级联型半/全桥脉冲电压叠加器简化隔离充电系统及方法与流程

本发明涉及一种脉冲电压叠加器的充电系统及方法，具体设计一种级联型半桥/全桥脉冲电压叠加器的简化隔离充电系统及方法，属于电力电子技术领域。

背景技术：

目前，由基于全控型半导体开关（例如igbt，mosfet）和储能电容的多个半桥或者全桥放电单元级联构成的电压叠加器，能够输出正向和负向的高压脉冲，因此在等离子体放电领域具有广泛的潜在应用价值。这种电压叠加器的每个放电单元包括数个全控型半导体开关和与开关相连的储能电容。每一个放电单元的结构有两种选择，一是全桥电路结构，包括四个全控型半导体开关和一个储能电容；二是半桥电路结构，包括两个全控型半导体开关和两个储能电容。为了对储能电容充电，通常每个放电单元都有与之对应的充电单元。充电单元既可以是二极管和全控型半导体开关的组合（这种方法称为非隔离充电），也可以是变压器和整流桥的组合（这种方法称为隔离充电）。对于非隔离充电，需要对每个充电单元中的全控型半导体开关进行导通与关断的控制，因此较为复杂；对于隔离充电，所有充电单元中的变压器共享同一个原边绕组，该原边绕组可以为一匝或多匝高压导线，导线两端连接到高频交流充电电源的输出端。每一个变压器均采用环形磁芯，磁芯的副边绕组为多匝导线，导线两端连接到由二极管组成的整流桥的输入端。整流桥的输出端连接到对应的放电单元中储能电容的正负极。相对于非隔离充电，隔离充电的好处在于不需要使用大量的半导体开关，简化了控制电路与驱动电路。不过，每个充电单元需要使用到变压器和整流桥，这会增加额外的体积。不同变压器之间、变压器的原边绕组与副边绕组之间的绝缘也需要仔细考察与设计，以确保在高电压输出时位于不同电位的每一级充电变压器能够承受相应的电压等级。

技术实现要素：

本发明的目的在于克服现有技术存在的结构复杂、可靠性低的问题，提供一种结构简单、可靠性高的级联型半桥/全桥脉冲电压叠加器的简化隔离充电系统。

本发明是这样实现的：

一种级联型半/全桥脉冲电压叠加器简化隔离充电系统，包括有一个交流充电电源，交流充电电源通过充电变压器原边绕组与充电电压器相连通，每个充电变压器直接与至少一个放电单元相连，放电单元总数量为正偶数个，所有放电单元均通过放电单元的输出端与负载串联。

更进一步的方案是：每个变压器的副边绕组包含相同匝数的导线，导线两端连接到对应的放电单元部分的两个输出端。

更进一步的方案是：每个充电变压器直接与一个放电单元或者正偶数个放电单元相连。

更进一步的方案是：当充电变压器数量为正偶数个时，其中一半数量的充电变压器的副边绕组的同名端与另外一半数量的充电变压器的副边绕组的同名端相反。

更进一步的方案是：副边绕组的同名端相同的充电变压器与副边绕组的同名端相反的充电变压器间隔排列。

更进一步的方案是：当充电变压器数量为1个时，全部的放电单元被分成两个部分，每部分包含相同数量的放电单元，充电变压器包含一个原边绕组和两个具有相同匝数的副边绕组，两个副边绕组以同名端相反的方式分别连接到两个部分的放电单元的输出端。

本申请中，所述的放电单元包括两种结构，一种是全桥电路结构，包括四个全控型半导体开关和一个储能电容；一种是半桥电路结构，包括两个全控型半导体开关和两个储能电容。

一般而言，本申请的半桥电路结构的放电单元，包括两个输出端，两个储能电容，两个储能电容串联后，在两个储能电容的两端分别连接两个全控型半导体开关并组成回路，两个输出端分别与两个储能电容之间的线路和两个全控型半导体开关之间的线路相连，全控型半导体开关上分别连接有开关驱动。

本申请的全桥电路结构的放电单元，包括两个输出端，一个储能电容和四个全控型半导体开关，两个全控型半导体开关串联后与储能电容组成回路，另外两个全控型半导体开关串联后与储能电容组成另一个回路，两个输出端分别连接在串联的两个全控型半导体开关之间的线路上，全控型半导体开关上分别连接有开关驱动。

