一種節能型窄脈沖高壓電源的制作方法

本發明涉及電源技術領域，特別是涉及一種節能型窄脈沖高壓電源。

背景技術：

能量密度型脈沖電源要求輸出電壓脈沖具有窄脈寬、陡前沿特性。在脈沖放電過程中，開關必須承受相當大的電流上升率,有時可達到10000A/μs，顯然已接近開關使用極限。英國學者W.S.Melville從“電感飽和后阻抗迅速下降”這一現象中得到啟示，指出可以利用可飽和電感制成控制能量流動方向的“磁開關”，利用它可以將脈寬較大的電壓脈沖壓縮成為具有窄脈寬、陡前沿特性且能量更加集中的脈沖。

窄脈沖電源在很多領域都獲得了廣泛的應用，包括無損檢測、脈沖電鍍、工業廢氣處理、脈沖電解污水處理、高頻脈沖感應加熱、高功率激光泵、產生高功率帶電粒子束、電弧焊接、電火花加工、靜電除塵、臭氧制取和表面熱處理等。在軍事上,脈沖電源還用于電磁軌道炮、電磁脈沖模擬、粒子束武器、液電爆炸等領域。現有窄脈沖電源應用在具備顯著電容特性的高壓負載上時存在能耗高的問題。

技術實現要素：

為了克服上述現有技術的不足，本發明提供了一種節能型窄脈沖高壓電源，在電源電路中增加能量回收利用電路、能量轉移利用電路，解決磁壓縮技術脈沖電源在具備顯著電容特性的高壓負載上能量再利用的問題。

本發明所采用的技術方案是：

一種節能型窄脈沖高壓電源，包括充電電路、脈沖發生電路、典型脈沖壓縮電路、負載LC1；所述脈沖發生電路的正輸出端與典型脈沖壓縮電路的正輸入端相連、所述典型脈沖壓縮電路的正輸出端與負載LC1的一端相連；還包括能量回收利用電路、能量轉移利用電路；所述充電電路的正輸出端與能量轉移利用電路的第一正輸入端相連，所述能量轉移利用電路的正輸出端與脈沖發生電路的正輸入端相連；所述能量回收利用電路并聯在負載LC1兩端；所述能量回收利用電路的正輸出端與能量轉移利用電路的第二正輸入端相連；充電電路的負輸出端分別與脈沖發生電路的負輸入端、典型脈沖壓縮電路的負輸入端、負載LC1的另一端、能量回收利用電路的負輸出端、能量轉移利用電路的負輸出端相連。

其中，所述能量回收利用電路包括磁開關MS3和負載LC2，所述磁開關MS3的負輸出端與負載LC2的一端相連。

其中，所述負載LC2需定制，一般由LC2上的所需工作電壓確定其等效電容量，進而決定負載LC2的體量大小。比如要使Lc1和Lc2上的額定工作電壓相等，Lc2的電容量取值則由下公式計算：

C_Lc2＝C_Lc1－2×Q_消耗÷U²

其中：C_Lc2是Lc2的電容量；C_Lc1是Lc1的電容量；Q_消耗是Lc1上消耗的能量和MS3上消耗的能量總和；U是Lc1和Lc2的額定工作電壓。

其中，所述能量轉移利用電路包括電容C0、二極管D1、二極管D2、二極管D4、電感L1、電感L2；所述電容C0正極與二極管D1負極、二極管D2正極、二極管D4負極相連；所述二極管D2負極與電感L1的一端相連，電感L1的另一端與脈沖發生電路的正輸入端相連；所述二極管D4正極與電感L2的一端相連；所述電容C0負極與充電電路的負輸出端相連；所述二極管D1正極與充電電路的正輸出端相連。

其中，所述電感L2由可飽和電感替代。

其中，所述能量轉移利用電路還包括輔助回收電路；所述輔助回收電路包括電阻R1、二極管D3；所述二極管D3負極與電感L2的另一端相連，所述二極管D3正極與電阻R1的一端相連，所述電阻R1的另一端與電容C0負極相連。

其中，所述典型脈沖壓縮電路若干級磁壓縮電路相串聯構成。

其中，所述磁壓縮電路由磁壓縮電容C1和磁開關MS1構成，磁壓縮電容C1正極與磁開關MS1的的一端相連。

其中，負載工作在負高壓情況下，所述充電電路的正輸出端和的負輸出端方向對調連接在電路中；所述二極管D1、二極管D2、二極管D3、二極管D4的正負極對調連接在電路中。

