一种基于减法运算的多种输出波形功率变换装置的制作方法

1.本发明涉及脉冲电镀领域，具体一种基于减法运算的多种输出波形功率变换装置。


背景技术：

2.随着脉冲电源在脉冲电镀、脉冲电解、高频感应加热、静电除尘器和表面热处理等领域的广泛应用。电源转换的质量引起了广泛的关注。在电镀过程中，要求电镀电源能够输出正负幅值不对称电压同时还能够输出特殊输出电压波形如：方波、三角波、锯齿波、阶梯波等。
3.目前广泛使用的电镀电源拓扑有直流电路、矩形波电路等。对于那些需要多个脉冲波形的场合，这些转换器不能满足他们的需要。同时，这些逆变器容易出现较长的处理时间。这会导致涂层厚度均匀性差和涂层缺陷等问题。脉冲电镀是一种电镀电路周期性开启和关闭的电镀方法。与普通电镀相比，该方法具有镀层光滑致密、附着力好、电流效率高、环保性能好等优点。但脉冲电镀电源只能产生矩形波和正弦波，不能满足电镀工艺对各类电压的要求。为了解决以上存在的问题，人们一直在寻求一种理想的技术解决方案。


技术实现要素：

4.针对上述情况，为克服现有技术之不足，本发明之目的就是提供一种基于减法运算的多种输出波形功率变换装置，可有效解决通过减法运算实现各种所需的波形输出的问题。
5.本发明解决的技术方案是：
6.一种基于减法运算的多种输出波形功率变换装置，包括boost升压电路a、boost升压电路b和负载ro；
7.所述boost升压电路a包括直流输入电源vd，开关管s1、s2，电感l1和有极电容c1；
8.所述boost升压电路b包括直流输入电源vd，开关管s3、s4，电感l2和有极电容c2；
9.直流输入电源vd的正极分别接电感l1的一端和电感l2的一端,电感l1的另一端分别接开关管s1的漏极和开关管s2的源极，开关管s1的源极分别接开关管s3的源极、直流输入电源vd的负极、有极电容c1的负极和有极电容c2的负极，有极电容c2的正极分别接开关管s4的漏极和负载ro的一端，负载ro的另一端分别与有极电容c1的正极和开关管s2的漏极相连。
10.所述多种输出波形功率变换装置包括四种工作模态，分别为：
11.第一工作模态：在一个开关周期t中，t0～t1期间，开关管s1、开关管s4均开通，开关管s2、开关管s3均关断，直流输入电源vd与电感l1形成回路，并向电感l1充电，电感l1的电流i
l1
线性增加；有极电容c1为负载ro提供能量；同时直流输入电源vd与电感l2、有极电容c2形成回路，并对有极电容c2进行充电，为负载ro提供能量，电感l2的电流i
l2
线性减少；
12.第二工作模态：在一个开关周期t中，t1～t2期间，开关管s1、开关管s3均开通，开关管s2、开关管s4均关断，直流输入电源vd分别与电感l1、l2形成回路，并向电感l1、l2充电，电
感l1的电流i
l1
和电感l2的电流i
l2
线性增加；有极电容c1和有极电容c2分别为负载ro提供能量；
13.第三工作模态：在一个开关周期t中，t2～t3期间，开关管s2、开关管s3均开通，开关管s1、开关管s4均关断，直流输入电源vd分别与电感l2形成回路，并向电感l2充电，电感l2的电流i
l2
线性增加；有极电容c2为负载ro提供能量；同时直流输入电源vd与电感l1、有极电容c1形成回路，对有极电容c1进行充电，并为负载ro提供能量，电感l1的电流i
l1
线性减少，有极电容c1和有极电容c2分别为负载ro提供能量；
14.第四工作模态：在一个开关周期t中，t3～t4期间，开关管s2、开关管s4均开通，开关管s1、开关管s3均关断，直流输入电源vd与电感l1、有极电容c1形成回路，对有极电容c1进行充电，并为负载ro提供能量，电感l1的电流i
