一种可快速放电并连续调节电压的小型高压电源模块的制作方法
【专利摘要】本发明提供一种可快速放电并连续调节电压的小型高压电源模块，包括输入端口、功率开关模块、脉冲变压器、倍压整流电路、电压输出端、反馈分压电路、控制电路、隔离驱动模块、机械开关模块；通过所述的控制电路，输入电压经输入端口、功率开关模块、脉冲变压器、倍压整流电路、电压输出端、反馈分压电路、隔离驱动模块在电压输出端产生高电压输出；所述的控制电路还与机械开关模块相连接来控制机械开关在降压调压过程中进行近距离拉电弧以释放多余电量，达到安全降压稳压的目的。该结构简单，功耗小，能输出高电压并可快速调节，适合用作柔性智能结构、电子点火器、小型电击设备的高压电源。
【专利说明】-种可快速放电并连续调节电压的小型高压电源模块
【技术领域】
[0001] 本发明属于高压电源【技术领域】，具体涉及一种可快速放电并连续调节电压的小型 高压电源模块。
【背景技术】
[0002] 目前的小型高压电源的高压电路常常采用市电接入，变压器升压加倍压整流方式 进行升压整流，通过调节方波占空比和倍压级数两种方式调节高压输出，但是在降压调压 时，当输出是电容性负载，常常采用的倍压整流方式存在放电困难的缺陷，负载采用并联电 阻方式进行放电降压时所需放电周期较长。
[0003] 在体积和重量有限制的场合，电源一般采用开关电源而不采用线性电源。线性电 源体积大，笨重，一般不适合重量轻体积小的场合。开关电源对输出电压的调节，无论高压 还是低压电源，习惯上均采用纯电子调节的方式。一般通过电源的控制器件经输出电压的 反馈调节有源功率器件占空比实现。其原因主要在于电子器件轻小，电子调节的速度也很 快，性能好。习惯上电源对输出电压的调节不用机械元件，其中一个重要的原因习惯上认为 机械元件质量比较大，有惯性，相对于电子调节，反应速度慢，体积和重量也比较大。
[0004] 功能软材料柔性器械是一种利用功能软材料（soft active material, SAM)的电 致变形特性，把电能转换为机械能，通过外加电压的作用，使材料产生机械变形来实现器械 或设备的运动。功能软材料柔性器械对外加电源的要求是能连续可调的高压电，最高电压 可达到直流2000V以上，毫秒级的放电速度，功耗小，体积小，重量轻，便于移动。
[0005] 将目前常用的小型连续可调高压电源应用在科研领域的功能软材料柔性器械上 将出现以下问题： 1、功能软材料柔性器械通常为电容性负载装置，工作状态下正负极之间几乎无电流。 现有高压电源通常通过千兆欧电阻进行高压放电，放电时间长，达到秒级，常需要几秒甚至 十几秒的时间，由于功耗体积的限制，电阻又不能取太小，与功能软材料柔性器械配合使用 导致响应过于缓慢。功能软材料柔性器械要求毫秒级的放电速度，一般不超过几百毫秒，所 以现有高压电源无法适应功能软材料柔性器械的响应和工作频率的要求。
[0006] 2、功能软材料柔性器械要求具有自由移动的功能特性，接地的放电方式和市电电 源的接入都无法满足其自身工作要求。
[0007] 3、现有高压电源采用开关电源的习惯性做法，采用纯电子调节的方式。由于输出 是直流2000V以上的高压电，在这个工作范围，会面临电子器件上的障碍。由于电子器件 技术水平的限制，工作电压在2000V以上的器件制造困难，特别是半导体器件，体积重量都 比较大，价格昂贵，制造厂商很少，可选择的范围非常小甚至没有，并且难以取得。导致满足 功能软材料柔性器械的高压电源实现非常困难。
[0008] 功能软材料柔性器械是一门新兴的技术，有巨大的发展空间，解决功能软材料柔 性器械的电源问题对这门技术的发展有重要意义。
【发明内容】
