一种重复频率脉冲功率电流源的制作方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及脉冲功率技术领域，尤其涉及一种重复频率脉冲功率电流源。
【背景技术】
[0002]脉冲功率电源是一种在一个相对长的时间内积累能量并将其快速释放的特殊电源，其目的是提高瞬态功率。脉冲的特征参量包括电压水平，上升时间等取决于脉冲负载的需求。最初始的脉冲电源是单脉冲的，用于军事和核工业中产生极高的峰值功率，而重复频率的脉冲功率的电压等级较低，却被广泛地应用于食品加工、医学治疗、废水处理、废气处理、臭氧制造、发动机点火，离子注入、材料加工等。
[0003]传统的Marx发生器，磁脉冲压缩，脉冲形成网络等方案存在效率低、灵活性差和结构复杂等缺点。在电力电子技术和功率半导体技术迅速发展的今天，开关变换器被用来制作脉冲功率电源。由于大多数的脉冲功率应用场合具有阻容或感容特性，因此电流源型拓扑可用来提供脉冲功率。
[0004]目前脉冲电流源常采用的拓扑有:Buck拓扑、Buck和桥式逆变器串联、同步Buck型拓扑以及Buck-Boost拓扑等。这些buck类衍生拓扑通常通过反馈环路来做电压调节和过流保护。控制环路的响应时间比输出负载脉冲边沿的暂态变化慢得多。因此，功率变换滞后于脉冲边沿需求并且会在脉冲开始时形成脉冲上升速率慢和脉冲超调，而在脉冲结束时会形成脉冲拖尾。更重要的是，控制环路不能在一个开关周期内响应输入电压和输出电压的快速变化，无法跟踪脉冲负载的暂态变化的边沿。这种情况下，脉冲电流源就无法满足类似激光栗浦、激光照明等应用场合对脉冲边沿陡度的要求。
【发明内容】
[0005]针对现有技术中存在的缺陷或不足，本发明所要解决的技术问题是:提供一种重复频率脉冲功率电流源，具备中间储能装置充电功率的自动控制，脉冲发生拓扑结构简单，控制精确，动态响应快，脉冲边沿陡峭，能量回馈再生，可控重复频率和脉冲宽度等特点。
[0006]为了实现上述目的，本发明采取的技术方案为提供一种重复频率脉冲功率电流源，包括初级能量变换环节、中间储能装置和脉冲形成拓扑，所述初级能量变换环节包括变换器、第一电流检测电路、电压电流双环控制电路、储能装置、储能装置电压检测电路，所述电压电流双环控制电路用于控制变换器工作，所述第一电流检测电路用于给所述电压电流双环控制电路提供检测能量，所述储能装置用于接收储蓄从变换器提供过来的能量，所述储能装置电压检测电路用于对所述储能装置进行电压检测；
所述中间储能装置包括电容阵、超级电容及蓄电池；
所述脉冲形成拓扑包括低边buck型变换器、脉冲控制开关、滞环控制电路、第二电流检测电路和时序控制电路，所述第二电流检测电路用于对所述滞环控制电路提供检测能量，所述滞环控制电路控制所述低边buck型变换器的通断，所述脉冲控制开关包括串联的第一脉冲控制开关和第二脉冲控制开关，所述第一脉冲控制开关和所述第二脉冲控制开关由所述时序控制电路控制开通或关断。
[0007]作为本发明的进一步改进，所述低边buck型变换器包括主功率变换开关、拓扑电感、续流二极管、负载续流二极管、能量回馈二极管，所述主功率变换开关负责将所述中间储能装置的能量通过该开关通断的方式变换获得脉冲负载需求的能量形式；所述拓扑电感用于所述主功率变换开关在进行能量变换过程中的能量压缩；所述续流二极管用于主功率变换开关关断时给储能电感提供续流回路；所述负载续流二极管用于为脉冲负载的感性部分提供续流回路，并使得负载获得较陡的脉冲边沿；所述能量回馈二极管，是在脉冲发生期间为电感中存储的剩余能量提供流通路径，并经过该路径将能量回馈到储能装置中；所述负载续流二极管与所述第一脉冲控制开关和所述第二脉冲控制开关并联。
