的主电路，控制单元通过对电能变换单元输出电压进行采样，然后把控制信号传输给集成功率模块驱动接口单元，集成功率模块驱动接口单元与电能变换单元的开关器件直接相连，以便对电能变换单元进行驱动和控制，外围保护单元对电能变换单元内部信号进行采样，把输出信号传输给控制单元，完成对主电路的保护。
电能变换单元主要由初级三相整流电路、高频逆变电路、串联谐振电路、高压变压器、高压整流硅堆组成。工频交流电经初级三相整流电路实现AC-DC转换，输出低压直流电压，然后经过高频全桥逆变电路和串联谐振电路实现DC-AC转换，输出高频电流至变压器，经过升压、整流，实现高频高压的AC-DC转换，最后输出，对高压脉冲电容器进行充电。
控制单元由电流互感器、峰值采样电路和电压比较器、压控振荡器以及分频和死区调整电路组成。正输入端为预设值，比较器输出信号经一个RC积分电路送至压控振荡器LM331的输入端，振荡器输出的方波信号经分频和死区调整电路后产生四路开关控制信号给集成功率模块(IPM)驱动接口电路，控制集成功率模块(IPM)的开关动作。
集成功率模块(IPM)驱动接口单元主要由光耦器件和独立的15V直流电源组成。光耦器件要满足控制信号尽可能短的传输延迟时间和高的绝缘电压，选用6N137，其高电平传输延迟时间和低电平传输延迟时间均为50ns，工作电压为5V。设计了四路完全相同的驱动接口电路，开关控制信号从高速光耦6N137的3、4脚输入，低速光耦PC817的3、4脚输出为集成功率模块(IPM)内部故障检测电路发出的故障信号。
保护单元电路工作原理如下，控制电路输出的开关控制信号经与门CD4081至集成功率模块(IPM)驱动接口电路，集成功率模块(IPM)故障输出信号经RC低通滤波电路至触发器CD4013的时钟端。正常工作时Q为高电平，与门导通，输出开关控制信号，故障时D触发器翻转，Q端变为低电平，封锁与门，从而封锁了驱动信号，电源停止工作，有效的保护了集成功率模块(IPM)和系统。
本发明的积极效果是：
①采用了高频变换技术，降低了原材料消耗，装置体积小，动态响应时间快；
②采用了国际最新的软开关技术，装置的转换效率高，电磁干扰小；
③采用了自行设计的控制器，便于实现电源不同工作方式的选择，易于实现输出功率的调节。
附图说明
图1为本发明总体设计框图，图中：1三相整流电路，2全桥逆变电路，3串联谐振电路，4升压变压器，5高压整流硅堆，6集成功率模块(IPM)驱动接口单元，7控制单元。
图2为控制单元示意图，图中：8峰值采样电路，9电压比较器，10压控振荡器，11分频和死区设置电路。
图3为集成功率模块(IPM)驱动接口单元电路原理图。
图4为外围保护单元电路原理图。
图5本发明的主电路原理图结构
具体实施方式
下面结合附图及具体实施方式进一步说明本发明的内容。
如图1所示：本发明主要包括电能变换单元、集成功率模块(IPM)驱动接口单元6和控制单元7。其中电能变换单元由三相整流电路1、全桥逆变电路2、串联谐振电路3、变压升压4、高压整流硅堆5五部分组成。工频交流电经初级三相整流电路1实现AC-DC转换，输出低压直流电压，然后经过高频全桥逆变电路2和串联谐振电路3实现DC-AC转换，输出高频电流至升压变压器4，经过高压整流硅堆5实现高频高压的AC-DC转换，最后输出对高压脉冲电容器进行充电。整个充电装置由控制单元7进行控制，经过集成功率模块(IPM)驱动接口单元6完成对全桥逆变电路2的调节。如图5所示，三相整流电路1由六只二极管连接成全波整流电路，全桥逆变电路2由双单元IGBT两只连接成全桥逆变电路，串联谐振电路3由谐振电感和电容串联组成，变压升压4由高频升压变压器组成，高压整流5由高压整流二极管串联起来组成全桥整流电路。三相二极管整流电路的输出与逆变电路的IGBT相连接，IGBT的逆变输出端与串联谐振电感和高频升压变压器的一个原边相连接，谐振电感和电容相串联后与高频升压变压器的另一原边相连，变压器的付边与高压整流二极管输入端相连，二极管整流输出端接负载。