[0009] 本发明所要解决的技术问题是针对传统高压电源无法满足小型功能软材料柔性 器械等电容型负载工作需要的不足，为小型功能软材料柔性器械等电容型负载提供一种轻 量化，小型化，低功耗，不限制负载的自由移动，输出能快速放电降压，而且输出能连续调压 的高压电源模块。
[0010] 本发明是这样实现的，一种可快速放电并连续调节电压的小型高压电源模块，包 括有： 输入端口、功率开关模块、脉冲变压器、倍压整流电路、电压输出端、控制电路、隔离驱 动模块、反馈分压电路、机械开关模块； 输入端口，与功率开关模块相连接，用于为功率开关模块提供输入电压； 功率开关模块，分别与所述的隔离驱动模块和所述的脉冲变压器相连接，受来自隔离 驱动模块的开关驱动信号控制，将来自输入端口的输入电压变换为高频开关信号输出到脉 冲变压器； 脉冲变压器，分别与所述的功率开关模块和所述的倍压整流电路相连接，用于将来自 功率开关模块的高频开关信号隔离放大输出到倍压整流电路； 倍压整流电路，分别与所述的脉冲变压器和所述的电压输出端相连接，用于将来自脉 冲变压器的信号进行倍压，升压到所需要的电压整流输出到电压输出端； 电压输出端，分别与所述的倍压整流电路、所述的机械开关和所述的反馈分压电路相 连接，用于输出最终电压信号； 反馈分压电路，分别与所述的电压输出端和控制电路相连接，用于将所述的电压输出 端的电压信号反馈给所述的控制电路，实现所述的高压电源模块输出电压的稳压调节； 控制电路，分别与所述的隔离驱动模块、所述的反馈分压电路和所述的机械开关模块 相连接，根据来自所述的反馈分压电路的信号产生开关控制信号和降压控制信号，将开关 控制信号输出到所述的隔离驱动模块，将降压控制信号输出到机械开关模块，实现所述的 高压电源模块输出电压的稳压调节； 隔离驱动模块，分别与所述的控制电路和所述的功率开关模块相连接，用于将来自所 述的控制电路的开关控制信号进行功率放大并转换为开关驱动信号输出到功率开关模块， 并且实现控制电路与功率开关模块的电气隔离； 机械开关模块，分别与所述的电压输出端和所述的控制电路相连接，接受来自所述的 控制电路的降压控制信号，将电压输出端的多余电量进行释放以实现输出电压的降压。 [0011] 进一步地，所述的机械开关模块包含两个触片和一个微型舵机；两个触片包括一 个动触片和一个固定触片，动触片与电压输出端的一极相连接，固定触片与电压输出端的 另一极相连接；动触片与所述的微型舵机相连接，所述的动触片可以位于所述的微型舵机 臂上；所述的微型舵机分别与所述的动触片和所述的控制电路相连接。在升压过程中舵机 转角不变，使两触点保持在最大距离，两极处于开路状态，满足低功耗工作的要求和安全使 用的要求；在降压过程中，在控制电路、反馈分压电路共同作用下，根据预设电压值，控制电 路发出降压控制信号调节舵机转角，舵机带动与舵机相连接的动触片一起运动，控制动触 片与固定触片相互靠近到一定程度，进行近距离拉电弧短路，将电容中多余电量放掉，输出 快速降压；当反馈分压电路检测到输出电压达到预设电压值后，控制电路调节舵机立即反 转回复到初始位置，实现了快速降压和安全保护。
[0012] 进一步地，所述的微型舵机包括伺服驱动系统或步进驱动系统。舵机运动位置的 实现可以采用伺服驱动系统或者步进驱动系统实现快速的反应和精确的位置控制。
[0013] 进一步地，所述的隔离驱动模块包括一个缓存驱动芯片和一个光耦合器；所述的 缓存驱动芯片分别与所述的控制电路和所述的光耦合器相连接，所述的光耦合器分别与所 述的缓存驱动芯片和所述的功率开关模块相连接，用于实现控制电路与功率开关模块的电 气隔离；所述的缓存驱动芯片和光耦合器用于将来自控制电路的开关控制信号进行功率放 大。
[0014] 进一步地，所述的输入端口电压范围为直流5伏?32伏。
