一种非对称波形脉冲电源的制作方法
【专利摘要】一种非对称波形脉冲电源，用于将高压直流输入转换成非对称脉冲方波输出。所述非对称波形脉冲电源包括由MOSFET管组成的用于将所述高压直流输入逆变后输出脉冲方波的MOSFET半桥电路，用于产生正负双路PWM信号的脉冲宽度调制电路，以及用于根据脉冲宽度调制电路产生的正负双路PWM信号控制MOSFET半桥电路中的MOSFET管的导通与截止的隔离驱动电路。其中，所述隔离驱动电路包括隔离变压器，用于隔离MOSFET半桥电路中的强电信号与脉冲宽度调制电路中的弱电信号。
【专利说明】一种非对称波形脉冲电源
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种，特别涉及一种脉冲电源的非对称波形脉冲电源。
【背景技术】
[0002]随着社会的发展，人们对生活质量尤其是环境质量的期望及要求日益提高，这使得对环境的实时快速检测凸显得相当重要。现有的环境检测装置检测时间长、体积庞大、成本高，远远不能满足当前的日常需求。为了克服现有检测技术的不足，基于高场非对称波形离子迁移谱(High-field Asymmetric Waveform 1n Mobility Spectrometry, FAIMS)技术的离子检测器由于具有灵敏度高、检测时间短、检测物质广、体积小以及成本低等优点，可用于大气、有毒气体、水有机污染物、爆炸物、化学战剂等的快速检测，在环境检测、公共安全和生化战场领域开始被广泛应用。
[0003]高场非对称波形离子迁移谱技术是建立在Mason和McDaniel实验观察的基础上，他们发现离子迁移率(1n Mobility)K受所施加的电场强度影响。在低电场条件下，离子迁移率K与电场强度无关，当电场强度高于约IlOOOV/cm时，离子迁移率K就会以一种非线性的方式随电场强度而变化。在高电场条件下，离子迁移率K与电场强度E的关系可表示如下:
[0004]K = K0*[l+a jE/NV+a 2_)4+…](I)
[0005]其中，Ktl为离 子在低电场中的迁移率，a为离子迁移率系数，E为电场强度，N为气体密度。令:
[0006]a (E) = [ a ! (E/N)2+ a 2 (E/N)4+…](2)
[0007]则⑴式可简化为:
[0008]K = K。* [1+a (E)] (3)
[0009]由(3)式可知，K对于每一离子种类是特定的，这就使得低电场强度条件下离子迁移率相同或相近的离子能够在高电场强度条件下被分离开来。
[0010]当把一个高频且幅值不对称波形电压施加在由一对电极板所构成的狭窄空间形成一高频变化的电场，当有气流携带离子通过时，离子就会受电场力的作用在两个电极板之间沿电场线方向发生振动，并与气流流速形成合运动，不同迁移率飞离子就会发生分离。若在加高频脉冲的同时，电极板上再有一直流电压产生电场，并使这个电场对离子产生的电场力与离子净位移方向相反，那么特定离子在特定电压下的轨迹就会被“拉直”。这种特定离子会沿着电极中线到达离子检测端，而其他离子则会碰撞到极板无法通过，从而达到离子检测的目的。
[0011]目前，在基于FAMS的离子检测过程中，符合FAMS要求的高场非对称波形电源非常关键，其波形质量直接影响到离子检测器性能。
【发明内容】
[0012]有鉴于此，本发明的目的在于提出一种非对称波形脉冲电源。[0013]本发明实施例中的高频高压非对称脉冲电源用于将高压直流输入转换成非对称脉冲方波输出。所述非对称波形脉冲电源包括由MOSFET管组成的用于将所述高压直流输入逆变后输出脉冲方波的MOSFET半桥电路，用于产生正负双路PWM信号的脉冲宽度调制电路，以及用于根据脉冲宽度调制电路产生的正负双路PWM信号控制MOSFET半桥电路中的MOSFET管的导通与截止的隔离驱动电路。其中，所述隔离驱动电路包括隔离变压器，用于隔离MOSFET半桥电路中的强电信号与脉冲宽度调制电路中的弱电信号。
【专利附图】
【附图说明】
[0014]为让本发明上述目的和其它特征、优点与实施例能更明显易懂，所附附图的详细说明如下:
[0015]图1所示为FAMS系统理想的非对称脉冲电压示意图；
[0016]图2所示为本发明实施方式中非对称波形脉冲电源的系统架构图；
[0017]图3所示为本发明实施方式中非对称波形脉冲电源的PWM信号源电路图；
