专利名称：级联式单相双极性高压方波脉冲电源及使用方法
技术领域：
本发明涉及高压脉冲电源技术领域，具体为一种级联式单相双极性高压方波脉冲电源及使用方法。
背景技术：
随着电力电子技术的发展，大功率变频调速系统得到广泛应用，为保证使用安全和寿命，其中的变频调速电机的绝缘材料和绝缘结构需要在高压脉冲电应力下进行加速老化寿命评估实验。该加速老化寿命评估实验系统中的关键为高压对称双极性方波脉冲电源，要求输出的高压方波脉冲峰峰值达到千伏以上，且需满足脉冲边沿快速变化、过冲和脉冲顶降的要求。由于现有电力电子器件的耐压性能的限制，常规的单相桥式逆变电路可以获得对称双极性方波电压，其波形也符合要求，单其电压等级仅为IKV峰峰值以下，无法达到绝缘材料方波脉冲电应力加速老化寿命试验等所需的方波脉冲电源的高压要求；利用脉冲变压器升压，虽然脉冲峰峰值可达要求，但难以满足脉冲边沿快速变化、波形失真小的要求。利用多个桥式逆变电路产生的IKV对称方波脉冲电源级联叠加，可以获得对称双极性高压方波脉冲电源，但这需要级联的多个桥式逆变电路在电器上隔离并同步工作，而且要求隔离电压不低于脉冲电压的峰峰值。为了实现同步工作，需要一个共同的脉冲同步控制信号，并隔离且同步的传送到每一个级联的桥式逆变电路。高速光电耦合器件具有较好的脉冲隔离传送性能，但隔离电压不能满足绝缘材料加速老化用级联式单相双极性高压方波脉冲电源，故当前主要采用脉冲变压器隔离传送方式；脉冲变压器隔离传送可以满足隔离电压的要求，但存在传送同步性不好且要求脉冲频率不变化，不适应脉冲频率按实验标准变化时同步脉冲信号传输要求，用这样的隔离传送方法，多个桥式逆变电路级联时，总的方波脉冲电源电压幅值可以满足要求，但脉冲上升时间和脉冲上升沿波形变差。故目前缺少一种适合电工绝缘材料和绝缘结构加速老化寿命评估用对称双极性高压脉冲电源。
发明内容
本发明的目的是设计一种级联式单相双极性高压方波脉冲电源，包括与脉冲控制信号产生模块相连接的级联的多个单相桥式脉冲逆变电路，输出所需要电压等级的双极性高压方波脉冲。本发明的另一目的是设计上述级联式单相双极性高压方波脉冲电源的使用方法， 脉冲控制信号产生模块发出的双极脉冲控制信号控制多个单相桥式脉冲逆变电路单元的同步工作，多个同步工作的单相脉冲逆变电路单元高隔离度级联，得到所需要电压等级的双极性高压方波脉冲。本发明设计的级联式单相双极性高压方波脉冲电源包括单相桥式脉冲逆变电路， 还包括脉冲控制信号产生模块、脉冲分配模块，脉冲分配模块含有连接器集成电路和光发射器，各逆变电路单元包括一个单相桥式脉冲逆变电路和一组光接收器，每组光接收器包含接收正负信号的2个光接收器；光接收器的电信号输出端接入单相桥式脉冲逆变电路的控制端。脉冲控制信号产生模块为产生相位相差180度、脉冲宽度相同的两个脉冲控制信号PC+和PC-的微处理器或智能逻辑电路模块，脉冲控制信号产生模块接有η个相同的脉冲分配模块，η为1 6的整数；每个脉冲分配模块含有一个连接器集成电路和m组相同的光发射器，m为1 4的整数，每组光发射器包含发射正负信号的2个光发射器；配置与脉冲分配模块的m ·η组光发射器相配合的同样数量的相同的逆变电路单元，各光发射器和光接受器分别由两路光纤连接。各逆变电路单元的单相桥式脉冲逆变电路的输出端串联后的输出端为本单相双极性高压方波脉冲电源的输出端。