[0015] 进一步地，所述的小型高压电源模块输出降压的放电时间在700毫秒以下。
[0016] 进一步地，所述的控制电路为单片机控制电路。
[0017] 进一步地，所述高压电源模块输出为直流0伏?6000伏连续可调。
[0018] 进一步地，所述脉冲变压器输出最大峰值0伏?600伏的高频开关信号。
[0019] 进一步地，所述的倍压整流电路为十倍压整流电路。
[0020] 进一步地，所述高压电源模块输出最低电压从零伏起连续可调，输出最高电压范 围为直流2000伏?15000伏。
[0021] 本发明的有益效果是，本发明的高压电源模块输出电压调节技术方案上除电子调 节外，还引入机械开关模块，即机械元件，靠电子调节和机械调节一起实现了高压输出的电 压调节。通过所述的控制电路，输入电压经输入端口、功率开关模块、脉冲变压器、倍压整流 电路、电压输出端、反馈分压电路、隔离驱动模块实现高压输出的升压调节，产生高电压输 出；通过控制电路、反馈分压电路和机械开关模块实现快速放电的降压，最终实现输出电压 连续可调，快速响应。本发明与现有技术相比，还具有以下显著的优点： 1、由于高压电源模块电压输出端是高压输出，可高达直流2000伏以上，受电子器件技 术水平的限制，小型化高压器件难以选择；采用变压器加倍压整流的电子调节进行升压调 节和机械开关模块电弧放电进行降压调节相结合的技术方案克服了高压电子器件的限制， 克服了传统电源的输出电压控制习惯性地只采用单一的电子调节，不采用机械方式调压带 来的技术成见，满足了小型功能软材料柔性器械等电容型负载所要求的轻量化，小型化，能 自由移动，输出连续调压的功能。
[0022] 2、由于现有技术使用的并联千兆欧电阻的放电降压方式放电时长常长达到几秒 甚至十几秒，无法满足工作要求，而且电阻一直处于工作状态，功耗高；通过机械开关模块 降压调节时可以使高压电源模块高压输出端在毫秒级别内迅速进行电弧放电降压，实现输 出快速放电降压，满足了小型功能软材料柔性器械等电容型负载所要求的电源快速响应的 功能；放电降压完成后放电调压部分不再消耗能量，实现工作状态下低功耗。
【专利附图】
【附图说明】
[0023] 图1为本发明的结构框图。
[0024] 图2 (a)为本发明的机械开关模块模型图。
[0025] 图2 (b)为本发明的一个十倍压整流电路图。
[0026] 图3为本发明的一个二倍压整流电路图。
【具体实施方式】
[0027] 如图1所示，本发明提供一种可快速放电并连续调节电压的小型高压电源模块， 其中： 所述的可快速放电并连续调节电压的小型高压电源模块包括输入端口、功率开关模 块、脉冲变压器、倍压整流电路、电压输出端、反馈分压电路、控制电路、隔离驱动模块、机械 开关1?块； 所述的输入端口，与功率开关模块相连接，用于为功率开关模块提供输入电压； 所述的功率开关模块，分别与所述的隔离驱动模块和所述的脉冲变压器相连接，受来 自隔离驱动模块的开关驱动信号控制，将来自输入端口的输入电压变换为高频开关信号输 出到脉冲变压器； 所述的脉冲变压器，分别与所述的功率开关模块和所述的倍压整流电路相连接，用于 将来自功率开关模块的高频开关信号隔离放大输出到倍压整流电路； 所述的倍压整流电路，分别与所述的脉冲变压器和所述的电压输出端相连接，用于将 来自脉冲变压器的信号进行倍压，升压到所需要的电压整流输出到电压输出端； 所述的电压输出端，分别与所述的倍压整流电路、所述的机械开关模块和所述的反馈 分压电路相连接，用于输出最终电压信号； 所述的反馈分压电路，分别与所述的电压输出端和控制电路相连接，用于将所述的电 压输出端的电压信号反馈给所述的控制电路，实现所述的高压电源模块输出电压的稳压调 节； 