l1
线性减少，同时直流输入电源vd与电感l2、有极电容c2形成回路，对有极电容c2进行充电，也为负载ro提供能量，电感l2的电流i
l2
线性减少。
15.本发明通过减法运算可以实现各种所需的波形的输出，与传统功率变换装置相比，该变换器结构简单，易于控制，只需一台功率变换器即可实现多种电压波形输出，所述功率变换装置适用于电解、电镀等需要多种输出波形的场合，具有突出的实质性特点和显著的进步。
附图说明
16.图1为本发明所述基于减法运算的多种输出波形功率变换装置结构框图。
17.图2为本发明所述基于减法运算的多种输出波形功率变换装置第一工作模态工作原理图。
18.图3为本发明所述基于减法运算的多种输出波形功率变换装置第二工作模态工作原理图。
19.图4为本发明所述基于减法运算的多种输出波形功率变换装置第三工作模态工作原理图。
20.图5为本发明所述基于减法运算的多种输出波形功率变换装置第四工作模态工作原理图。
21.图6为本发明所述基于减法运算的多种输出波形功率变换装置在四种工作模态下主要波形图。
22.图7为本发明提供的一种对图1所示装置进行控制的控制策略示意图。
23.图8为所述基于减法运算的多种输出波形功率变换装置输出负直流波形的示意图。
24.图9为所述基于减法运算的多种输出波形功率变换装置输出正直流波形的示意图。
25.图10为所述基于减法运算的多种输出波形功率变换装置输出正弦交流波形的示意图。
26.图11为所述基于减法运算的多种输出波形功率变换装置输出三角波形的示意图。
27.图12为所述基于减法运算的多种输出波形功率变换装置输出矩形波形的示意图。
具体实施方式
28.以下结合附图及实施例对本发明的具体实施方式作进一步详细说明。
29.本发明一种基于减法运算的多种输出波形功率变换装置，包括boost升压电路a、boost升压电路b和负载ro；
30.所述boost升压电路a包括直流输入电源vd，开关管s1、s2，电感l1和有极电容c1；
31.所述boost升压电路b包括直流输入电源vd，开关管s3、s4，电感l2和有极电容c2；
32.直流输入电源vd的正极分别接电感l1的一端和电感l2的一端,电感l1的另一端分别接开关管s1的漏极和开关管s2的源极，开关管s1的源极分别接开关管s3的源极、直流输入电源vd的负极、有极电容c1的负极和有极电容c2的负极，有极电容c2的正极分别接开关管s4的漏极和负载ro的一端，负载ro的另一端分别与有极电容c1的正极和开关管s2的漏极相连。
33.所述多种输出波形功率变换装置包括四种工作模态，分别为：
34.第一工作模态(t0～t1)：在一个开关周期t中，t0～t1期间，开关管s1、开关管s4均开通，开关管s2、开关管s3均关断，直流输入电源vd与电感l1形成回路，并向电感l1充电，电感l1的电流i
l1
线性增加；有极电容c1为负载ro提供能量；同时直流输入电源vd与电感l2、有极电容c2形成回路，并对有极电容c2进行充电，为负载ro提供能量，电感l2的电流i
l2
线性减少；
35.第二工作模态(t1～t2)：在一个开关周期t中，t1～t2期间，开关管s1、开关管s3均开通，开关管s2、开关管s4均关断，直流输入电源vd分别与电感l1、l2形成回路，并向电感l1、l2充电，电感l1的电流i
l1
和电感l2的电流i
l2
线性增加；有极电容c1和有极电容c2分别为负载ro提供能量；
36.第三工作模态(t2～t3)：在一个开关周期t中，t2～t3期间，开关管s2、开关管s3均开通，开关管s1、开关管s4均关断，直流输入电源vd分别与电感l2形成回路，并向电感l2充电，电感l2的电流i
l2
