本發(fā)明涉及一種便攜充電式微秒脈沖電源，屬于能量轉(zhuǎn)換與儲(chǔ)存技術(shù)領(lǐng)域。

背景技術(shù)：

低溫等離子體在環(huán)境污染治理、醫(yī)學(xué)殺菌、材料改性及流動(dòng)控制等領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用及獨(dú)特的優(yōu)越性。而大氣壓低溫等離子體具有對產(chǎn)生環(huán)境要求低，易于控制，環(huán)保無污染等優(yōu)勢受到人們的格外關(guān)注。

用于產(chǎn)生等低溫離子體的電源主要有工頻交流電源、高頻電源、脈沖電源。與工頻交流電源相比，脈沖與高頻電源產(chǎn)生的大氣壓低溫等離子體具有許多優(yōu)勢，例如更加容易產(chǎn)生均勻的大面積等離子體，在材料改性方面擁有更好的處理效果和更高的生產(chǎn)效率，在環(huán)保領(lǐng)域擁有反應(yīng)器發(fā)熱量較低，污染物處理效率高的優(yōu)點(diǎn)等。但是高頻電源自身發(fā)熱較嚴(yán)重，對電源內(nèi)部散熱要求較高，所產(chǎn)生的等離子體溫度也相對于脈沖電源而言較高。微秒脈沖電源具有制造成本低，發(fā)熱量小，脈沖參數(shù)容易控制，因此特別適合于工業(yè)、醫(yī)療、生物領(lǐng)域的推廣應(yīng)用，尤其是小型化的微秒脈沖電源，在繼承傳統(tǒng)微秒脈沖電源的優(yōu)勢的同時(shí)還有方便靈活的特點(diǎn)，應(yīng)用前景更加廣泛。

現(xiàn)有的高壓微秒脈沖電源分別有采用市電作為電能輸入的電源與采用直流供電作為電源電能輸入的電源。傳統(tǒng)高壓脈沖電源一般采用50HZ交流的市電作為電源電能輸入，如專利CN 101924489 A中所述的，針對于空氣消毒凈化技術(shù)領(lǐng)域的涉及非熱等離子脈沖電源，但其需要在具有穩(wěn)定的市電供應(yīng)的環(huán)境中才能使用，并且，其輸出高壓脈沖的各項(xiàng)參數(shù)無法靈活根據(jù)實(shí)際需要調(diào)節(jié)。還有針對將市電與低壓脈沖信號(hào)進(jìn)行高強(qiáng)度隔離，并將低壓脈沖升壓為高壓脈沖的電源，如專利CN 103490662 A中所述的高隔離度高壓脈沖電源，其采用通過樹脂澆灌密封工藝制作的隔離變壓器與光纖隔離轉(zhuǎn)換器實(shí)現(xiàn)了市電與整流電路的高度隔離，以及低壓脈沖信號(hào)和高壓脈沖輸出間的高度隔離，但其電源體積較大，光纖信號(hào)轉(zhuǎn)換對控制電路設(shè)計(jì)生產(chǎn)成本有一定要求，其使用時(shí)需要有穩(wěn)定的市電供應(yīng)。同時(shí)也有采用高壓直流電源作為高壓脈沖電源供電來源的脈沖電源，如專利CN 103036469 A中所述，其采用外置的高壓直流電源供電，通過對多個(gè)IGBT的串聯(lián)分壓，將高壓直流轉(zhuǎn)變成高壓脈沖輸出從而應(yīng)用于食品殺菌等領(lǐng)域，但其工作時(shí)需要額外配置一個(gè)穩(wěn)定的高壓直流電源，其體積較大，對使用環(huán)境要求較高，不具有靈活性。傳統(tǒng)的高壓微秒脈沖電源在工作時(shí)都需要有穩(wěn)定的市電供應(yīng)或是穩(wěn)定的外置高壓直流電源，存在體積較大，不易攜帶，對使用環(huán)境有較高要求，且工作頻率較高時(shí)不能長時(shí)間空載等問題。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明提出的是一種便攜充電式微秒脈沖電源，其目的旨在解決現(xiàn)有微秒脈沖電源需要接市電或外置高壓直流電源作為電能輸入，不易攜帶，且工作頻率較高時(shí)不能長時(shí)間空載等問題，設(shè)計(jì)一種無需插電的小型化便攜式微秒脈沖電源，其采用可充電的鋰電池組供電，結(jié)構(gòu)簡單、緊湊，體積小，成本低，具有便攜式特點(diǎn)，使用時(shí)無需插市電；脈沖變壓器設(shè)有退磁繞組并留有氣隙，使得該電源適合于空載運(yùn)行，適合于不易獲得穩(wěn)定供電的場合使用，用以驅(qū)動(dòng)具有殺菌消毒、傷口處理、材料處理等功能的小功率低溫等離子體反應(yīng)器。本發(fā)明提出的便攜式微秒脈沖電源輸出電壓為0-25kV，脈沖頻率0-10kHz，脈沖占空比0-20%，最大輸出功率100W，根據(jù)所選擇的31200MAH鋰電池組，可以100W的輸出功率持續(xù)工作3小時(shí)以上。