脉冲控制信号产生模块产生的两个脉冲控制信号PC+和PC-之间的死区时间为 200ns 1000ns，脉冲重复周期为50 μ s 1000 μ s。各逆变电路单元的2个光接收器输出的电信号，接入该逆变电路单元的逻辑门电路，所得4个控制信号分别经光耦隔离驱动电路接入单相桥式脉冲逆变电路4个桥臂功率晶体管的控制端。本发明级联式单相双极性高压方波脉冲电源的使用方法为脉冲控制信号产生模块产生相位相差180度、脉冲宽度相同的两个脉冲控制信号PC+禾口 PC-，PC+和PC-之间的死区时间为200ns 1000ns，脉冲重复周期为50 μ s 1000 μ S ；送入所接的η个脉冲分配模块；各脉冲分配模块的连接器集成电路将输入的脉冲控制信号PC+和PC-转换为m 组脉冲同步控制信号，第一个脉冲分配模块的连接器集成电路产生m组脉冲同步控制信号(Pll+, P11-) (Plm+、Plm-)，送入该模块的 m 组光发射器(TX11+、TX11-) (TXlm+、 TXlm-)；以此类推，第η个脉冲分配模块的连接器集成电路产生m组脉冲同步控制信号 (Pnl+, Pnl-) (Pnm+、Pnm-)，送入本模块的 m 组光发射器(Tftil+、TXnl-) (TXnm+、 TXnm-)；各组同步控制信号在光发射器转换为光信号，经光纤隔离传送到各逆变电路单元中的各组光接收器(RXnl+、RXnl-) (RXnm+、RXnm-)。各逆变电路单元中的各光接收器将接收的光信号转换为电信号，分别送入由具有斯密特特性的逻辑门电路进行脉冲整形产生 4路控制信号，再分别经过光耦隔离驱动电路驱动作为单相桥式脉冲逆变电路4个桥臂上功率晶体管的控制信号，控制逆变桥同步工作，η · m个逆变电路单元的单相桥式脉冲逆变电路产生同步的相同的单相双极性方波脉冲，η ·πι个单相桥式脉冲逆变电路的输出端串联后的输出端为本单相双极性高压方波脉冲电源输出端。本发明级联式单相双极性高压方波脉冲电源的使用方法的优点为1、可产生多达 24组脉冲同步控制信号，实现对多达M个单相桥式脉冲逆变电路的同步控制，多个单相桥式脉冲逆变电路同步工作，产生多个同步方波脉冲电压，级联后即可获得所需电压等级的高性能双极性方波电压；2、解决了同步控制信号的高隔离度传输，保证各脉冲逆变电路同步工作；3、各电路模块均采用现有元器件和集成电路，易于实现；4、适合用作于高压脉冲绝缘老化试验的高压脉冲电源。
图1为本级联式单相双极性高压方波脉冲电源实施例的结构示意图。具体实施例方式级联式单相双极性高压方波脉冲电源实施例本级联式单相双极性高压方波脉冲电源实施例如图1所示，包括脉冲控制信号产生模块、脉冲分配模块和逆变电路单元，本例脉冲控制信号产生模块为产生相位相差180 度、脉冲宽度相同的两个脉冲控制信号PC+和PC-的微处理器，所产生的两个脉冲控制信号 PC+和PC-之间的死区时间为500ns，脉冲重复周期为500 μ S。脉冲控制信号产生模块接有2个相同的脉冲分配模块；每个脉冲分配模块含有一个连接器集成电路和4组相同的光发射器，每组光发射器包含发射正负信号的2个光发射器；配置4个相同的逆变电路单元， 每个逆变电路单元包括一个单相桥式脉冲逆变电路和一组光接收器，每组光接收器包含接收正负信号的2个光接收器；每个逆变电路单元的2个光接收器的电信号输出端接入逻辑门电路，所得4个控制信号分别经光耦隔离驱动电路接入单相桥式脉冲逆变电路4个桥臂功率晶体管的控制端。