专利名称：一种大功率直流/方波变换电路及其控制方法
技术领域：
本发明涉及用于多行业及用途的高频脉冲电源，具体涉及ー种大功率直流/方波变换电路及其控制方法
背景技术：
脉冲电源广泛用于电镀金、银、锡、合金等，对改善镀层具有十分重要的作用。双脉冲电源比单脉冲电源的电镀更细致、更光洁，并且ー些特殊的电镀需要特殊的电压波形，如正负不对称脉冲。为了满足这种特殊电压波形的要求，目前国内的脉冲电源输出部分大多采用H桥型电路结构，为了改善波形、吸收电压尖峰、保护开关管，通常需要在H桥的母线上加大容量电容器。但由于母线上大电容的充放电效应，输出电压存在较大上升时间延时及较大下降时间延时，无法输出不对称电压差大或占空比较小的脉冲电压波形，输出最高频率及最小占空比受到限制。
发明内容
本发明的目的在于消除上述现有技术的不足，提供ー种电路结构简单、控制容易，输出的方波脉冲宽度、频率、幅值可调，占空比范围大、正负脉冲转换速度快、波形质量高、可实现高频率高电压输出的大功率直流/方波变换电路及其控制方法。本发明的目的可以通过以下技术方案来实现
ー种大功率直流/方波变换电路，包括四个开关管、两个快恢复ニ极管模块、两个电容器模块，所述四个开关管中的第一开关管与第三开关管串联构成H桥型电路第一侧桥臂，连接处引出为H桥型电路第一侧桥臂的输出端；第一开关管的高端与第一快恢复ニ极管模块的负极连接，连接处接第二电容器模块至H桥型电路第二侧桥臂的输出端；第二开关管与第四开关管串联构成H桥型电路第二侧桥臂，连接处引出为H桥型电路第二侧桥臂的输出端；第二开关管的高端与第二快恢复ニ极管模块的负极连接，连接处接第一电容器模块至H桥型电路第一侧桥臂的输出端；两个快恢复ニ极管模块的正极共同接至直流母线正极，第三开关管、第四开关管的低端共同接至直流母线负扱。作为优选，上述四个开关管可选用N沟道绝缘栅双极晶闸管IGBT，则所述第一开关管的高端和第二开关管的高端均指N沟道绝缘栅双极晶闸管IGBT的集电极，第三开关管和第四开关管的低端均指N沟道绝缘栅双极晶闸管IGBT的发射扱。上述的大功率直流/方波变换电路中，所述第一快恢复ニ极管模块、第二快恢复ニ极管模块分别由ー个以上快恢复ニ极管构成，两个以上的快恢复ニ极管采用串联、并联或混联方式。所述第一电容器模块、第二电容器模块分别由ー个以上电容器构成，两个以上的电容器采用串联、并联或混联方式。上述的大功率直流/方波变换电路中，所述H桥型电路采用高频全桥H桥型电路结构，第一开关管、第二开关管、第三开关管、第四开关管组成H桥型电路的四臂。上述的大功率直流/方波变换电路的控制方法如下若需要输出单向方波脉冲时，控制第二开关管、第三开关管关断，控制第一开关管、第四开关管按设定频率的开通关断，则可得到正向方波脉冲输出；反之，控制第一开关管、第四开关管关断，控制第二开关管、第三开关管按设定频率的开通关断，则可得到反向方波脉冲输出；
若要求输出双向对称方波脉冲或双向不对称方波脉冲时，通过切换上述单向方波脉冲的正向方波脉冲输出和反向方波脉冲输出两种状态来实现。相对现有的脉冲电源发生电路，本发明的有益效果是 (O电路结构简单、控制方便、易实现；
(2)可输出单相方波脉冲、双向对称方波脉冲、双向不对称方波脉冲；
(3)输出的方波脉冲宽度、频率、幅值可调；
(4)输出的方波脉冲占空比范围大、正负脉冲转换速度快、波形质量高、可实现高频率闻电压输出；
(5)电路工作在高频状态，系统动态响应性能高、输出波形精度大、质量高。
图I是实施方式中的大功率直流/方波变换电路实例图。图2是图I所示的大功率直流/方波变换电路在两个开关周期内的输出正向方波脉冲电压波形。图3是是图I所示的大功率直流/方波变换电路在两个开关周期内的输出反向方波脉冲电压波形。图4是图I所示的大功率直流/方波变换电路在两个开关周期内的输出双向不对称方波脉冲电压波形。图5是图I所示的大功率直流/方波变换电路在两个开关周期内的输出双向对称方波脉冲电压波形。