所述的控制电路，分别与所述的隔离驱动模块、所述的反馈分压电路和所述的机械开 关模块相连接，根据来自所述的反馈分压电路的信号产生开关控制信号和降压控制信号， 将开关控制信号输出到所述的隔离驱动模块，将降压控制信号输出到机械开关模块，实现 所述的高压电源模块输出电压的稳压调节； 所述的隔离驱动模块，分别与所述的控制电路和所述的功率开关模块相连接，用于将 来自所述的控制电路的开关控制信号进行功率放大并转换为开关驱动信号输出到功率开 关模块，并且实现控制电路与功率开关模块的电气隔离； 所述的机械开关模块，分别与所述的电压输出端和所述的控制电路相连接，接受来自 所述的控制电路的降压控制信号，将电压输出端的多余电量进行释放以实现输出电压的降 压。
[0028] 采取直流-直流变换的方式，通过所述的控制电路，输入电压经输入端口、功率开 关模块、脉冲变压器、倍压整流电路、电压输出端、反馈分压电路、隔离驱动模块实现高压输 出的升压调节，产生高电压输出；通过控制电路、反馈分压电路和机械开关模块实现快速放 电的降压，最终实现输出电压连续可调。输入电压采取直流供电，供电方案就很简单，输入 电能的来源能选择电池或其他直流储能装置，就可以不依赖市电，电源和负载都能自由移 动，同时实现小型化，轻量化。升压过程中，降压调节部分不起作用。优选地，小型高压电源 模块输入直流电压5伏?32伏，输出最低电压从零伏起连续可调，输出最高电压范围为直 流2000伏?15000伏。
[0029] 机械开关模块包含两个触片和一个微型舵机；两个触片包括一个动触片和一个固 定触片，动触片与电压输出端的一极相连接，固定触片与电压输出端的另一极相连接；动触 片与所述的微型舵机相连接，舵机运动时将带动与舵机相连接的动触片一起运动；所述的 微型舵机分别与所述的动触片和所述的控制电路相连接。两个有电势差的导体靠近到一 定程度，导体间的介质会产生击穿放电。这种击穿放电可以表现为电弧放电。在降压过程 中，升压调节部分不起作用，在控制电路、反馈分压电路共同作用下，根据预设电压值，控制 电路发出降压控制信号，调节舵机转角，舵机带动与舵机相连接的动触片一起运动，控制动 触片与固定触片相互靠近到一定程度，进行近距离拉电弧短路，将电容中多余电量放掉，输 出快速降压；当反馈分压电路检测到输出电压达到预设电压值后，控制电路调节舵机立即 反转回复到初始位置，实现了快速降压和安全保护。降压过程中，反馈分压电路将检测到 的输出电压值送入到控制电路，控制电路将检测到的输出电压值和预设电压值比较，通过 模拟或者数字控制方法产生控制信号去准确控制舵机的运动，最终实现输出电压的闭环控 制。舵机运动位置的实现可以采用伺服驱动系统或者步进驱动系统实现快速的反应和精确 的位置控制。优选地，小型高压电源模块输出降压的放电时间在700毫秒以下。
[0030] 实施例1 如图1所示的小型高压电源模块，所述高压电源模块用以实现0?6000V直流电压输 出。所述的控制电路包括STC89C51芯片；所述的隔离驱动模块包括一个缓存驱动芯片和一 个光耦合器；所述的缓存驱动芯片为74HC244 ;所述的光耦合器为TLP521-1。所述的倍压整 流电路为一个十倍压整流电路。所述的控制电路为单片机控制电路，并且与机械开关模块 相连接，用于控制机械开关在降压调压过程中进行近距离拉电弧短路以释放多余电量。