各光发射器和光接受器分别由两路光纤连接。2个逆变电路单元的8个单相桥式脉冲逆变电路的输出端串联后的输出端为本单相双极性高压方波脉冲电源的输出端。本级联式单相双极性高压方波脉冲电源的使用方法实施例本例使用的是上述级联式单相双极性高压方波脉冲电源实施例。脉冲控制信号产生模块产生相位相差180度、脉冲宽度相同的两个脉冲控制信号 PC+和PC-，PC+和PC-之间的死区时间为500ns，脉冲重复周期为500 μ s ；送入所接的2个脉冲分配模块；2个脉冲分配模块的连接器集成电路分别将输入的脉冲控制信号PC+和PC-转换为4组脉冲同步控制信号，脉冲分配模块1的连接器集成电路产生4组脉冲同步控制信号Pll+和Pll-送入第11组光发射器TXll+和TXll-；P12+和P12-送入第12组光发射器TX12+和TX12-；P13+和P13-送入第13组光发射器TX13+和TX13-；P14+和P14-送入第14组光发射器TX14+和TX14-；脉冲分配模块2的连接器集成电路产生4组脉冲同步控制信号P21+和P21-送入第21组光发射器TX21+和TX21-；P22+和P22-送入第22组光发射器TX22+和TX22-；P23+和P23-送入第23组光发射器TX23+和TX23-；P24+和P24-送入第24组光发射器TX24+和TX24-。各组同步控制信号在光发射器转换为光信号，经光纤隔离传送到逆变电路单元1 中的各组光接收器(RX11+、RX11_) (RX14+、RX14_)和逆变电路单元2中的各组光接收器 (RX21+、RX21_) (RXM+、RXM-)。各逆变电路单元的各光接收器将接收的光信号转换为电信号后，分别送入由具有斯密特特性的逻辑门电路进行脉冲整形产生4路控制信号，再各经过光耦隔离驱动电路驱动作为单相桥式脉冲逆变电路4个桥臂上功率晶体管的控制信号，控制逆变桥同步工作。本例8个逆变电路单元的单相桥式脉冲逆变电路产生同步的相同的单相双极性方波脉冲，它们的输出端串联后的输出端为本单相双极性高压方波脉冲电源输出端。上述实施例，仅为对本发明的目的、技术方案和有益效果进一步详细说明的具体个例，本发明并非限定于此。凡在本发明的公开的范围之内所做的任何修改、等同替换、改进等，均包含在本发明的保护范围之内。
权利要求
1.级联式单相双极性高压方波脉冲电源，包括单相桥式脉冲逆变电路，其特征在于还包括脉冲控制信号产生模块、脉冲分配模块和逆变电路单元，脉冲分配模块含有连接器集成电路和光发射器，各逆变电路单元包括一个单相桥式脉冲逆变电路和一组光接收器，每组光接收器包含接收正负信号的2个光接收器，光接收器的电信号输出端接入单相桥式脉冲逆变电路的控制端；脉冲控制信号产生模块为产生相位相差180度、脉冲宽度相同的两个脉冲控制信号PC+和PC-的微处理器或智能逻辑电路模块，脉冲控制信号产生模块接有η个相同的脉冲分配模块，η为1 6的整数；每个脉冲分配模块含有一个连接器集成电路和m组相同的光发射器，m为1 4的整数，每组光发射器包含发射正负信号的2个光发射器；配置与脉冲分配模块的πι·η组光发射器相配合的同样数量的相同的逆变电路单元，各光发射器和光接受器分别由两路光纤连接；各逆变电路单元的单相桥式脉冲逆变电路的输出端串联后的输出端为本单相双极性高压方波脉冲电源的输出端。