[0008]作为本发明的进一步改进，所述第一电流检测电路或者所述第二电流检测电路为霍尔电流检测电路、采样电阻加仪表放大器的采样电路、采样电阻加电流镜的采样电路。
[0009]作为本发明的进一步改进，所述变换器为AC/DC变换器或DC/DC变换器。
[0010]作为本发明的进一步改进，所述储能装置电压检测电路为电阻分压网络检测电路或差分比例电压检测电路。
[0011]本发明的有益效果是:实现脉冲功率发生和脉冲功率间歇阶段初级能源向中间储能装置充电电流大小的自动控制；采用功率开关管在低边的buck拓扑作为功率变换电路，电路简单易于实现；控制精确，动态响应快；脉冲边沿陡峭，能实现能量的回馈再生；可改变脉冲功率发生的重复频率和脉冲宽度。
【附图说明】
[0012]图1是本发明脉冲电流源系统方案框图；
图2是本发明脉冲电流源的开关时序图；
图3是本发明脉冲电流源的电感电流和负载脉冲电流波形图；
图4是本发明脉冲电流源的脉冲指令、S1、S2和S3的波形图；
图5是本发明脉冲电流源的脉冲指令、SI负载脉冲电流和电感电流波形图；
其中数字表示:1、变换器；2、第一检测电路；3、储能装置电压检测电路；4、储能装置；5、电压电流双环控制；6、第二电流检测电路；7、滞环控制；8、时序控制；9、脉冲负载。
【具体实施方式】
[0013]下面结合【附图说明】及【具体实施方式】对本发明进一步说明。
[0014]所述滞环控制电路控制所述主功率变换开关的通断
如图1所示，本发明提供一种重复频率脉冲功率电流源，包括初级能量变换环节、中间储能装置和脉冲形成拓扑，所述初级能量变换环节包括变换器1、第一电流检测电路2、电压电流双环控制电路5、储能装置4、储能装置电压检测电路3，所述电压电流双环控制电路5用于控制变换器I工作，所述第一电流检测电路2用于给所述电压电流双环控制电路5提供检测能量，所述储能装置4用于接收储蓄从变换器I提供过来的能量，所述储能装置电压检测电路3用于对所述储能装置4进行电压检测；
如图1所示，所述中间储能装置包括电容阵、超级电容及蓄电池；
如图1所示，所述脉冲形成拓扑包括低边buck型变换器、脉冲控制开关、滞环控制电路7、第二电流检测电路6和时序控制电路8，所述第二电流检测电路6用于对所述滞环控制电路7提供检测能量，所述滞环控制电路7控制所述低边buck型变换器的通断，所述脉冲控制开关包括串联的第一脉冲控制开关S2和第二脉冲控制开关S3，所述第一脉冲控制开关S2和所述第二脉冲控制开关S3由所述时序控制电路8控制开通或关断。滞环控制电路的实现是检测电感电流，并将之与电感电流的最大、最小设定值进行比较，并结合脉冲指令实现对主功率开关管SI的控制。
[0015]如图1所示，所述低边buck型变换器包括主功率变换开关S1、拓扑电感L、续流二极管Dl、负载续流二极管D3、能量回馈二极管D2，S1为主功率变换开关，S2和S3为脉冲形成控制开关，L为拓扑电感，Dl为续流二极管，D2为能量回馈二极管，D3为负载续流二极管，防止S3关断时负载连接线的感性特性造成的电压尖峰。
[0016]所述主功率变换开关SI负责将所述中间储能装置的能量通过该开关通断的方式变换获得脉冲负载需求的能量形式；所述拓扑电感L用于所述主功率变换开关SI在进行能量变换过程中的能量压缩；所述续流二极管Dl用于主功率变换开关SI关断时给储能电感提供续流回路；所述负载续流二极管D3用于为脉冲负载9的感性部分提供续流回路，并使得负载获得较陡的脉冲边沿；所述能量回馈二极管D2，是在脉冲发生期间为电感中存储的剩余能量提供流通