與現有技術相比，本發明的有益效果是：

本發明在電源電路中增加能量回收利用電路、能量轉移利用電路；能量回收利用電路，通過磁開關MS3連接負載LC2；工作時負載LC1從前級磁壓縮獲得脈沖能量并消耗部分能量，其剩余的能量再通過磁開關MS3對負載LC2供應能量；能量轉移利用電路，通過負載、電感L2、電容C0的三個元件用LC震蕩的方式將負載上未消耗的能量轉移到電源前級儲能電容C0上；負載LC1上能量消耗的越少，則回收利用的能量越多，提高了高壓電源利用率，充電損耗小、轉換效率高；這兩種電路可以一起應用，也可以單獨應用，均能提高能量利用率；使用輔助回收電路解決了由于電容C0容值比負載容值大很多(C0電壓比負載電壓低很多)的情況下能量從Lc2轉移到C0的效率低的問題。

附圖說明

圖1為本發明實施例方框圖；

圖2為本發明第一實施例電路原理圖；

圖3為本發明第二實施例電路原理圖；

圖4為本發明第三實施例電路原理圖；

圖5為本發明第四實施例電路原理圖；

圖6為本發明電路工作時負載LC1、負載LC2、二極管D3和電容C0的波形圖；

圖中：S01、充電電路；S02、能量轉移利用電路；S03、脈沖發生電路；S04、典型脈沖壓縮電路；S05、負載LC1；S06、能量回收利用電路；S07、輔助回收電路。

具體實施方式

下面結合附圖對本發明進一步說明。

如圖1所示，一種節能型窄脈沖高壓電源，包括充電電路S01、脈沖發生電路S03、典型脈沖壓縮電路S04、負載LC1S05；所述脈沖發生電路S03的正輸出端與典型脈沖壓縮電路S04的正輸入端相連、所述典型脈沖壓縮電路S04的正輸出端與負載LC1S05的一端相連；還包括能量回收利用電路S06、能量轉移利用電路S02；所述充電電路S01的正輸出端與能量轉移利用電路S02的第一正輸入端相連，所述能量轉移利用電路S02的正輸出端與脈沖發生電路S03的正輸入端相連；所述能量回收利用電路S06并聯在負載LC1S05兩端；所述能量回收利用電路S06的正輸出端與能量轉移利用電路S02的第二正輸入端相連；充電電路S01的負輸出端分別與脈沖發生電路S03的負輸入端、典型脈沖壓縮電路S04的負輸入端、負載LC1S05的另一端、能量回收利用電路S06的負輸出端、能量轉移利用電路S02的負輸出端相連。

如圖2所示，所述為本發明第一實施例電路原理圖，包括充電電路S01、脈沖發生電路S03、典型脈沖壓縮電路S04、負載LC1S05、能量回收利用電路S06、能量轉移利用電路S02；所述能量回收利用電路S06包括磁開關MS3和負載LC2，所述磁開關MS3的負輸出端與負載LC2的一端相連；負載LC2定制負載以獲得合適的電容量，負載LC2的電容量可以使負載LC2達到想要的電壓；Lc2的電容量取值由下公式計算：

C_Lc2＝C_Lc1－2×Q_消耗÷U²

其中：C_Lc2是Lc2的電容量；C_Lc1是Lc1的電容量；Q_消耗是Lc1上消耗的能量和MS3上消耗的能量總和；U是Lc1和Lc2的額定工作電壓。

工作時負載LC1S05從前級磁壓縮獲得脈沖能量并消耗部分能量，剩余的能量再通過磁開關MS3對負載LC2供應能量。

所述能量轉移利用電路S02包括電容C0、用于防止能量轉移時對充電電路S01產生影響的二極管D1、用于防止電容C0和脈沖發生電路S03發生往返反復震蕩的二極管D2、使能量單向轉移的二極管D4、用于降低電容C0對脈沖發生電路S03充電沖擊的電感L1、電感L2；所述電容C0正極與二極管D1負極、二極管D2正極、二極管D4負極相連；所述二極管D2負極與電感L1的一端相連，電感L1的另一端與脈沖發生電路S03的正輸入端相連；所述二極管D4正極與電感L2的一端相連；所述電感L2的另一端與磁開關MS3的負輸出端相連；所述電容C0負極與充電電路S01的負輸出端相連；所述二極管D1正極與充電電路S01的正輸出端相連。

所述電感L2可由可飽和電感替代。

所述能量轉移利用電路S02還包括輔助回收電路S07；所述輔助回收電路S07包括電阻R1、二極管D3；所述二極管D3負極與電感L2的另一端相連，所述二極管D3正極與電阻R1的一端相連，所述電阻R1的另一端與電容C0負極相連。二極管D3用于增大電容C0的容值，在能量從LC2轉移到C0的過程中提供額外的電荷，電壓低的情況下提高能量從LC2轉移到C0的效率。R1用于保護D3，防止D3因電流過大損壞。輔助回收電路S07用LC震蕩的方式將LC2上未消耗的能量轉移到電源前級儲能電容C0上。

