一种倍频功率脉冲拓扑集成电路的制作方法

本发明涉及脉冲电源技术领域，特别是一种倍频功率脉冲拓扑集成电路。

背景技术：

随着现代化工业制造的不断升级，传统的冶炼、烧结、表面处理、刻蚀等领域对自然环境与生态环境污染带来了很大影响，迫切要求研制出一些无污染或低污染的生产设备，人类最期望的就是将这些工艺在真空中进行，在真空进行冶炼、烧结、表面处理的先决条件就需要高频高功率脉冲电离电源。根据目前半导体开关器件特性，高频功率器件特点，同时具备高频、高电压、大电流的器件几乎没有，但是生产需求又需要。

在等离子体烧结中使用的电源为：在等离子体冶炼中：工作频率为300khz，工作电流为20000a～40000a，工作电压为200～1200v，脉冲电流变化率大于100000a/us，脉冲电压变化率大于1000v/us；在等离子体烧结中：工作频率为100khz，工作电流为20000a～100000a，工作电压为30v，脉冲电流变化率大于100000a/us，脉冲电压变化率大于100v/us；在等离子体渗氮、渗碳设备中需要的电源为：工作频率为40～80khz，工作电流为500a～1000a，工作电压为800～1200v，脉冲电流变化率大于1000a/us，脉冲电压变化率大于1000v/us。在理论研究中可以短暂的时间得到一些概念数据，一旦用到规模化生产这些特殊要求非常高；传统电源几乎是无能为力。

技术实现要素：

为解决现有技术中存在的问题，本发明提供了一种倍频功率脉冲拓扑集成电路。

本发明采用的技术方案是：

一种倍频功率脉冲拓扑集成电路，包括1个直流电压源、1个脉冲功率负载和2个锁相互补的脉冲功率输出单元，且2个脉冲功率输出单元的电路结构完全相同，分别为第一脉冲功率输出单元和第二脉冲功率输出单元；

所述脉冲功率输出单元包括：

2组可控开关，2组可控开关的电路结构完全相同，所述可控开关包括1组开关电路，所述开关电路包括半导体开关以及分别与该半导体开关并联的r、c、d吸收电路和无感电阻，所述半导体开关的负极与吸收电路的正极及无感电阻的一端并联后作为可控开关的输入端，所述半导体开关的正极与吸收电路的负极及无感电阻的另一端并联后作为可控开关的输出端；2组可控开关分别为第一可控开关和第二可控开关；

1组输入滤波电容；

1组输出滤波电感；

1组输出滤波电容；

1组整流电路；

所述第一可控开关的输入端分别连接输入滤波电容的正极和直流电压源的正极，所述第一可控开关的输出端分别连接第二可控开关的输入端和输出滤波电感的输入端，所述第二可控开关的输出端分别连接输入滤波电容的负极、直流电压源的负极和输出滤波电容的负极，所述整流电路的输入端分别连接输出滤波电感的输出端和输出滤波电容的正极；

所述2个脉冲功率输出单元的整流电路的输出端均与脉冲功率负载的一端连接，所述脉冲功率负载的另一端与直流电压源负极连接。

优选的，还包括锁相环驱动电路，该锁相环驱动电路采用2n倍频，n为正整数，开关时序为2路互补锁相，且2路触发采用电气隔离；将从相位0度开始输出的脉冲信号定义为奇数脉冲，相位从180度开始输出的脉冲信号定义为偶数脉冲，将奇数脉冲与偶数脉冲通过电气隔离，各自分成2路同步奇偶脉冲；奇数脉冲分成的两路信号，分别连接第一脉冲功率输出单元中第一可控开关的半导体开关的控制端和第二脉冲功率输出单元中第二可控开关的半导体开关的控制端；偶数脉冲分成的两路信号，分别连接第一脉冲功率输出单元中第二可控开关的半导体开关的控制端和第二脉冲功率输出单元中第一可控开关的半导体开关的控制端。

