一種電壓倍增電路的制作方法
【專利摘要】本實用新型公開了一種電壓倍增電路，包括：并聯的前端電容C1和后端電容C2，端電容C1和后端電容C2的一極各自接地，另一極連接到充電電源的輸出端，所述充電電源與后端電容C2之間依次串聯有開關S1和電感L1和電阻R，所述后端電容C2的兩極上并聯有依次串聯的開關S2和電感L2，所述前端電容C1的容值大于后端電容C2的容值。本實用新型電路結構簡單，電路元器件少，比Marx電壓倍增電路和LTD電壓倍增電路在原理上和復雜度上降低；通過此種方式提供的電壓倍增，減少了開關數目和電容數目，系統穩定性得以保證；本實用新型沒有使用倍壓常用的脈沖變壓器或者同軸結構，不需要用到磁芯，開關僅需通過觸發和精確導通，對小容量的容性負載可以實現電壓倍增。
【專利說明】
一種電壓倍増電路
技術領域
[0001]本發明涉及脈沖功率初級能源及常規電路中的電壓倍增技術，具體而言，是一種非Marx型的電壓倍增電路;該裝置前端接給直流源即可給充電大電容充電，后端小電容通過兩個開關動作即可實現小電容上的電壓倍增。主要用于脈沖功率源加速器初級能源系統中。
【背景技術】
[0002]在脈沖功率系統中，產生高壓電脈沖的技術路線主要有兩種:一種通過Marx電路直接倍壓，另一種是通過LTD電路感應疊加倍壓。
[0003]如圖1所示，為Marx發生器的典型電路，這種電路并聯充電，串聯放電，可提供高電壓;Marx發生器對并聯電容充電，之后放電時開關閉合串聯放電，輸出電壓為電容器個數和充電電壓之積。這種電路優點:由于二極管的單向導通性，每個開關可以獨立的開通或者斷開，系統的輸出電壓可調。可以使用相對較低的直流源，均流效果顯著，開關同步觸發性要求不高，不需要退磁回路，比較高的占空比，能量損失小，上升沿快。同時，輸出端的高壓絕緣壓力大，只能輸出負脈沖，相對復雜的門級驅動設計(這是由于每個開關的都不是直接對地，處于懸浮位)，寄生電容效果明顯。
[0004]如圖2所示，為磁隔離倍壓，典型電路拓撲為LTD技術，LTD通過磁場將原邊產生的電壓疊加到副邊，在副邊產生高壓，原邊電路的絕緣壓力大大降低;在L T D電路中，每個充電回路通過變壓器將能量傳遞給副邊，多個充電回路在原邊，而副邊感應產生的電壓為原邊電壓疊加之和，這種電路也被稱為疊加器電路。這種通過感應疊加的方式獲得的高壓的技術在高功率脈沖中稱作LTD(linear transformer driver)技術，它的最顯著優點是利用低電感的變壓器，通過感應疊加在次級負載上產生高壓，高壓端不需要開關，而初級的電壓相對不高，這就大大減輕了對脈沖高壓器件的壓力。電容組的充放電過程都是并聯的，絕緣壓力小，目前主流的脈沖功率源都采用了 LTD技術。由于變壓器需要退磁，所以工作占空比不宜太高，一般超過10%，脈沖的持續時間是由磁芯的飽和情況決定，變壓器漏感決定了脈沖上升前沿，當系統龐大時，開關的同步觸發要求高，裝配復雜。
[0005]最近有學者提出混合型電路拓撲:在混合模式中一個LTD模塊中，每個基本回路是Marx發生器回路，前幾級開關外觸發導通，后級開關自擊穿導通。混合模式LT D模塊的電路拓撲結構正是介于純串聯和純并聯之間的一種電路結構，理論上，混合型能夠發揮Marx和LTD的優勢，又能在一定程度上回避各自面臨的技術難點。但實際上技術瓶頸很多，目前處于理論設計階段，實際應用實例較少。
【發明內容】
[0006]本發明的目的是提供一種新型的簡易電壓倍增電路，應用于脈沖功率脈功率源或初級能源系統中，通過雙開關和一個電容充電電源即可實現電容上電壓倍增。
[0007]為實現上述目的，本發明采用如下技術方案:
[0008]一種電壓倍增電路，包括:
[0009]并聯的前端電容Cl和后端電容C2，