負載LC1上能量消耗的越少，則回收利用的能量越多，通過這種方法可以再次利用負載上未消耗的能量，提高電能使用效率。

所述能量回收利用電路S06、能量轉移利用電路S02與可以單獨應用在電源電路中。

如圖3所示，為本發明第二實施例電路原理圖；與第一實施例的區別在于只使用能量回收利用電路S06；第二實施例包括充電電路S01、脈沖發生電路S03、典型脈沖壓縮電路S04、負載LC1S05、能量回收利用電路S06；所述充電電路S01的正輸出端與脈沖發生電路S03的正輸入端相連，所述脈沖發生電路S03的正輸出端與典型脈沖壓縮電路S04的正輸入端相連、典型脈沖壓縮電路S04的正輸出端與負載LC1S05的一端相連；所述充電電路S01的負輸出端、所述脈沖發生電路S03的負輸出端、典型脈沖壓縮電路S04的負輸出端、負載LC1S05的另一端相連；所述能量回收利用電路S06并聯在負載LC1S05兩端；所述能量回收利用電路S06包括磁開關MS3和負載LC2，所述磁開關MS3的負輸出端與負載LC2的一端相連。

負載LC2定制負載以獲得合適的電容量，負載LC2的電容量可以使負載LC2達到想要的電壓；工作時負載LC1S05從前級磁壓縮獲得脈沖能量并消耗部分能量，其剩余的能量再通過磁開關MS3對負載LC2供應能量。通過這種方法可以再次利用負載上未消耗的能量，提高電能使用效率。如果Lc1工作消耗是總能量的17％，MS3的損耗是總能量的3％，那么在相同的供電能量下，通過第二實施例可增加80％的產出。在產出相同的情況下通過第二實施例可以節能約44％。

如圖4所示，為本發明第三實施例電路原理圖；與第一實施例的區別在于使用能量轉移利用電路S02；第三實施例包括充電電路S01、脈沖發生電路S03、典型脈沖壓縮電路S04、負載LC1S05、能量轉移利用電路S02；所述脈沖發生電路S03的正輸出端與典型脈沖壓縮電路S04的正輸入端相連、典型脈沖壓縮電路S04的正輸出端與負載LC1S05的一端相連；所述充電電路S01的正輸出端與能量轉移利用電路S02的第一正輸入端相連，所述能量轉移利用電路S02的正輸出端與脈沖發生電路S03的正輸入端相連；所述典型脈沖壓縮電路S04的正輸出端與能量轉移利用電路S02的第二正輸入端相連；充電電路S01的負輸出端分別與脈沖發生電路S03的負輸入端、典型脈沖壓縮電路S04的負輸入端、負載LC1S05的另一端、能量轉移利用電路S02的負輸出端相連。

所述能量轉移利用電路S02包括電容C0、用于防止能量轉移時對充電電路S01產生影響的二極管D1、用于防止電容C0和脈沖發生電路S03發生往返反復震蕩的二極管D2、使能量單向轉移的二極管D4、用于降低電容C0對脈沖發生電路S03充電沖擊的電感L1、電感L2；所述電容C0正極與二極管D1負極、二極管D2正極、二極管D4負極相連；所述二極管D2負極與電感L1的一端相連，電感L1的另一端與脈沖發生電路S03的正輸入端相連；所述二極管D4正極與電感L2的一端相連；所述電感L2的另一端與磁開關MS3的負輸出端相連；所述電容C0負極與充電電路S01的負輸出端相連；所述二極管D1正極與充電電路S01的正輸出端相連。

所述能量轉移利用電路S02還包括輔助回收電路S07；所述輔助回收電路S07包括電阻R1、二極管D3；所述二極管D3負極與電感L2的另一端相連，所述二極管D3正極與電阻R1的一端相連，所述電阻R1的另一端與電容C0負極相連。

如果原電源工作損耗是20％，負載消耗是20％，能量轉移利用電路S02和輔助回收電路S07的損耗是10％，則能量可以回收50％。在相同產出的情況下，僅通過第三實施例可以節能約33％。

如圖5所示，為本發明第四實施例電路原理圖；與第一實施例的區別在于負載工作在負高壓情況下，所述充電電路S01的正輸出端和的負輸出端方向對調連接在電路中；所述二極管D1、二極管D2、二極管D3、二極管D4的正負極對調連接在電路中，工作原理不變。

如圖6所示，為本發明電路工作時負載LC1、負載LC2、二極管D3和電容C0的波形圖；在典型脈沖壓縮電路S04上的磁開關MS2打開時，電容C2能量轉移至負載LC1S05上；在負載LC1S05的電壓到達峰值時磁開關MS3打開，能量從負載LC1S05轉移至負載LC2；在負載LC2的電壓達到峰值之后，能量從負載LC2轉移到電容C0，電容C0上的電壓升高，完成能量回收。