优选的，所述可控开关包括多组相互并联的开关电路；各所述开关电路中的半导体开关的控制端与对应的奇数脉冲或偶数脉冲信号之间连接有开关并联同步驱动电路；所述整流电路包括多个相互并联的整流电路。

优选的，所述可控开关包括多组依次串联的开关电路；各所述开关电路中的半导体开关的控制端与对应的奇数脉冲或偶数脉冲信号之间连接有开关串联同步驱动电路；所述整流电路包括多个依次串联的整流电路。

本发明的有益效果是：

1、提高脉冲电源的输出频率，减小半导体可控开关的电气应力，合理规避高功率半导体开关的缺陷，充分利用半导体开关的优点，降低生产制造成本，提高电源效率，提高产品性价比，为高频高功率脉冲电源需求奠定了坚实的基础；

2、大多数半导体脉冲功率电路的无功损耗都集中在功率开关与整流续流二极管上，但是在本发明中利用了开关导通续流方式，从而大大减小了续流损耗；

3、可以采用开关频响不太高的开关，实现双倍频或多倍频输出，奇数单元与偶数单元轮流交换导通；相对于单开关来讲，开关的电流电压应力明显减少，开关的可靠性大大提升；

4、因增加了并联均流与串联均压措施，开关可以实现串并联组合，系统能实现任意电压等级、电流等级的电力变换设备，本系统降低了对器件的频响要求，普通的半导体开关即可满足需求。

附图说明

图1为本发明实施例中脉冲功率输出单元与直流电压源和脉冲功率负载的电路结构示意图；

图2为图1的一种等效电路结构示意图；

图3为本发明实施例中锁相环驱动电路的电路结构示意图；

图4为本发明实施例中开关电路并联的电路结构示意图；

图5为本发明实施例中开关并联同步驱动电路的电路结构示意图；

图6为本发明实施例中开关电路串联的电路结构示意图；

图7为本发明实施例中开关串联同步驱动电路的电路结构示意图；

图8为本发明实施例中整流电路并联的电路结构示意图；

图9为本发明实施例中整流电路吕联的电路结构示意图；

图10为本发明实施例中电路的工作时序逻辑示意图；

具体实施方式

下面结合附图对本发明的实施例进行详细说明。

实施例

一、开关器件选择：本发明使用的开关器件为开关均可控的半导体开关；每组开关的每个开关都要并联1个传统的r、c、d吸收电路与1个无感电阻；形成1个组合开关，以下简称可控开关。

二、倍频控制逻辑：如图3所示，本发明采用(偶数)2n倍频，开关时序为2路互补锁相，并将这两路触发采用电气隔离，本发明把从相位0度开始输出的脉冲信号定义为奇数脉冲，相位从180度开始输出的脉冲信号定义为偶数脉冲，将奇数脉冲与偶数脉冲通过电气隔离，各自分成2路同步奇偶脉冲；奇数脉冲分成的两路信号，分别定义为dr1与dr3，偶数脉冲分成的两路信号，分别定义为dr2与dr4，以下简称锁相环驱动。

三、电路结构

1、本发明可采用1个或几个模块电路组成，如图1或图2所示，每个模块电路包含2个锁相互补的脉冲功率输出单元，且2个脉冲功率输出单元的电路结构完全相同。为了描述简便，本发明暂定从相位0度开始工作的单元定义为奇数单元，以下简称奇数单元；相位从180度的开始工作的定义为偶数单元，以下简称偶数单元；奇数单元器件的位号为奇数，偶数单元器件的位号为偶数；

2、每个模块需要配接1个直流电压源；1个固定的脉冲功率负载；4组半导体控开关；2组输入滤波电容；2组输出滤波电感；2组输出滤波电容；2组含有rc吸收的组合整流二极管，以下简称整流二极管；且同样部件的各组中的元器件参数完全相同；