本发明还提供了级联型半/全桥脉冲电压叠加器简化隔离充电方法，使用了本发明公开的级联型半/全桥脉冲电压叠加器简化隔离充电系统对半/全桥脉冲电压叠加器进行隔离充电。

本发明提出的级联型半桥/全桥脉冲电压叠加器的简化隔离充电系统及方法，省去了传统的隔离充电电路中的二极管整流桥，每个充电单元只需要使用一个变压器。并且在某些需要的场合能够减少充电变压器的数量，有利于简化电源系统结构，降低成本。

本发明的级联型半桥/全桥脉冲电压叠加器的简化隔离充电系统和方法，适用于具有偶数个半桥（全桥）放电单元的电压叠加器。

本发明的充电变压器的数量既可以等于放电单元的数量，也就是每个放电单元都有一个充电变压器为其中的储能电容充电；也可以把放电单元划分成偶数个部分，每部分包含相同数量的放电单元，每部分内的放电单元共用一个充电变压器。对于以上两种情况，充电变压器的数量都是偶数，这些变压器的原边绕组以串联的形式共用一匝或者多匝导线，导线两端连接到高频交流充电电源的输出端；每个变压器的副边绕组包含相同匝数的导线，导线两端连接到对应的包含一个或多个半桥（全桥）放电单元部分的两个输出端，通过半桥（全桥）放电单元中与全控型半导体开关反并联的二极管为储能电容充电。为确保充电电路工作时不对叠加器的输出产生影响，应该使全部偶数个充电变压器中一半数量的变压器的副边绕组的同名端与另外一半数量的变压器的副边绕组的同名端相反，这样在反并联二极管每次因为流过充电电流而导通时，在叠加器输出端呈现出来的所有储能电容的电压之和正好为零。

本发明除了以上两种情况，也就是充电变压器都是正偶数个之外，还存在一种更简化的充电方式。在这种方式中，全部的放电单元被分成两个部分，每部分包含相同数量的放电单元，充电变压器只有一个，它包含一个原边绕组和两个具有相同匝数的副边绕组。这两个副边绕组以同名端相反的方式分别连接到两个放电单元部分的输出端，以确保充电时在叠加器输出端呈现的电压之和等于零。

本发明与现有技术相比具有以下优势：

（1）与传统的隔离充电技术相比，省去了二极管整流桥，简化了系统结构；

（2）可以根据需要，减少充电变压器的数量，最少可以将充电变压器减少为一个；

（3）本发明通过特定的副边绕组的匝数和副边绕组的连接方式，充电更加可靠，值得推广和应用。

附图说明

图1为传统的级联型半桥脉冲电压叠加器隔离充电系统的示意框图。

其中：100—交流充电电源；102—充电变压器原边绕组；104、106和108—充电单元；110、112和114—充电变压器；116、118和120—整流桥；122、124和126—放电单元；128、130、132、134、136和138—半导体开关；140、142、144、146、148和150—开关驱动；152、154、156、158、160和162—储能电容；464—负载

图2为传统的级联型全桥脉冲电压叠加器隔离充电系统的示意框图。

其中：200—交流充电电源；202—充电变压器原边绕组；204-208—充电单元；210-214—充电变压器；216-220—整流桥；222-226—放电单元；228-250—半导体开关；252-274—开关驱动；276-280—储能电容；282—负载。

图3为本发明一个实施例的级联型半桥脉冲电压叠加器隔离充电系统的示意框图，此时每个放电单元对应一个充电变压器。

其中：300—交流充电电源；302—充电变压器原边绕组；304-310—充电变压器；312-318—放电单元；328-342—半导体开关；344-358—开关驱动；360-374—储能电容；376—负载。

图4为本发明另一个实施例的级联型半桥脉冲电压叠加器隔离充电系统的示意框图，此时每两个放电单元对应一个充电变压器。

其中：400—交流充电电源；402—充电变压器原边绕组；404和406—充电变压器；412-418—放电单元；428-442—半导体开关；444-458—开关驱动；460-474—储能电容；476—负载。

图5为本发明再一个实施例的级联型半桥脉冲电压叠加器隔离充电系统的示意框图，此时全部放电单元对应一个充电变压器。

其中：500—交流充电电源；502—充电变压器原边绕组；504—充电变压器；512-518—放电单元；528-542—半导体开关；544-558—开关驱动；560-574—储能电容；576—负载。

图6为本发明一个实施例的级联型全桥脉冲电压叠加器隔离充电系统的示意框图，此时每个放电单元对应一个充电变压器。

其中：600—交流充电电源；602—充电变压器原边绕组；604-610—充电变压器；612-618—放电单元；620-650—半导体开关；652-682—开关驱动；684-690—储能电容；692—负载。