线性增加；有极电容c2为负载ro提供能量；同时直流输入电源vd与电感l1、有极电容c1形成回路，对有极电容c1进行充电，并为负载ro提供能量，电感l1的电流i
l1
线性减少，有极电容c1和有极电容c2分别为负载ro提供能量；
37.第四工作模态(t3～t4)：在一个开关周期t中，t3～t4期间，开关管s2、开关管s4均开通，开关管s1、开关管s3均关断，直流输入电源vd与电感l1、有极电容c1形成回路，对有极电容c1进行充电，并为负载ro提供能量，电感l1的电流i
l1
线性减少，同时直流输入电源vd与电感l2、有极电容c2形成回路，对有极电容c2进行充电，也为负载ro提供能量，电感l2的电流i
l2
线性减少。
38.为保证使用效果，所述开关管s1、s2、s3、s4均采用nmos管；其中，开关管s1和s2、开关管s3和s4导通占空比互补。v
gs1
、v
gs2
、v
gs3
、v
gs4
为所述开关管s1、s2、s3、s4栅极电压，当栅极电压为高电平，开关管导通，当栅极电压为低电平，开关管关断；
39.所述功率变换装置输出电压vo为两个输出电容c1、c2之间的电压差：vo＝v
1-v2，其中v1为有极电容c1电压，v2为有极电容c2电压；在一个开关周期t中，开关管s1开通时间为d1t，开关管s2开通时间为(1-d1)t，开关管s3开通时间为d3t，开关管s4开通时间为(1-d3)t，其中d1为开关管s1的占空比，d3为开关管s3的占空比；
40.对所述四种模态下的电感进行分析，得出电感l1的电压v
l1
和电感l2的电压v
l2
分别为：
[0041][0042][0043]
根据电感的伏秒平衡定理，对电感l1、l2列写伏秒平衡方程式：
[0044][0045][0046]
进一步可得：
[0047]vd
d1t+(v
d-v1)(1-d1)t＝0
[0048][0049]vd
d3t+(v
d-v2)(1-d3)t＝0
[0050][0051]
进一步可得：所述功率变换装置输出电压为
[0052][0053]
输出电压由vd、d1、d3共同决定，改变d1、d3可以得到所需的正弦交流、正负直流、三角波、矩形波输出电压。
[0054]
本实施例给出一种本发明控制策略，如图7所示，电压控制回路采样输出电容c1、c2电压v1、v2，然后分别与参考电压v
ref1
、v
ref2
进行比较。最后通过调整开关管s1的占空比d1，开关管s1的占空比d1，得到期望输出电容电压进而输出所需输出电压。同时，在电压回路中建立电流回路，电流控制回路采样电感l1、l2电流i
l1
、i
l2
，分别与参考电流i
l1ref
、i
l2ref
进行比较，进而来补偿系统的静力差，电压控制回路用于跟踪所设计的电容参考电压，电流控制回路用于跟踪电压控制回路产生的感应电流。
[0055]
设定输出电压vd＝36v；l1＝l2＝100uh；c1＝c2＝100uf；负载ro＝100ω；开关频率f＝100khz。若v
ref1
＝30v；v
ref2
＝40v，此时vo＝v
1-v2＝-10v，如图8所示。若v
ref1
＝40v；v
ref2
＝30v。此时vo＝v
1-v2＝10v，如图9所示。若设定v
ref1
，v
ref2
分别为正弦波，三角波或矩形波，则所述功率变换装置能够输出相应正弦波，三角波或矩形波。
[0056]
综上，本发明通过减法运算可以实现各种所需的波形的输出，与传统功率变换装置相比，该变换器结构简单，易于控制，只需一台功率变换器即可实现多种电压波形输出，所述功率变换装置适用于电解、电镀等需要多种输出波形的场合，具有突出的实质性特点
和显著的进步，社会和经济效益显著。