[0010]前端電容CI和后端電容C2的一極各自接地，前端電容(CI)另一極連接到充電電源的輸出端，
[0011]所述充電電源與后端電容C2之間依次串聯有開關S1、電感LI和電阻R，串聯的后端電容(C2)、開關(SI)、電感(LI)、電阻(R)與前端電容(Cl)并聯，
[0012]所述后端電容C2的兩極上并聯有依次串聯的開關S2和電感L2，
[0013]所述前端電容Cl的容值大于后端電容C2的容值。
[0014]在上述技術方案中，所述前端電容Cl的電容量至少是后端電容C2的50倍。
[0015]在上述技術方案中，所述前端電容Cl電容量的典型值為2000uF/300V，后端電容C2的典型值為4uF/40kV。
[0016]在上述技術方案中，所述電路的充電過程為:
[0017]步驟一:首先充電電源直接對前端電容Cl進行充電，使得前端電容Cl上的電壓值為U;
[0018]步驟二:閉合開關SI，充電電源通過電感LI和電阻R對后端電容C2進行充電，使得后端電容C2上的電壓值為2U;
[0019]步驟三:斷開開關SI，充電電源給前端電容Cl進行電源補充使得其電壓值至U，同時閉合開關S2，后端電容C2通過電感L2進行LC回路振蕩，直到后端電容C2上的電壓為-2U1時，斷開開關S2;
[0020]步驟四:在后端電容C2上的電壓為-2U1基礎上維持前端電容Cl的電壓為U，閉合開關SI，前端電容Cl再次通過電感LI和電阻R對后端電容C2進行充電至4U;
[0021 ]步驟五:重復步驟二、步驟三、步驟四的電壓反轉，前端電容Cl充電，前端電容Cl對后端電容C2進行放電，最終實現后端電容C2上的電壓倍增。
[0022]在上述技術方案中，所述步驟四中，前端電容Cl對后端電容C2進行充電時，后端電容C2的電壓為-2U。
[0023]綜上所述，由于采用了上述技術方案，本發明的有益效果是:
[0024]—、本發明的電路通過電壓反轉實現電壓倍增。電路結構簡單，電路元器件少，比Marx電壓倍增電路和LTD電壓倍增電路在原理上和復雜度上大大降低；
[0025]二、本發明通過此種方式提供的電壓倍增，大大減少了開關數目和電容數目，系統穩定性得以保證。
[0026]三、本發明的電壓倍增電路沒有使用倍壓常用的脈沖變壓器或者同軸結構，不需要用到磁芯，開關僅需通過觸發和精確導通，對小容量的容性負載可以實現電壓倍增。
【附圖說明】
[0027]本發明將通過例子并參照附圖的方式說明，其中:
[0028]圖1是Marx發生器典型電路；
[0029]圖2是磁隔離倍壓拓撲為LTD典型電路；
[0030]圖3是本發明工作原理圖；
[0031 ]圖4是本發明的具體實施圖。
【具體實施方式】
[0032]如圖3所示，為本發明的原理電路圖，整個電路中包括一個前端電容Cl和一個后端電容C2，前端電容Cl和一個后端電容C2并聯，其中前端電容Cl和一個后端電容C2的一個電極接地，另一個電極連接到充電電源。為了實現電容的相互充電從而實現電壓的倍增，因此，前端電容Cl的一個電極連接充電電源，另一電極連接到地;而充電電源與后端電容C2之間依次串聯有開關SI電感LI和電阻R，通過開關閉合開關SI形成完整回路可以使得前端電容Cl向后端電容C2進行放電，從而使得后端電容C2上的電壓翻倍。但是要持續實現后端電容C2上的電壓倍增，因此在后端電容C2的兩極上再并聯一個串聯的開關S2和電感L2，電感L2與后端電容C2之間形成震蕩回路。
[0033]本發明的具體充電過程為:
[0034]一、首先設計前端電容的充電，前端電容通過充電電源將前端電容Cl充電至Ul，為了保證后端電容C2(待充電電容)電壓實現或接近2U1，需要前端電容Cl的電容量遠遠大于后端電容C2，一般此前端電容的充電過程為慢充電過程，本發明中前端電容Cl為2000uF/300V，后端電容 C2 為 4uF/40kV。