2.根据权利要求1所述的级联式单相双极性高压方波脉冲电源，其特征在于所述脉冲控制信号产生模块产生的两个脉冲控制信号PC+和PC-之间的死区时间为 200ns 1000ns，脉冲重复周期为50 μ s 1000 μ s。
3.根据权利要求1所述的级联式单相双极性高压方波脉冲电源，其特征在于各逆变电路单元的2个光接收器输出的电信号，接入该逆变电路单元的逻辑门电路， 所得4个控制信号分别经光耦隔离驱动电路接入单相桥式脉冲逆变电路4个桥臂功率晶体管的控制端。
4.根据权利要求1至3中任一项所述的级联式单相双极性高压方波脉冲电源的使用方法，其特征在于脉冲控制信号产生模块产生相位相差180度、脉冲宽度相同的两个脉冲控制信号PC+ 和PC-，送入所接的η个脉冲分配模块；各脉冲分配模块的连接器集成电路将输入的脉冲控制信号PC+和PC-转换为m组脉冲同步控制信号，第一个脉冲分配模块的连接器集成电路产生m组脉冲同步控制信号(P11+、 P11-) (戸1111+、？1111-)，送入该模块的111组光发射器(TX11+、TX11_) (TXlm+,TXlm-)；以此类推，第η个脉冲分配模块的连接器集成电路产生m组脉冲同步控制信号(Pnl+、Pnl-) (Pnm+Jnm-)，送入本模块的 m 组光发射器(Tftil+、Tftil-) (TXnm+、TXnm-)；各组同步控制信号在各光发射器转换为光信号，经光纤隔离传送到各逆变电路单元中的各组光接收器(RXnl+、RXnl-) (RXnm+、RXnm-)，各逆变电路单元中的各光接收器将接收的光信号转换为电信号，分别送入单相桥式脉冲逆变电路的控制端，nm个逆变电路单元的单相桥式脉冲逆变电路产生同步的相同的单相双极性方波脉冲，nm个单相桥式脉冲逆变电路的输出端串联后的输出端为本单相双极性高压方波脉冲电源输出端。
5.根据权利要求4所述的级联式单相双极性高压方波脉冲电源的使用方法，其特征在于各逆变电路单元的2个光接收器输出的电信号，接入该逆变电路单元的逻辑门电路， 所得4个控制信号分别经光耦隔离驱动电路接入单相桥式脉冲逆变电路4个桥臂功率晶体管的控制端；所述各逆变电路单元的各光接收器转换所得电信号由具有斯密特特性的逻辑门电路进行脉冲整形产生4路控制信号，再分别经过光耦隔离驱动电路驱动作为单相桥式脉冲逆变电路4个桥臂上功率晶体管的控制信号，控制逆变桥同步工作。
全文摘要
本发明为级联式单相双极性高压方波脉冲电源及使用方法，本电源的脉冲控制信号产生模块接有n个相同的脉冲分配模块，各含连接器集成电路和m组相同的光发射器；配置m·n个相同的逆变电路单元，各逆变电路单元含一组光接收器及单相桥式脉冲逆变电路。各光发射器和光接受器由两路光纤连接。各单相桥式脉冲逆变电路的输出端串联为本电源的输出端。使用方法为脉冲控制信号产生模块的两个脉冲控制信号送入n个脉冲分配模块，各转换为m组脉冲同步控制信号，经光传输控制n·m个逆变电路分别产生同步相同单相双极性方波脉冲，串联为本电源输出。本发明可产生多达24组高隔离度传输的脉冲同步控制信号，级联后获得所需电压等级的高性能双极性方波电压。
文档编号H02M9/00GK102412754SQ201110441078
公开日2012年4月11日 申请日期2011年12月26日 优先权日2011年12月26日
发明者张声岚, 蒋存波, 赵立根, 钱三来 申请人:桂林电器科学研究院