3、每个脉冲功率输出单元中至少包含2组可控开关，1组输入滤波电容，1组输出滤波电感，1组整流二极管；

4、2个互补的脉冲功率输出单元通过整流二极管的k端直接并联，并联后再并联在1个脉冲功率负载r-s上；

5、直流电压源的输出(u+)与(u-)与输入滤波电容c1并联，同时(u+)与k1组的可控开关的输入端串联，k1组可控开关的输出端分成2路，其中一路与输出滤波电感l1串联，另一路与k3组开关的输入端串联，k3组可控开关的输出端与直流电压源的(u-)端并联；

6、l1的输出端再分成2路，其中一路与整流二极管的输入端串联，另一路与输出滤波电容c3串联，c3电容器的输出与直流电压源的(u-)端并联；

7、d1组整流二极管的输出端分2路，其中一路与d2组整流二极管并联，另一路与用电器的一端串联，用电器r-l的另一端与直流电压源的(u-)端并联；脉冲功率负载r-s与用电器r-l并联。

8、偶数单元与奇数单元共用一个直流电压源，共用一个用电器，共用一个脉冲功率负载，k2、k4组可控开关、c2组输入滤波电容，c4组输出滤波电容、l2组滤波电感、d2组整流二极管的连接关系与奇数单元的k1、k3组可控开关、c1组输入滤波电容，c3组输出滤波电容、l1组输出滤波电感、d1组整流二极管连接关系完全相同；

9、如图1或图2以及图3所示，本发明中将dr1与dr3分别与k1与k4的控制端g1、g4相连，将dr2与dr4，分别与k2与k3的控制端g2、g4相连。

四、工作原理

电路连接完成后，当奇数脉冲开启时，k1组可控开关与k4组可控开关同时导通，k2组可控开关与k3组开关保持关闭状态，直流电压源通过k1组开关给用电器提供电能输出，l2电感通过k4组开关续流同样给用电器提供电能。当偶数脉冲开启时，k2组可控开关与k3组开关同时导通，k1组可控开关与k4组开关保持关闭状态，直流电压源通过k2组开关给用电器提供电能输出，l1电感通过k3组开关续流同样给用电器提供电能。只要奇数驱动脉冲或偶数驱动脉冲的占空比低于50％，在负载上就可以得到2倍频的脉冲功率。

本发明还可将四组可控开关k1、k2、k3、k4均替换为如图4所示的并联模式，具体连接方法如下：将图4中各dr端分别与图5中各dr1、dr11至dr111对应连接，再将四组可控开关k1、k2、k3、k4对应的phaselock端与图3中的dr1、dr2、dr3、dr4对应连接即可，相应的整流二极管也采用如图8所示的并联模式。

本发明还可将四组可控开关k1、k2、k3、k4均替换为如图6所示的串联模式，具体连接方法如下：将图6中各dr端分别与图7中各dr1、dr11至dr111对应连接，再将四组可控开关k1、k2、k3、k4对应的phaselock端与图3中的dr1、dr2、dr3、dr4对应连接即可，相应的整流二极管也采用如图9所示的并联模式。

五、实施应用

项目需求：

输入：3相5线制ac380v交流市电，输入总功率≥500kva；

输出：脉冲电压10v～16v，开关频率100khz～150khz，电压变化率100v/us，电流变化率100000a/us；

实施方案：

本系统拟定采用：多模块级联组合模式，第一级ac降压成24v，第二级整流；第三极转换成脉冲输出。

直流电压源：选用40kva变压器1台，50a/380v,apf模块1台，ac380v转ac24v；通过相移全控桥整流成dc0～32v范围内连续可调；

使用680kva工频变压器1台，ac380v转ac24v；通过相移全控桥整流成dc0～32v范围内连续可调；将直流电源平均分成；

开关：选用mosfet,1100a，100v，输入滤波电容。

本发明的目的在于提高脉冲电源的输出频率，减小半导体可控开关的电气应力，合理规避高功率半导体开关的缺陷，充分利用半导体开关的优点，降低生产制造成本，提高电源效率，提高产品性价比，为高频高功率脉冲电源需求奠定了坚实的基础。

以上所述实施例仅表达了本发明的具体实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。