[0035]二、前端電容充Cl電至Ul后，通過開關SI對后端電容C2充電，此過程即為快Marx發生器放電的等效過程，后端電容C2充電完畢后，電壓上升至2U1。
[0036]三、后端電容C2充電至2U1后，開關SI斷開，充電電源給前端電容Cl補充電壓至Ul。同時，開關S2導通，后端電容C2通過電感L2實現LC回路振蕩，當后端電容C2電壓反轉至-2U1時，開關S2斷開。
[0037]四、后端電容C2電壓反轉至-2U1后，維持至前端電容Cl補充電壓至Ul后，開關SI導通，前端電容Cl再次通過電感LI和電阻R對C2(此時電壓-2U1)充電，一個周期時間內，將C2的電壓充電至4U1。
[0038]五、重復二三四的電壓反轉，前端電容Cl充電，前端電容Cl對后端電容C2充電過程，即可實現后端電容C2上的電壓倍增。
[0039]如圖4所示，是本發明的具體實施電路，本發明電路的實施需要精密的觸發控制電路對本發明中的開關的通斷以及充電電源的控制，配合上述的充電過程即可實現電壓倍增。
[0040]本發明并不局限于前述的【具體實施方式】。本發明擴展到任何在本說明書中披露的新特征或任何新的組合，以及披露的任一新的方法或過程的步驟或任何新的組合。
【主權項】
1.一種電壓倍增電路，其特征在于包括: 并聯的前端電容(Cl)和后端電容(C2)， 前端電容(Cl)和后端電容(C2)的一極各自接地，前端電容(Cl)另一極連接到充電電源的輸出端， 所述充電電源與后端電容(C2)之間依次串聯有開關(SI)、電感(LI)和電阻(R)，串聯的后端電容(C2)、開關(SI)、電感(LI)、電阻(R)與前端電容(Cl)并聯， 所述后端電容(C2)的兩極上并聯有依次串聯的開關(S2)和電感(L2)， 所述前端電容(CI)的容值大于后端電容(C2 )的容值。2.根據權利要求1所述的一種電壓倍增電路，其特征在于所述前端電容(Cl)的電容量至少是后端電容(C2)的50倍。3.根據權利要求2所述的一種電壓倍增電路，其特征在于所述前端電容(Cl)電容量的典型值為2000uF/300V，后端電容(C2)的典型值為4uF/40kV。4.根據權利要求3所述的一種電壓倍增電路，其特征在于所述電路的充電過程為: 步驟一:首先充電電源直接對前端電容(Cl)進行充電，使得前端電容(Cl)上的電壓值為U; 步驟二:閉合開關(SI)，充電電源通過電感(LI)和電阻(R)對后端電容(C2)進行充電，使得后端電容(C2 )上的電壓值為2U; 步驟三:斷開開關(SI)，充電電源給前端電容(Cl)進行電源補充使得其電壓值至U，同時閉合開關(S2)，后端電容(C2)通過電感(L2)進行LC回路振蕩，直到后端電容(C2)上的電壓為-2U時，斷開開關(S2)； 步驟四:在后端電容(C2)上的電壓為-2U1基礎上維持前端電容(Cl)的電壓為U，閉合開關(SI)，前端電容(Cl)再次通過電感(LI)和電阻(R)對后端電容(C2)進行充電至4U; 步驟五:重復步驟二、步驟三、步驟四的電壓反轉，前端電容(Cl)充電，前端電容(Cl)對后端電容(C2)進行放電，最終實現后端電容(C2)上的電壓倍增。5.根據權利要求4所述的一種電壓倍增電路的充電過程，其特征在于所述步驟四中，前端電容(Cl)對后端電容(C2)進行充電時，后端電容(C2)的電壓為-2U。
【文檔編號】H02M3/06GK205647260SQ201620280279
【公開日】2016年10月12日
【申請日】2016年4月7日
【發明人】楊曉亮, 羅光耀, 張北鎮, 羅敏, 金暉, 康強, 王朋, 譚杰
【申請人】中國工程物理研究院應用電子學研究所