具体实施例方式以下结合具体实施例对本发明做进ー步说明。图I是依据本发明ー实施例的大功率直流/方波变换电路实例图，大功率直流/方波变换电路包括四个开关管第一开关管Q1、第二开关管Q2、第三开关管Q3、第四开关管Q4，两个快恢复ニ极管模块第一快恢复ニ极管模块D1、第二快恢复ニ极管模块D2，两个电容器模块第一电容器模块C1、第二电容器模块C2 ;所述四个开关管Q1-Q4中的第一开关管Q1与第三开关管Q3串联构成H桥型电路第一侧桥臂，连接处引出为H桥型电路第一侧桥臂的输出端；第一开关管Q1的高端与第一快恢复ニ极管模-D1的负极连接，连接处接第二电容器模块C2至H桥型电路第二侧桥臂的输出端；第二开关管Q2与第四开关管Q4串联构成H桥型电路第二侧桥臂，连接处引出为H桥型电路第二侧桥臂的输出端；第二开关管Q2的高端与第二快恢复ニ极管模块D2的负极连接，连接处接第一电容器模块C1至H桥型电路第一侧桥臂的输出端；两个快恢复ニ极管模-D1.D2的正极共同接至直流母线正极，第三开关管Q3、第四开关管Q4的低端共同接至直流母线负扱。作为实施例，四个开关管均采用N沟道绝缘栅双极晶闸管IGBT。
作为实施例，第一快恢复ニ极管模块D1、第二快恢复ニ极管模块D2分别由任意个快恢复ニ极管并联构成，第一电容器模块C1、第二电容器模块C2分别由任意个电容器并联构成。作为实施例，H桥型电路采用高频全桥H桥型电路结构(大于2kHz)，第一开关管Q1、第二开关管Q2、第三开关管Q3、第四开关管Q4组成H桥型电路的四臂。如上所述，ー种大功率直流/方波变换电路的控制方法如下
若需要输出单向方波脉冲时，控制第二开关管Q2、第三开关管93关断，控制第一开关管Q1、第四开关管Q4按设定频率的开通关断，则可得到正向方波脉冲输出(如图2所示);反之，控制第一开关管Q1、第四开关管Q4关断，控制第二开关管Q2、第三开关管Q3按设定频率的开通关断，则可得到反向方波脉冲输出(如图3所示)。
若要求输出双向对称方波脉冲或双向不对称方波脉冲时，只需将单向方 波脉冲的两种输出状态按照所需的双向输出进行切换即可。例如但不限于要求输出双向不对称脉冲(正向电压V1XK负向电压_V2〈0)时(如图4所示)
(I)在正半周期，第二开关管Q2、第三开关管Q3关断，控制第一开关管Q1、第四开关管Q4同时导通，调节直流母线电压为V1, V1 一方面给第二电容器模块C2充电，一方面作为输出。在输出所要求脉宽后，第一开关管Q1、第四开关管04关断，这时第二电容器模块C2两端电压Uc2=V1,由于没有充放电回路，Uc2保持不变。(2)在负半周期，第一开关管Q1、第四开关管Q4关断，控制第二开关管Q2、第三开关管Q3同时导通，调节直流母线电压为V2，V2 一方面给第一电容器模块C1充电，一方面作为输出。在输出所要求脉宽后，第二开关管Q2、第三开关管Q3关断，这时第一电容器模块C1两端电压Uci=V2,由于没有充放电回路，Uci保持不变。( 3)在正半周期期间，加在第二电容器模块C2两端电压基本相等，第二电容器模块C2没有充放电回路，Uc2=V1不变；在负半周期期间，加在第一电容器模块C1两端电压基本相等，第一电容器模块C1没有充放电回路，Uci=V2。(4)下个周期开始，由于第一电容器模块C1、第二电容器模块C2已分别充电到所要求的电压'、V2，所以只要调节直流母线电压分别为V1. V2即可，由于母线上没有大容量电容，没有充放电效应，故能快速调节\、\之值，而不受V1. V2之差值大小影响。