[0031] 电子调节采用直流-直流变换的方式进行。具体调压过程为：初始直流电压由输 入端口提供输入到功率开关模块中，为功率开关模块供电。控制电路的控制信号经缓存驱 动芯片进行电流放大以及光耦合器进行电气隔离后，生成一定占空比的驱动信号，输入到 功率开关模块中，控制功率开关模块输出高频开关信号，即相应占空比的矩形脉冲电压。功 率开关模块相当于直流-直流变换中功率回路的有源功率器件，受驱动信号控制，对输入 直流进行波形变换，变为PWM波或其他高频脉冲电压，送到脉冲变压器隔离放大，脉冲变压 器是不能直接放大直流的。输出的脉冲电压经过脉冲变压器进行50倍电压放大，可实现最 大峰值0伏?600伏的脉冲电压输出，通过十倍压整流电路实现0?6000V直流电压输出。 电压输出端经一个10兆欧和15欧电阻的反馈分压电路反馈给控制电路，控制电路将检测 到的输出电压值和预设电压值比较，通过PID控制单元产生控制信号去控制功率开关模块 的占空比，最终实现输出电压的闭环控制。PID控制方法是一种常见的控制方法，可通过模 拟或者数字电路的方法实现。
[0032] 如图2 (a)所示，机械开关模块包含两个触片和一个微型舵机；两个触片包括一个 动触片和一个固定触片，动触片与电压输出端的正极相连接，固定触片与电压输出端的负 极相连接；动触片与所述的微型舵机相连接，所述的微型舵机分别与所述的动触片和所述 的控制电路相连接。
[0033] 在升压过程中舵机不动，使两触点保持在最大距离。在降压过程中，升压调节部 分不起作用，功率开关模块驱动信号被关掉。在控制电路、反馈分压电路共同作用下，根据 预设电压值，控制电路发出降压控制信号调节舵机转角，舵机带动与舵机相连接的动触片 一起运动，控制动触片与固定触片相互靠近到一定程度，进行近距离拉电弧短路，将电容中 多余电量放掉，输出快速降压；当反馈分压电路检测到输出电压达到预设电压值后，控制电 路调节舵机立即反转回复到初始位置。降压过程中，反馈分压电路将检测到的输出电压值 送入到控制电路，控制电路将检测到的输出电压值和预设电压值比较，通过PID控制单元 产生控制信号去准确控制舵机的运动，调节舵机转角至一个合适的角度，转动角度与当前 电压和预设电压之差有关，在电压差值较大时，转动角度相对较大，动触片与固定触片靠越 近，放电越多；反之，差值较小时转动角度相应较小，最终实现输出电压的闭环控制。舵机运 动位置的实现可以采用伺服驱动系统实现快速的反应和精确的位置控制，达到毫秒级的降 压放电时间。
[0034] 如图2 (b)所示，为一个十倍压整流电路图。十倍压整流电路为5个二倍压整流 电路的串联，在此通过二倍压对整个倍压整流电路的工作原理作简要说明。
[0035] 如图3所示，为一个二倍压整流电路图。变压器两端为高频交流电，峰值电压为 馬。两端电压在负半周(变压器上端为负电压，下端为正电压)时，二极管导通，仏截止， 电流经过对q充电，将电容q上的电压充到接近电压的峰值馬并基本保持不变。此时 电容^左端为负，右端为正。电压在正半周（变压器上端为正电压，下端为负电压）时，二 极管巧导通，截止。此时，电容两端电压为电容G与电源电压馬串联相加，电流经 At对电容Q充电，充电电压K = 2馬，在一个周期内很难将电充满，经过几个周期反复充 电，Q上的直流电压基本稳定在2馬了，实现了交流电2倍放大整流的作用。5个二倍压整 流电路的串联就可以实现十倍压放大整流。
[0036] 应当理解，这些实施例仅用于说明本发明，并不用以限制本发明的范围。凡在本发 明的精神和原则之内，所做的任何修改、等效替换等，均应包含在本发明的保护范围之内。
【权利要求】