本發(fā)明的技術(shù)解決方案：便攜充電式微秒脈沖電源，其結(jié)構(gòu)由鋰電池組101、直流升壓逆變模塊102、可控硅調(diào)壓模塊103、整流濾波模塊104、脈沖變壓器105、高壓微秒脈沖輸出106、PWM信號(hào)發(fā)生器107、IGBT驅(qū)動(dòng)板108、IGBT 109組成；其中鋰電池組101的輸出端連接直流升壓逆變模塊102的輸入端，流升壓逆變模塊102的輸出端連接可控硅調(diào)壓模塊103的輸入端，可控硅調(diào)壓模塊103的輸出端連接整流濾波模塊104的輸入端，整流濾波模塊104的輸出端連接脈沖變壓器105的第一輸入端，脈沖變壓器105末端設(shè)有高壓微秒脈沖輸出106； PWM信號(hào)發(fā)生器107的輸出端連接IGBT驅(qū)動(dòng)板108的輸入端，IGBT驅(qū)動(dòng)板108的輸出端連接IGBT 109的輸入端，IGBT 109的輸出端連接脈沖變壓器105的第二輸入端。

本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)：

（1）使用時(shí)無需插電，且體積小巧靈活，便于攜帶，特別適合于野外、戰(zhàn)場、邊遠(yuǎn)地區(qū)等不易獲得供穩(wěn)定供電的環(huán)境下使用；

（2）可以在脈沖頻率較高時(shí)仍能夠長時(shí)間空載運(yùn)行；

（3）采用模塊化設(shè)計(jì)，各模塊間拆裝更換容易，結(jié)構(gòu)簡單，成本低，適合于大規(guī)模生產(chǎn)并于殺菌環(huán)保、生物醫(yī)學(xué)、材料處理等領(lǐng)域推廣使用。

附圖說明

附圖1是便攜充電式微秒脈沖電源結(jié)構(gòu)示意圖。

附圖2是便攜充電式微秒脈沖電源電路原理圖。

附圖3是便攜充電式微秒脈沖電源脈沖變壓器電路原理圖。

附圖4是便攜充電式微秒脈沖電源脈沖變壓器結(jié)構(gòu)圖。

其中101是鋰電池組、102是直流升壓逆變模塊、103是可控硅調(diào)壓模塊、104是整流濾波模塊、105是脈沖變壓器、106是高壓微秒脈沖輸出、107是PWM信號(hào)發(fā)生器、108是IGBT驅(qū)動(dòng)板、109是IGBT（絕緣柵雙極型晶體管）、201是EE型鐵氧體磁芯、202是脈沖變壓器骨架、203是一次側(cè)繞組、204是二次側(cè)繞組、205是氣隙、206是去磁繞組，207是一次側(cè)繞組接正極性端出線、208是一次側(cè)繞組接IGBT集電極端、209是二次側(cè)繞組高壓輸出端出線、210是去磁繞組接正極性整流輸出的一端、211是去磁繞組接IGBT發(fā)射極的一端出線、212是二次側(cè)繞組接地端出線。

具體實(shí)施方式

對照附圖1和附圖2，便攜充電式微秒脈沖電源，其結(jié)構(gòu)由鋰電池組101、直流升壓逆變模塊102、可控硅調(diào)壓模塊103、整流濾波模塊104、脈沖變壓器105、高壓微秒脈沖輸出106、PWM信號(hào)發(fā)生器107、IGBT驅(qū)動(dòng)板108、IGBT 109組成；其中鋰電池組101的輸出端連接直流升壓逆變模塊102的輸入端，流升壓逆變模塊102的輸出端連接可控硅調(diào)壓模塊103的輸入端，可控硅調(diào)壓模塊103的輸出端連接整流濾波模塊104的輸入端，整流濾波模塊104的輸出端連接脈沖變壓器105的第一輸入端，脈沖變壓器105末端設(shè)有高壓微秒脈沖輸出106；PWM信號(hào)發(fā)生器107的輸出端連接IGBT驅(qū)動(dòng)板108的輸入端，IGBT驅(qū)動(dòng)板108的輸出端連接IGBT 109的輸入端，IGBT 109的輸出端連接脈沖變壓器105的第二輸入端。