例如但不限于要求输出双向对称方波脉冲(正向电压V1XK负向电压-V1(O)时(如图5所示)，控制方法与输出双向不对称方波脉冲相同，只需使V2=V1,并且在一个开关周期第一开关管Q1、第四开关管Q4同时导通时间和第二开关管Q2、第三开关管Q3同时导通时间相等，即令正半周期和负半周期输出脉宽相等。本发明所提供的大功率直流/方波变换电路结构简单、控制方便、易实现，可输出宽度、频率、幅值可调的单相方波脉冲、双向对称方波脉冲、双向不对称方波脉冲，且输出占空比范围大、正负脉冲转换速度快；避免了传统电路输出电压存在较大上升时间延时及较大下降时间延时，无法输出不对称电压差大或占空比较小的脉冲电压波形，输出最高频率及最小占空比受到限制等问题。
本文中所描述的具体实施例仅是对本发明精神的具体说明，本领域技术人员可以在不违背本发明的原理和实质的前提下对本具体实施例做出各种修改或补充或者采用类似的方式替代，但是这些改动均落入本发明的保护范围。因此本发明技术范围不局限于上述实 施例。
权利要求
1.ー种大功率直流/方波变换电路，其特征在于包括四个开关管(Q1-Q4X两个快恢复ニ极管模块(D1,D2)、两个电容器模块(C1,C2),所述四个开关管(Q「Q4)中的第一开关管(Q1)与第三开关管(Q3)串联构成H桥型电路第一侧桥臂，连接处引出为H桥型电路第一侧桥臂的输出端；第一开关管(Q1)的高端与第一快恢复ニ极管模块(D1)的负极连接，连接处接第ニ电容器模块(C2)至H桥型电路第二侧桥臂的输出端；第二开关管(Q2)与第四开关管(Q4)串联构成H桥型电路第二侧桥臂，连接处引出为H桥型电路第二侧桥臂的输出端；第ニ开关管(Q2)的高端与第二快恢复ニ极管模块(D2)的负极连接，连接处接第一电容器模块(C1)至H桥型电路第一侧桥臂的输出端；两个快恢复ニ极管模块(D1A2)的正极共同接至直流母线正极，第三开关管(Q3)、第四开关管(Q4)的低端共同接至直流母线负扱。
2.根据权利要求I所述的大功率直流/方波变换电路，其特征在于所述两个快恢复ニ极管模块(Dp D2)分别由ー个以上快恢复ニ极管构成。
3.根据权利要求I所述的大功率直流/方波变换电路，其特征在于所述两个电容器模块(Cp C2)分别由ー个以上电容器构成。
4.根据权利要求I所述的大功率直流/方波变换电路，其特征在于所述H桥型电路采用高频全桥H桥型电路结构。
5.权利要求1-4任一项所述的大功率直流/方波变换电路的控制方法，其特征在于 若需要输出单向方波脉冲时，控制第二开关管Q2、第三开关管93关断，控制第一开关管Q1、第四开关管Q4按设定频率的开通关断，则可得到正向方波脉冲输出；反之，控制第一开关管Q1、第四开关管Q4关断，控制第二开关管Q2、第三开关管Q3按设定频率的开通关断，则可得到反向方波脉冲输出； 若要求输出双向对称方波脉冲或双向不对称方波脉冲时，通过切换上述单向方波脉冲的正向方波脉冲输出和反向方波脉冲输出两种状态来实现。
全文摘要
本发明公开一种大功率直流/方波变换电路及其控制方法，包括四个开关管、两个快恢复二极管模块、两个电容器模块，第一、第三开关管串联构成H桥第一侧桥臂，连接处为输出端，第一开关管的高端与第一快恢复二极管的负极连接，连接处接第二电容至第二侧桥臂的输出端；第二、第四开关管串联构成第二侧桥臂，连接处为输出端，第二开关管的高端与第二快恢复二极管的负极连接，连接处接第一电容至第一侧桥臂的输出端；两个快恢复二极管的正极接至直流母线正极，第三、第四开关管的低端接至直流母线负极。本发明控制方法简单，输出的方波脉冲宽度、频率、幅值可调，具有占空比范围大、正负脉冲转换速度快等优点。
文档编号H02M9/00GK102647105SQ20121012571
公开日2012年8月22日 申请日期2012年4月26日 优先权日2012年4月26日
发明者杜贵平 申请人:华南理工大学