图7为本发明另一个实施例的级联型全桥脉冲电压叠加器隔离充电系统的示意框图，此时每两个放电单元对应一个充电变压器。

其中：700—交流充电电源；702—充电变压器原边绕组；704和706—充电变压器；712-718—放电单元；720-750—半导体开关；752-782—开关驱动；784-790—储能电容；792—负载。

图8为本发明再一个实施例的级联型全桥脉冲电压叠加器隔离充电系统的示意框图，此时全部放电单元对应一个充电变压器。

其中：800—交流充电电源；802—充电变压器原边绕组；804和806—充电变压器；812-818—放电单元；820-850—半导体开关；852-882—开关驱动；884-890—储能电容；892—负载。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步的说明。

如附图1、2所示，可以清楚地看到现有的级联型半/全桥脉冲电压叠加器隔离充电系统中，每一个放电单元（半桥或全桥），都需要配一个充电单元，每个充电单元需要使用到变压器和整流桥，结构较为复杂。

如附图3-8所示，一种级联型半/全桥脉冲电压叠加器简化隔离充电系统，包括有一个交流充电电源，交流充电电源通过充电变压器原边绕组与充电电压器相连通，每个充电变压器直接与至少一个放电单元相连，放电单元总数量为正偶数个，所有放电单元均通过放电单元的输出端与负载串联。

每个变压器的副边绕组包含相同匝数的导线，导线两端连接到对应的放电单元部分的两个输出端。

每个充电变压器直接与一个放电单元或者正偶数个放电单元相连。

当充电变压器数量为正偶数个时，其中一半数量的充电变压器的副边绕组的同名端与另外一半数量的充电变压器的副边绕组的同名端相反。

副边绕组的同名端相同的充电变压器与副边绕组的同名端相反的充电变压器间隔排列。

当充电变压器数量为1个时，全部的放电单元被分成两个部分，每部分包含相同数量的放电单元，充电变压器包含一个原边绕组和两个具有相同匝数的副边绕组，两个副边绕组以同名端相反的方式分别连接到两个部分的放电单元的输出端。

本申请中，所述的放电单元包括两种结构，一种是全桥电路结构，包括四个全控型半导体开关和一个储能电容；一种是半桥电路结构，包括两个全控型半导体开关和两个储能电容。

一般而言，本申请的半桥电路结构的放电单元，包括两个输出端，两个储能电容，两个储能电容串联后，在两个储能电容的两端分别连接两个全控型半导体开关并组成回路，两个输出端分别与两个储能电容之间的线路和两个全控型半导体开关之间的线路相连，全控型半导体开关上分别连接有开关驱动。

本申请的全桥电路结构的放电单元，包括两个输出端，一个储能电容和四个全控型半导体开关，两个全控型半导体开关串联后与储能电容组成回路，另外两个全控型半导体开关串联后与储能电容组成另一个回路，两个输出端分别连接在串联的两个全控型半导体开关之间的线路上，全控型半导体开关上分别连接有开关驱动。

作为本发明的级联型半桥脉冲电压叠加器简化隔离充电方法，在具体应用时，有附图3、4、5所示的几种实施方式。以附图3作为一个实施例，此时充电变压器的数量等于放电单元的数量，且均为正偶数个；以附图4为另一个实施例，此时放电单元被划分成偶数个部分，每部分包含相同数量的放电单元，每部分内的放电单元共用一个充电变压器。附图3和附图4中，充电变压器的数量都是偶数，这些变压器的原边绕组以串联的形式共用一匝或者多匝导线，导线两端连接到高频交流充电电源的输出端；每个变压器的副边绕组包含相同匝数的导线，导线两端连接到对应的包含一个或多个半桥放电单元部分的两个输出端，通过半桥放电单元中与全控型半导体开关反并联的二极管为储能电容充电。而附图5作为本发明再一个实施例，全部的放电单元被分成两个部分，每部分包含相同数量的放电单元，充电变压器只有一个，它包含一个原边绕组和两个具有相同匝数的副边绕组。这两个副边绕组以同名端相反的方式分别连接到两个放电单元部分的输出端，以确保充电时在叠加器输出端呈现的电压之和等于零。

作为本发明的级联型全桥脉冲电压叠加器简化隔离充电方法，在具体应用时，如附图6、附图7和附图8所示，具体实施方式与上述级联型半桥脉冲电压叠加器简化隔离充电方法类似。

尽管这里参照本发明的解释性实施例对本发明进行了描述，上述实施例仅为本发明较佳的实施方式，本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，应该理解，本领域技术人员可以设计出很多其他的修改和实施方式，这些修改和实施方式将落在本申请公开的原则范围和精神之内。