所述鋰電池組101采用輸出12V DC的鋰電池組，型號(hào)為JMD20-D2。

所述直流升壓逆變模塊102包括1個(gè)變壓器，2個(gè)絕緣柵雙極型晶體管，1個(gè)集成芯片IC3，焊接在1個(gè)PCB板上，1個(gè)兩路輸出的集成芯片IC3控制2個(gè)絕緣柵雙極型晶體管以固定的頻率、占空比導(dǎo)通和關(guān)斷，兩個(gè)絕緣柵雙極型晶體管的集電極連在帶有中心抽頭的升壓變壓器一次側(cè)兩個(gè)線圈的兩端，一次側(cè)中心抽頭接到鋰電池組101的正極輸出端口上。

所述可控硅調(diào)壓模塊103采用可控硅電子調(diào)壓器，型號(hào)：4000W交流調(diào)壓器，可控硅型號(hào)：BTA41600B。

所述整流濾波緩沖模塊104的整流橋輸出口并聯(lián)有濾波電容C1，在整流濾波緩沖模塊104的正極性輸出端口上串聯(lián)有一個(gè)由電阻R1、二極管D3、電感L1構(gòu)成的電流突變抑制電路。

所述脈沖變壓器105包括EE型鐵氧體磁芯201、脈沖變壓器骨架202、一次側(cè)繞組203、二次側(cè)繞組204、氣隙205、去磁繞組206，一次側(cè)繞組接正極性端出線207、一次側(cè)繞組接IGBT集電極端出線208、二次側(cè)繞組高壓輸出端出線209、去磁繞組接正極性整流輸出端出線210、去磁繞組接IGBT發(fā)射極出線211、二次側(cè)繞組接地端出線212；其中去磁繞組206串聯(lián)一個(gè)快速恢復(fù)二極管D4后并聯(lián)在脈沖變壓器T2一次側(cè)繞組的正極性端；采用EE型鐵氧體磁芯201，變壓器一次側(cè)繞組203與去磁繞組206共同繞制在脈沖變壓器骨架202最里層，其外部采用瑪拉膠聚酯絕緣膠帶包裹，變壓器二次側(cè)繞組204繞制在脈沖變壓器骨架202外層，層間也采用瑪拉膠聚酯絕緣膠帶包裹，EE型磁芯留有寬度為0.2mm的氣隙205；一次繞組接正極性端出線207連接整流濾波模塊104正極性輸出端；一次繞組接IGBT集電極端出線208連接IGBT 109集電極端；去磁繞組接正極性整流輸出端出線210與快速恢復(fù)二極管D4連接，去磁繞組接IGBT發(fā)射極出線211連接IGBT 109發(fā)射極一端。

所述PWM信號(hào)發(fā)生器107 上集成有三位八數(shù)碼顯示器以及3個(gè)調(diào)節(jié)按鈕。

所述IGBT驅(qū)動(dòng)板108的型號(hào)為TX-DP101。

所述PWM信號(hào)發(fā)生器上集成有三位八數(shù)碼顯示器以及3個(gè)調(diào)節(jié)按鈕，PWM信號(hào)發(fā)生器型號(hào)：TELESKY 2路PWM脈沖頻率占空比可調(diào)方波矩形波信號(hào)發(fā)生器。

所述的PWM信號(hào)發(fā)生器和IGBT驅(qū)動(dòng)板由一個(gè)兩路輸出開關(guān)電源供電，開關(guān)電源型號(hào)：JMD20-D2。

