一种降低平顶跌落的方波脉冲电源的制作方法

本实用新型涉及技术领域，具体而言，尤其涉及一种降低平顶跌落的方波脉冲电源。

背景技术：

高压斩波型脉冲电源是依靠储能电容来储能，开关导通之后输出方波脉冲，但是当脉宽较长大于100us，电流几十a的情况下方波的顶降就变得十分明显。为了保证顶降在一定范围内最直接的办法就是提高电容的容值。由于脉冲输出的能量完全来自于电容的储能，根据电容的储能公式：

其中：

q——电容中储存的能量；

c——电容的容值；

u——电容两端的电压；

可知在电容一定的情况下电容中存储的能量与电压的平方成正比。

单次输出能量为δq，输出顶降为δu，可知

如果按照顶降1％来计算，单个脉冲输出的能量与电容储能的比值约为2％。可见在顶降要求较高的情况下通过提高电容值来满足顶降要求会导致电容储能急剧增加，带来的副作用是体积的增大，同时系统的危险性也会大大提高。

技术实现要素：

根据上述提出的技术问题，而提供一种降低平顶跌落的方波脉冲电源。本实用新型主要利用一种降低平顶跌落的方波脉冲电源，包括：高压斩波输出脉冲电源，其特征在于：所述方波脉冲电源还具有顶降补偿电路；所述顶降补偿电路包括：补偿电容c2、泄放负载r2、泄放开关q2、补偿电容充电电源p2、补偿电路介入开关；当开关k闭合状态下，所述补偿电路不工作。

更进一步地，所述高压斩波输出脉冲电源p1分两路一路连接至高压开关管q1并连接至负载r1并连接至所述补偿电容充电电源p2；所述高压斩波输出脉冲电源p1的另一路连接储能电容c1及补偿电容c2；所述补偿电容c2的两端并联有开关k以及串联后的泄放开关q2及负载r2。

进一步地，所述高压斩波输出脉冲电源p1及所述补偿电容充电电源p2分别对储能电容c1和补偿电容c2进行充电，所述储能电容c1为高压电容，脉冲输出阶段的全部能量来自所述储能电容c1。

进一步地，所述高压开关管q1按照预设的脉宽输出，在a点会输出包含顶降的方波电压。

更进一步地，所述补偿电路的开关管按照预设的占空比进行高频的开关，逐渐释放所述补偿电容c2中的电压，加在负载上的电压为a点电压与b点电压的差，a-b电压波形即为最终的输出电压波形。

较现有技术相比，本实用新型具有以下优点：

本实用新型实现高平坦度的高压脉冲输出(顶降低)；系统总储能降低，缩小了体积，提高了安全性；应用本电路在长脉宽脉冲电源中，可以极大的降低对储能电容容值的要求，尤其是在顶降要求严格的场合。

附图说明

为了更清楚地说明本实用新型实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图做以简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本实用新型的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为传统的斩波型脉冲电源。

图2为本实用新型斩波型脉冲电源示意图。

具体实施方式

为了使本技术领域的人员更好地理解本实用新型方案，下面将结合本实用新型实施例中的附图，对本实用新型实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本实用新型一部分的实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本实用新型保护的范围。

需要说明的是，本实用新型的说明书和权利要求书及上述附图中的术语“第一”、“第二”等是用于区别类似的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序。应该理解这样使用的数据在适当情况下可以互换，以便这里描述的本实用新型的实施例能够以除了在这里图示或描述的那些以外的顺序实施。此外，术语“包括”和“具有”以及他们的任何变形，意图在于覆盖不排他的包含，例如，包含了一系列步骤或单元的过程、方法、系统、产品或设备不必限于清楚地列出的那些步骤或单元，而是可包括没有清楚地列出的或对于这些过程、方法、产品或设备固有的其它步骤或单元。

如图1-2所示，本实用新型提供了一种降低平顶跌落的方波脉冲电源，包括：高压斩波输出脉冲电源。本实用新型所述的方波脉冲电源还具有顶降补偿电路；所述顶降补偿电路包括：补偿电容c2、泄放负载r2、泄放开关q2、补偿电容充电电源p2、补偿电路介入开关；当开关k闭合状态下，所述补偿电路不工作。

图2相对图1增加的部分为本实用新型的重点，将传统脉冲电源的顶降进行补偿。图2中右侧a点的波形为脉冲电源进行大电流输出时的电压波形，脉冲电源的本质是充电机在较长时间输出存储至储能电容中。在斩波电路导通的情况下正很短的时间以较大的电流输出，获得短时的大功率输出。而随着储能电容中电荷的流失，储能电容的电压会跌落。b电的波形是补偿电路根据需求创造出来的波形，开关管有序的导通实现对补偿电容中的电荷受控的泄放。a-b的波形是a电的电压减掉b电的电压，也就是负载两端的电压。对于负载来说，加到负载的电压就是a、b两点的压差即a减b(a-b)，最终目标是在负载上产生一个方波电压，既然避免不了a电的电压跌落，那么在b点人为的增加一个电压跌落用于补偿a点的电压跌落，这就是本实用新型的思路。

同时因为a电的电压很高，想改变a电的电压跌落就要给电容c1注入一定量的电荷q，由于注入能量的大小w和注入电荷量q与电压u的乘积成正比，所以对于电压较高的电容在实时过程中无法为其注入电荷。增加补偿电容之后由于补偿电容的电压较低，注入或释放同样的电荷所消耗的能量就要低得多，实现起来也容易得多，所以才会增加补偿电容。

作为本申请一种优选的实施方式，所述高压斩波输出脉冲电源p1分两路一路连接至高压开关管q1并连接至负载r1并连接至所述补偿电容充电电源p2；所述高压斩波输出脉冲电源p1的另一路连接储能电容c1及补偿电容c2；所述补偿电容c2的两端并联有开关k以及串联后的泄放开关q2及负载r2。