1. 一种可快速放电并连续调节电压的小型高压电源模块，其特征在于： 所述的可快速放电并连续调节电压的小型高压电源模块包括输入端口、功率开关模 块、脉冲变压器、倍压整流电路、电压输出端、反馈分压电路、控制电路、隔离驱动模块、机械 开关丨吴块； 所述的输入端口，与功率开关模块相连接，用于为功率开关模块提供输入电压； 所述的功率开关模块，分别与所述的隔离驱动模块和所述的脉冲变压器相连接，受来 自隔离驱动模块的开关驱动信号控制，将来自输入端口的输入电压变换为高频开关信号输 出到脉冲变压器； 所述的脉冲变压器，分别与所述的功率开关模块和所述的倍压整流电路相连接，用于 将来自功率开关模块的高频开关信号隔离放大输出到倍压整流电路； 所述的倍压整流电路，分别与所述的脉冲变压器和所述的电压输出端相连接，用于将 来自脉冲变压器的信号进行倍压，升压到所需要的电压整流输出到电压输出端； 所述的电压输出端，分别与所述的倍压整流电路、所述的机械开关模块和所述的反馈 分压电路相连接，用于输出最终电压信号； 所述的反馈分压电路，分别与所述的电压输出端和控制电路相连接，用于将所述的电 压输出端的电压信号反馈给所述的控制电路，实现所述的高压电源模块输出电压的稳压调 节； 所述的控制电路，分别与所述的隔离驱动模块、所述的反馈分压电路和所述的机械开 关模块相连接，根据来自所述的反馈分压电路的信号产生开关控制信号和降压控制信号， 将开关控制信号输出到所述的隔离驱动模块，将降压控制信号输出到机械开关模块，实现 所述的高压电源模块输出电压的稳压调节； 所述的隔离驱动模块，分别与所述的控制电路和所述的功率开关模块相连接，用于将 来自所述的控制电路的开关控制信号进行功率放大并转换为开关驱动信号输出到功率开 关模块，并且实现控制电路与功率开关模块的电气隔离； 所述的机械开关模块，分别与所述的电压输出端和所述的控制电路相连接，接受来自 所述的控制电路的降压控制信号，将电压输出端的多余电量进行释放以实现输出电压的降 压。
2. 根据权利要求1所述的可快速放电并连续调节电压的小型高压电源模块，其特征在 于： 所述的机械开关模块包含两个触片和一个微型舵机；所述的两个触片包括一个动触片 和一个固定触片，动触片与电压输出端的一极相连接，固定触片与电压输出端的另一极相 连接；动触片与所述的微型舵机相连接；所述的微型舵机分别与所述的动触片和所述的控 制电路相连接。
3. 根据权利要求1所述的可快速放电并连续调节电压的小型高压电源模块，其特征在 于： 所述的微型舵机包括伺服驱动系统或步进驱动系统。
4. 根据权利要求1所述的可快速放电并连续调节电压的小型高压电源模块，其特征在 于： 所述的隔离驱动模块包括一个缓存驱动芯片和一个光耦合器；所述的缓存驱动芯片分 别与所述的控制电路和所述的光耦合器相连接；所述的光耦合器分别与所述的缓存驱动芯 片和所述的功率开关模块相连接。
5. 根据权利要求1-4任一项所述的可快速放电并连续调节电压的小型高压电源模块， 其特征在于： 所述的输入端口电压范围为直流5伏?32伏。
6. 根据权利要求1-4任一项所述的可快速放电并连续调节电压的小型高压电源模块， 其特征在于： 所述的小型高压电源模块输出降压的放电时间在700毫秒以下。
7. 根据权利要求1-4任一项所述的可快速放电并连续调节电压的小型高压电源模块， 其特征在于：所述的控制电路为单片机控制电路。
8. 根据权利要求1-4任一项所述的可快速放电并连续调节电压的小型高压电源模块， 其特征在于： 所述高压电源模块输出电压为直流〇伏?6000伏连续可调。
9. 根据权利要求8所述的可快速放电并连续调节电压的小型高压电源模块，其特征在 于： 所述脉冲变压器输出最大峰值〇伏?600伏的高频开关信号。
10. 根据权利要求8所述的可快速放电并连续调节电压的小型高压电源模块，其特征 在于： 所述的倍压整流电路为十倍压整流电路。
【文档编号】H02M3/44GK104104233SQ201410336140
【公开日】2014年10月15日 申请日期:2014年7月15日 优先权日:2014年4月29日
【发明者】李铁风, 翟志鹏, 李铭全, 邱一苇, 饶平, 李驰 申请人:浙江大学