[0018]图4所示为本发明实施方式中非对称波形脉冲电源的MOSFET栅极驱动电路图；
[0019]图5所示为本发明实施方式中非对称波形脉冲电源的MOSFET半桥电路图；
[0020]图6所示为本发明实施方式中MOSFET半桥电路的保护电路图。
[0021]图7所示为本发明实施方式中参考电压源电路图。
【具体实施方式】
[0022]下文将结合附图对本发明的具体内容予以阐述，如无特别说明，本发明所示的附图中，相同的标号表示同样的装置或元件。尽管本发明所示的具体实施例提供了最佳实施方式，但本领域的技术人员应当了解，本文所列出的具体实施例仅为阐明本发明的精神与要旨，而不应理解为对本发明的任何限制。
[0023]在高场非对称波形离子迁移谱(High-fieldAsymmetric Waveform 1n MobilitySpectrometry, FAIMS)系统中，用于产生高频高压非对称方波波形的脉冲电源至关重要。理想的非对称波形如图1所示，其中上下阴影部分面积相等，即:
[0024]V+Xt2 = V-Xt1
[0025]为产生上述理想波形，本发明【具体实施方式】中的高频高压非对称波形脉冲电源200包括一种MOSFET半桥电路203，用于将高压直流电源提供的直流高压逆变成高压脉冲信号。
[0026]如图2所示，本发明的【具体实施方式】中的高频高压非对称脉冲电源200包括PWM(Pulse Width Modulation，脉冲宽度调制)电路201、隔离驱动电路202、M0SFET半桥电路203、保护电路204以及参考电压源205。PWM电路201用于提供占空比、频率和死区时间均可调的正负双路PWM信号。隔离驱动电路202用于根据PWM源电路201提供的正负双路P丽信号控制MOSFET半桥电路203中的MOSFET管的导通与截止。MOSFET半桥电路203用于将高压直流输入，例如2kV的直流电压输入经过逆变后，输出符合FAMS系统需求的高压脉冲方波。保护电路204用于实现MOSFET的动静态保护，防止MOSFET半桥电路短路或MOSFET器件因过压或过流烧坏。参考电压源205主要为上述各电路中的模块及芯片提供电源。在本发明实施方式中，各种芯片工作电压包括5V和12V两种，为保证隔离驱动电路202在驱动MOSFET半桥电路203中的各个MOSFET管的快速导通的过程中有足够的驱动能力，本发明实施方式中的参考电压源205包括Linear Technology公司的线性变压芯片LT1084-12和LT1084-5，并配合变压器和整流桥实现市电220V到直流12V和5V的转换。
[0027]图3所示为本发明【具体实施方式】中的PWM电路201。在本发明【具体实施方式】中，所述PWM电路201包括TI公司的TL494CN芯片，用于进行脉宽调制，并包括非门电路74HC04，用于实现PWM的反向和整形，最后利用死区生成电路形成最终控制上下桥臂开关的PWM双路反向信号。
[0028]如图3所示，本实施方式中的TL494CN芯片采用12V直流电压供电，并通过瓷片电容C20去耦合。由电阻R17和电容C21构成的RC振荡器控制着PWM输出信号的频率，调节可变电阻R17可改变输出PWM频率，调节可变电阻R16可改变输出PWM占空比。由于脉宽调制芯片TL494CN生成的PWM信号为单路信号，在本发明实施方式中，为实现同时控制MOSFET半桥电路203上下桥臂，将该单路信号输入到非门电路74HC04中。在本发明实施方式中，非门电路74HC04集成了 6个非门，首先将该单路PWM信号从管接脚IA输入非门1，其输出与输入形成了反向。非门I的输出经管接脚IY输出后分为两路，其中一路经过第一死区电路进入非门6，另外一路输入非门3然后再经过第二死区电路最后输入非门4。经过这样的处理，非门6输出的PWM信号PWM_H的极性与所述单路PWM信号的极性相同，而非门4输出的PWM信号PWM_L的极性与所述单路PWM信号的极性相反，这样便生成了带死区的极性相反的PWM信号。在本发明【具体实施方式】中，第一死区电路包括并联连接的电阻R10、二极管DlO以及可变电阻R18，第二死区电路包括并联连接的电阻R28、二极管D16以及可变电阻R27。改变第一或第二死区电路中可变电阻R18或者R27的阻值，可以实现死区时间的调节，从而避免半桥电路(图5所示)上下桥臂同时导通导致高压直流对地短路，提高系统可靠性。