在本申请中，作为优选地，所述高压斩波输出脉冲电源p1及所述补偿电容充电电源p2分别对储能电容c1和补偿电容c2进行充电，所述储能电容c1为高压电容，脉冲输出阶段的全部能量来自所述储能电容c1。

在本实施方式中，所述高压开关管q1按照预设的脉宽输出，在a点会输出包含顶降的方波电压。所述补偿电路的开关管按照预设的占空比进行高频的开关，逐渐释放所述补偿电容c2中的电压，加在负载上的电压为a点电压与b点电压的差，a-b电压波形即为最终的输出电压波形。

同时作为本申请一种优选的实施方式，对于储能电容c1的确定：传统脉冲电源中储能电容c1的确定方法为，根据脉冲电压确定电容c1的额定电压、根据输出最大脉宽、输出电流、顶降允许跌落比例来确定储能电容c1的大小。上文中提到过，如果顶降要求较高的情况下计算出的电容值会非常大。采样本实用新型的电路可以将输出设定在10％左右，这样计算出的电容值只有之前的10％。而通过补偿电路补偿后仍然可以得到1％以内的顶降。

相对传统脉冲电源储能电容充电电压会提到高1.15倍的输出电压，根据电容储能公式可知，采用本专利之后储能电容中的能量可降低为原来的13.23％，由于储能电容能量密度相对固定，所以电容的体积和最大储能成正比，大大减小了电容的体积

由于在长脉宽(大于100us)高压脉冲电源中，储能电容的体积重量成本都很高，在满足顶降参数要求的前提下减小储能电容c1的容量是本专利的核心。

作为本申请优选地，补偿电容c2参数的确定：补偿电容c2的作用是在脉冲输出阶段平滑开关管q2高频开通关断引起的电压纹波，该纹波最终会反应在输出脉冲波形上，理论上，c2的容值越大反应在最终脉冲输出上的纹波越小。但是由图中b点电压可知，在脉冲输出过程中c2上的电压会有10％u的跌落，这部分能量将通过充电阶段由直流电源p2补充、最终输出在补偿泄放电阻r2上，所以c2的容值越大带来的能量浪费也越大，为了方便计算，一般取c2＝c1，使用时可以通过实测波形进行微调。电容的额定电压取15％u即可。较为理想的情况是充电阶段储能c1充电电压为115％u、补偿电容c2充电电压为15％u；脉冲输出结束时刻c1电压跌落为105％u、补偿电容c2在开关管q2的控制下按照一定的速率跌落至5％u，全程加在负载r1两端的电压为u。

对于开关管q1、q2参数的确定：开关管q1：长脉宽高压脉冲电源的输出电压一般在几十kv、输出电流在几十a，开关管q1一般采用多igbt串联的方案提高耐压能力，保证串联之后的电压和电流满足实际需求即可。

开关管q2：开关管q2的最高电压为c2两端电压，电压相对较低，实际通过的电流分为两部分：脉冲输出电流和补偿电容c2泄放的电流，在c1＝c2的情况下两部分电流相等。即流过q2的电流为脉冲输出电流的2倍；由于q2在脉冲输出阶段为高频开关的工作状态，在其他条件固定的前提下输出频率越高在补偿电容c2上产生的纹波电压越低。综上，q2一般选取高频igbt或高压mosfet，在单只耐压不足时可以多只串联。

作为本申请优选地，对于电阻r2参数的确定；电阻r2的作用是在脉冲输出阶段吸收补偿电容c2释放的能量，由于开关管q2的占空比在0-100％之间变化，可以将q2与r2组成的系统视做一个阻值可变的电阻，阻值可调的范围是r2至无穷大。r2的阻值应满足在脉冲输出阶段的最末期，c2两端的最低电压除以r2得到的电流大于脉冲电流与c2泄放电流之和。可以设定c2的最低电压为5％u即：

另外每个脉冲周期都会对r2注入一定的能量，需要保证r2有足够的功率及良好的散热条件。

对于开关管驱动信号，q1：驱动信号与输出脉宽同步，例如希望输出1000us的脉宽，只需在q1上输出1000us的驱动信号即可。q2：开关管q2与电阻r2组成一个可变电阻，在脉冲输出阶段，通过调整开关管q2的占空比来调整补偿电容c2的放电速度。实际应用中采用微处理器mcu来控制q2占空比，将预先设计好的占空比序列保存至微处理器mcu中，可以通过示波器来测试最终输出波形来反复修正q2的占空比序列直至得到满意的结果。

实施例1

为了方便表述，本申请应用于一台30kv脉冲电源，输出脉冲电流10a，最大脉宽500us，输出频率10hz，允许顶降1％。c1采用35kv/2mf电容器、开关管q1采用12组igbt(型号：ixel40n400，耐压4kv额定电流40a)串联、c2采用6kv1mf电容器；q2采用2组ixel40n400串联(型号：ixel40n400，耐压4kv额定电流40a)、r2采用大功率水泥电阻串联阻值50ω。在3kω的模拟负载r1上获得了顶降不超过1％的方波脉冲。如果采用传统的斩波技术，通过计算储能电容c1的容值至少为16.7mf。采用本实用新型，大大降低了对储能电容容量的要求，压缩了整体体积，达到了预期效果。

上述本实用新型实施例序号仅仅为了描述，不代表实施例的优劣。

在本实用新型的上述实施例中，对各个实施例的描述都各有侧重，某个实施例中没有详述的部分，可以参见其他实施例的相关描述。

最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本实用新型的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本实用新型进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本实用新型各实施例技术方案的范围。