實(shí)際操作時(shí)，12V鋰電池組作為電源供電來源，通過升壓逆變模塊將12V直流逆變?yōu)?20V交流，再通過帶有調(diào)壓旋鈕的可控硅調(diào)壓器進(jìn)行連續(xù)調(diào)壓，調(diào)壓器輸出再經(jīng)過整流濾波模塊輸出為直流電，將脈沖變壓器一次側(cè)繞組與去磁繞組并聯(lián)，再與IGBT串聯(lián)；將整流濾波模塊輸出的直流電加在串聯(lián)的IGBT和變壓器一次側(cè)兩段，PWM信號(hào)發(fā)生器與IGBT驅(qū)動(dòng)板由一個(gè)模塊化開關(guān)電源供電，開關(guān)電源的電能輸入來源于直流升壓逆變模塊的輸出；PWM信號(hào)發(fā)生器上集成有一個(gè)3位八字碼顯示器可現(xiàn)實(shí)PWM信號(hào)發(fā)生器輸出PWM波的頻率和占空比，通過三個(gè)按鈕進(jìn)行對低壓方波信號(hào)的頻率和占空比的調(diào)節(jié)，IGBT驅(qū)動(dòng)板對低壓PWM方波信號(hào)進(jìn)行放大，使其能夠控制IGBT的導(dǎo)通關(guān)斷；脈沖變壓器按照正激式設(shè)置，一次側(cè)繞組與去磁繞組并聯(lián)，使得變壓器具有良好的抗磁飽和性能，IGBT的導(dǎo)通與關(guān)斷將整流濾波模塊的輸出變成脈沖方波作為脈沖變壓器輸入，再將脈沖變壓器二次側(cè)繞組輸出加在低溫等離子體反應(yīng)器的高壓電極與地電極上從而產(chǎn)生低溫等離子體。

本發(fā)明將充電電池組集成于小型微秒脈沖電源內(nèi)，使用時(shí)無需插電；PWM生成器上集成有三位八數(shù)碼顯示器以及三個(gè)調(diào)節(jié)按鈕，可通過按鈕控制生成的PWM波的頻率和占空比；脈沖變壓器按正激設(shè)計(jì)，設(shè)有去磁繞組與氣隙，適合于長時(shí)間空載運(yùn)行；電源各部分采用模塊化緊湊型設(shè)計(jì)，以使其生產(chǎn)成本降低且易于拆裝，且體積小便于攜帶。

實(shí)施例1

本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例包含附圖1所示的鋰電池組101、直流升壓逆變模塊102、可控硅調(diào)壓模塊103、整流濾波模塊104、脈沖變壓器105、高壓微秒脈沖輸出106、PWM信號(hào)發(fā)生器107、IGBT驅(qū)動(dòng)板108與IGBT 109。上述模塊或部件按照如附圖2所示的接線圖將各個(gè)模塊之間進(jìn)行連接并裝與電源箱內(nèi)。其中鋰電池組101的輸出端連接直流升壓逆變模塊102，流升壓逆變模塊102的輸出端連接可控硅調(diào)壓模塊103，可控硅調(diào)壓模塊103的輸出端連接整流濾波模塊104，整流濾波模塊104連接脈沖變壓器105，脈沖變壓器105末端設(shè)有高壓微秒脈沖輸出106；直流升壓逆變模塊102中的升壓變壓器T2的二次側(cè)兩根出線作為可控硅調(diào)壓器模塊的交流輸入，同時(shí)也作為控制模塊中開關(guān)電源的交流輸入，連接PWM信號(hào)發(fā)生器107和IGBT驅(qū)動(dòng)板108，IGBT驅(qū)動(dòng)板108連接IGBT 109，IGBT 109連接脈沖變壓器105。所述直流升壓逆變模塊102包括1個(gè)變壓器，2個(gè)IGBT，1個(gè)集成芯片IC3，全部都焊接在一個(gè)PCB板上，構(gòu)成整體性的模塊；1個(gè)兩路輸出的集成芯片IC3控制2個(gè)IGBT以固定的頻率、占空比導(dǎo)通和關(guān)斷，兩個(gè)IGBT的集電極連在帶有中心抽頭的升壓變壓器一次側(cè)兩個(gè)線圈的兩端，一次側(cè)中心抽頭接到鋰電池組101的正極輸出端口上。

EE形鐵芯在工作時(shí)會(huì)因兩塊磁芯震動(dòng)發(fā)出噪聲，在實(shí)施例中，采用原型變壓器可有效降低噪聲。脈沖變壓器105磁芯選用圓形鐵基超微晶磁芯，磁芯需設(shè)置0.1mm-0.4mm氣隙，出于絕緣的考慮，繞制圓形變壓器時(shí)，可將一次側(cè)繞組與去磁繞組集中繞制在圓形磁芯的一端扇形區(qū)域內(nèi)，二次側(cè)高壓繞組集中在另一端扇形區(qū)域分層繞制。