[0029]在本发明实施方式中的高频高压非对称脉冲电源200中，由于PWM信号功率小，不足以直接驱动开关器件，因此需要将PWM信号进行功率放大后才能驱动MOSFET半桥电路203中的各个MOSFET管的导通/截止。当MOSFET半桥电路203的电压峰值达到2kV，频率达到200kHz时，PWM电路201等低压控制回路会受到MOSFET半桥电路203的强烈干扰。因此，在本发明非对称脉冲电源系统200的【具体实施方式】中，采用隔离驱动电路202来消除MOSFET半桥电路203对PWM信号的干扰。
[0030]由于桥式电路中每个MOSFET管的驱动必须隔离，而本发明实施方式中MOSFET半桥电路203的上下桥臂分别为两管串联的结构，因此共需要4路相互隔离的驱动信号。本文采用的变压器隔离驱动方式，不仅结构简单，而且与高压回路隔离度高，仅仅需要一套电源给驱动回路供电即可，具体电路如图4所示。
[0031]在本发明【具体实施方式】中，由于MOSFET半桥电路203中的每个MOSFET管的驱动电路相同，为了简化说明，本实施方式以图4所示的MOSFET管Ql的驱动电路为例进行说明，其他MOSFET管Q2、Q3以及Q4的驱动电路与Ql的驱动相同，因此不再赘述。在本实施方式中，MOSFET管Ql的隔离驱动电路202采用IXYS公司生产的驱动器IXDD409，其栅极驱动峰值电流可达到9A，能够极大地加快MOSFET管Ql的导通速度，进而减小开关损耗。IXDD409采用12V直流电压供电，并通过电容Cl进行耦合，同时为保证所驱动的MOSFET在导通过程能够尽可能大的提供驱动电流，本发明实施方式中的快速驱动器IXDD409采用电容C5储能。驱动器IXDD409的接脚EN是使能端，连接高电平信号使能芯片，接脚IN接PWM输入信号，两个接脚OUT为驱动信号输出端，此时输出的MOSFET栅极驱动信号正负幅值可达12V，而本发明实施方式中所采用的IXYS3N120型MOSFET管Ql的栅极导通电压为3.5V,因此输出的12V驱动信号能够保证MOSFET管Ql的导通。IXDD409输出的驱动信号经过电容C2与隔离变压器Tl以实现强电与弱电的隔离，其中隔离变压器Tl的变比为1:1，具体参数如表1所示。
[0032]表1脉冲变压器参数
[0033]
【权利要求】
1.一种非对称波形脉冲电源，用于将高压直流输入转换成非对称脉冲方波输出，其特征在于，所述非对称波形脉冲电源包括: MOSFET半桥电路，由MOSFET管组成，用于将所述高压直流输入逆变后输出脉冲方波； 脉冲宽度调制电路，用于产生PWM信号； 隔离驱动电路，用于根据脉冲宽度调制电路产生的PWM信号控制MOSFET半桥电路中的MOSFET管的导通与截止； 其中，所述隔离驱动电路包括隔离变压器，用于隔离MOSFET半桥电路中的强电信号与脉冲宽度调制电路中的弱电信号。
2.根据权利要求1所述的非对称波形脉冲电源，其特征在于，所述MOSFET半桥电路中的每个MOSFET管的源极与漏极之间并联联接保护电路，用于吸收过冲电压。
3.根据权利要求1所述的非对称波形脉冲电源，其特征在于，所述MOSFET半桥电路中的每个MOSFET管 的源极和漏极间并联联接相同阻值电阻。
4.根据权利要求1所述的非对称波形脉冲电源，其特征在于，所述脉冲宽度调制电路产生的PWM信号为极性相反的双路PWM信号。
5.根据权利要求4所述的非对称波形脉冲电源，其特征在于，所述MOSFET半桥电路中的MOSFET管为四个，其中两个MOSFET管组成上桥臂，另外两个组成下桥臂。
6.根据权利要求5所述的非对称波形脉冲电源，其特征在于，还包括两个可变电阻，串接在所述高压直流输入的正、负极之间。
7.根据权利要求6所述的非对称波形脉冲电源，其特征在于半桥电路的上、下桥臂的连接点为所述非对称脉冲电源的一个输出极，两个可变电阻的中间连接点为所述非对称脉冲电源的另一个输出极。
【文档编号】H02M9/02GK104022676SQ201410270127
【公开日】2014年9月3日 申请日期:2014年6月17日 优先权日:2014年6月17日
【发明者】钟其水, 李辉, 陈达瑾, 李百华 申请人:电子科技大学