图2为本发明的控制单元示意图，由电流互感器、峰值采样电路8和电压比较器9以及压控振荡器10以及分频和死区设置电路11组成。电压比较器8正输入端为预设值，输出信号经一个RC积分电路送至压控振荡器10LM331的输入端，振荡器输出的方波信号经分频和死区设置电路11后产生四路开关控制信号给集成功率模块(IPM)的驱动接口单元，控制集成功率模块(IPM)的开关动作。谐振电流的反馈信号与比较器正输入端的预设电压值相比较，若反馈信号小于预设值时，意味着谐振电流小于预设值，比较器的输出增大，压控振荡器的输出频率升高，即开关频率升高，谐振电流增大；若反馈信号大于预设值，意味着谐振电流大于预设值，比较器的输出减小，压控振荡器的输出频率减小，即开关频率变小，谐振电流减小。通过该动态调节，谐振电流维持在预设值附近。在实际工作中，随着输出电压的升高，谐振频率在增大，谐振回路电流峰值在不断的减小，反馈信号与预设值比较后输出一个逐渐增大的电压信号使得开关频率不断的升高。
图3为本发明的集成功率模块(IPM)驱动接口单元6，主要由光耦器件和独立的15V直流电源组成。光耦器件要满足控制信号尽可能短的传输延迟时间和高的绝缘电压。这里选用6N137，其高电平传输延迟时间和低电平传输延迟时间均为50ns，工作电压为5V。设计了四路相同的驱动接口电路，其中一路见图3，其它三路电路完全相同。开关控制信号从高速光耦6N137的3、4脚输入，低速光耦PC817的3、4脚输出为集成功率模块(IPM)内部故障检测电路发出的故障信号，内部故障检测电路主要由电流传感器、电压传感器和温度传感器组成，当电路工作时发生过流、过压或者过热时传感器就会发出故障信号，以便保护功率模块。两个光耦把高压和低压隔离开，在印刷电路板上布线时要有一定的绝缘距离。隔离的15V电源经滤波器滤波后作为驱动电源。J1为5脚插座，直接插在集成功率模块(IPM)的输入端上，连接集成功率模块(IPM)内部驱动电路。内部驱动电路主要包括电源转换和信号转换两部分，电源转换部分把输入的15V直流电源转换为5V直流电源，信号转换部分把输入的驱动信号进行反转，以便控制功率模块。J1的5脚连接15V电源正极，2脚输出为5V，正好为6N137提供工作电压。15V直流电源地与6N 137的5管脚相连，15V直流电源的正极与PC817的1管脚相连。该接口电路板直接放置在集成功率模块(IPM)上面，保证器件间的引线尽可能的短。
图4为本发明的外围保护单元。只要集成功率模块(IPM)内部检测保护电路有一个起作用，就会关断门极驱动电路，并输出一个脉宽为1.8ms的脉冲信号。但是该故障信号是非保持性的，如果1.8ms结束后故障源仍没有排除，集成功率模块(IPM)就会重复自动保护的过程，反复动作。过流、短路、过热保护动作都是非常恶劣的运行状况，应避免其反复动作，因此仅靠集成功率模块(IPM)内部保护电路还不能完全实现器件的自我保护，要使系统真正安全、可靠运行，需要辅助的外围保护电路。图4为设计的外围保护电路。控制电路输出的开关控制信号经与门CD4081至集成功率模块(IPM)驱动接口单元，集成功率模块(IPM)故障输出信号经RC低通滤波电路至触发器CD4013的时钟端。正常工作时Q为高电平，与门导通，输出开关控制信号；故障时D触发器翻转，Q端变为低电平，封锁与门，从而封锁了驱动信号，电源停止工作，有效的保护了集成功率模块(IPM)和系统。RC低通虑波电路能够防止高频干扰信号使保护电路误动作。
本发明中，高压整流硅堆5的输出电压经分压后与控制单元7的峰值采样电路8的输入端相连接，分频和死区设置电路11的输出控制端接集成功率模块(IPM)驱动接口单元6的高速光耦6N137的2，3管脚，集成功率模块(IPM)驱动接口单元6的低速光耦PC817的FO端3管脚接外围保护单元的Erros Signal端，PC817的FO端的4管脚通过电阻与15V直流电源的正极相连接，输出接控制电路7。
本发明工作过程如下所述，工频交流电经初级三相整流电路1实现AC-DC转换，输出低压直流电压，然后经过高频全桥逆变电路2和串联谐振电路3实现DC-AC转换，输出高频电流至升压变压器4，经过高压整流硅堆5实现高频高压的AC-DC转换，最后输出对高压脉冲电容器进行充电。整个充电装置由控制电路7进行控制，控制信号通过驱动电路6完成对全桥逆变电路2的调节，通过预设电压可以完成对输出电压的调节，以达到方便实用的目的。
本发明可作为高压脉冲电容器的充电装置。
Claims (6)
1、一种高压脉冲电容器充电装置，其特征在于主要包括电能变换单元、四路相同的驱动接口电路集成功率模块(IPM)驱动接口单元[6]、控制单元[7]和外围保护单元；其中电能变换单元由三相整流电路[1]、全桥逆变电路[2]、串联谐振电路[3]、变压升压[4]、高压整流硅堆[5]五部分组成；工频交流电经初级三相整流电路[1]实现AC-DC转换，输出低压直流电压，经过高频全桥逆变电路[2]和串联谐振电路[3]实现DC-AC转换，然后输出高频电流至升压变压器[4]，经过高压整流硅堆[5]实现高频高压的AC-DC转换后输出，对高压脉冲电容器充电；控制单元[7]对电能变换单元输出电压进行采样，把控制信号传输给集成功率模块驱动接口单元[6]，集成功率模块驱动接口单元[6]与电能变换单元的开关器件直接相连，以便对电能变换单元进行驱动和控制，外围保护单元对电能变换单元内部信号进行采样，把输出信号传输给控制单元[7]，完成对主电路的保护。
2、按照权利要求1所述的高压脉冲电容器充电装置，其特征在于三相整流电路[1]由六只二极管连接成全波整流电路，全桥逆变电路[2]由双单元IGBT两只连接成全桥逆变电路，串联谐振电路[3]由谐振电感和电容串联组成，变压升压[4]由高频升压变压器组成，高压整流[5]由高压整流二极管串联起来组成全桥整流电路；三相二极管整流电路的输出与逆变电路的IGBT相连接，IGBT的逆变输出端与串联谐振电感和高频升压变压器的一个原边相连接，谐振电感和电容串联后与高频升压变压器的另一原边相连，变压器的付边与高压整流二极管输入端相连，二极管整流输出端接负载。
3、按照权利要求1所述的高压脉冲电容器充电装置，其特征在于控制单元[7]由电流互感器、峰值采样电路[8]和电压比较器[9]以及压控振荡器[10]以及分频和死区设置电路[11]组成；电压比较器[8]正输入端为预设值，输出信号经一个RC积分电路送至压控振荡器10LM331的输入端，振荡器输出的方波信号经分频和死区设置电路[11]后产生四路开关控制信号给集成功率模块(IPM)的驱动接口单元，控制集成功率模块(IPM)的开关动作。
4、按照权利要求1所述的高压脉冲电容器充电装置，其特征在于集成功率模块(IPM)驱动接口单元6，主要由光耦器件和独立的15V直流电源组成；开关控制信号从高速光耦6N137的3、4脚输入，低速光耦PC817的3、4脚输出为集成功率模块(IPM)内部故障检测电路发出的故障信号；两个光耦把高压和低压隔离开；隔离的15V电源经滤波器滤波后作为驱动电源；5脚插座J1插在集成功率模块(IPM)的输入端上，连接集成功率模块(IPM)内部驱动电路，J1的5脚连接15V电源正极，2脚输出为5V，为6N137提供工作电压。
5、按照权利要求1所述的高压脉冲电容器充电装置，其特征在于外围保护电路中，控制电路[7]输出的开关控制信号经与门CD4081至集成功率模块(IPM)驱动接口单元[6]，集成功率模块(IPM)故障输出信号经RC低通滤波电路至触发器CD4013的时钟端。
6、按照权利要求1所述的高压脉冲电容器充电装置，其特征在于高压整流硅堆5的输出电压经分压后与控制单元7的峰值采样电路8的输入端相连接，分频和死区设置电路11的输出控制端接集成功率模块(IPM)驱动接口单元6的高速光耦6N137的2，3管脚，集成功率模块(IPM)驱动接口单元6的低速光耦PC817的FO端3管脚接外围保护单元4的ErrosSignal端，PC817的FO端的4管脚通过电阻和15V直流电源相连接，输出接控制电路7。
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