專(zhuān)利名稱(chēng)：可控硅高頻高壓直流電源的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于電力電子應(yīng)用領(lǐng)域的新技術(shù)。主要用于靜電除塵、激光、X射線機(jī)等要求直流高壓電源的方面。
目前同類(lèi)產(chǎn)品有A、工頻變壓器直接升壓型直流高壓電源；B、功率晶體管開(kāi)關(guān)多倍壓型直流高壓電源；C、可控硅開(kāi)關(guān)L－C串聯(lián)電壓諧振直流高壓電源。
以上電源的特點(diǎn)是①工作頻率低，電源轉(zhuǎn)換效率低；②都有工頻變壓器，體積重量大；③火花放電控制保護(hù)困難；④高壓變壓器制造工藝復(fù)雜，成本高。
針對(duì)以上電源的缺點(diǎn)，本發(fā)明主要解決A、去掉工頻變壓器，減小電源體積重量；B、提高電源火花放電承受能力，提高電源使用可靠性；
C、采用新的開(kāi)關(guān)電源技術(shù)提高電源轉(zhuǎn)換效率，提高使用效果；D、簡(jiǎn)化調(diào)控程序，方便快速維護(hù)保養(yǎng)，便于推廣應(yīng)用。
本發(fā)明有以下特點(diǎn)1、可控硅開(kāi)關(guān)電路采取貯能換流，電壓并聯(lián)諧振技術(shù)，將常規(guī)晶體管開(kāi)關(guān)電源多倍壓整流的貯能電勢(shì)通過(guò)電壓并聯(lián)諧振快速能量轉(zhuǎn)換，提高電源的轉(zhuǎn)換效率。
2、利用電壓并聯(lián)諧振的高頻電壓對(duì)多倍壓整流電路電容充電速度遠(yuǎn)快于次級(jí)高壓放電速度，在不加任何保護(hù)措施時(shí)，連續(xù)火花放電甚至于高壓短路，電源仍能正常工作和自動(dòng)恢復(fù)正常工作。
3、電網(wǎng)電壓經(jīng)電容器組合調(diào)控，整流無(wú)濾波100HZ直流電壓，當(dāng)開(kāi)關(guān)電路換流失敗，電源短路電流不大于額定工作電流。
4、采用頻率合成技術(shù)對(duì)100HZ直流電壓進(jìn)行斬波，合成的100HZ直流高壓含有μS級(jí)的高峰值脈沖電壓，以較少的電能獲得較好的使用效果。
5、無(wú)工頻變壓器直流高壓電源，在現(xiàn)有的同類(lèi)電源中體積重量最小。低壓控制部分與高壓輸出部份可分開(kāi)裝置，使用普通電纜作長(zhǎng)距離聯(lián)接，大幅度縮短價(jià)格昂貴的直流高壓電纜，使高壓輸出絕緣可靠性提高。
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圖1)交流電壓從1、2端輸入并通過(guò)電容Co－Cn進(jìn)行組合調(diào)控，機(jī)械開(kāi)關(guān)Ko－Ku為手動(dòng)調(diào)壓設(shè)定開(kāi)關(guān)，Jo－Jn機(jī)械開(kāi)關(guān)或用雙向可控硅，通過(guò)自動(dòng)控制電路實(shí)施交流電壓調(diào)控。
調(diào)控交流電壓經(jīng)3、4端進(jìn)入整流橋，整流橋?yàn)榭焖倩謴?fù)二極管組成，其功能除交流整流外還要提供換向電流的快速通路，整流橋四臂并聯(lián)壓敏電阻R2－R5，整流輸出100HZ末經(jīng)濾波的直流電壓。
在整流橋輸出5、6端不充許并聯(lián)濾波電容器，這種特殊的要求是保證開(kāi)關(guān)K1、K2換流正常進(jìn)行，否則整個(gè)高頻高壓直流電源將無(wú)法正常工作和失去說(shuō)明書(shū)中所有的性能。
5、6端100HZ直流電源通過(guò)變壓器T的a、b、c三點(diǎn)給可控硅開(kāi)關(guān)K1、K2供電，開(kāi)關(guān)由TL494專(zhuān)用PWM集成電路提供觸發(fā)脈沖進(jìn)行工作?？煽毓栝_(kāi)關(guān)K1、K2是利用線圈N3與電容C1－C8的貯能進(jìn)行換流工作，K1、K2的開(kāi)關(guān)頻率5－20KHZ被并聯(lián)諧振調(diào)制成數(shù)百千赫的高頻脈沖電壓向多倍壓電路提供充電能量。
100HZ直流電壓通過(guò)保險(xiǎn)BX及BX并聯(lián)的電容器C及R向變壓器的b端供電，電容器C及R的作用是吸收BX熔斷后的過(guò)沖電流，保護(hù)主電路中元器件。
以下結(jié)合附圖，給出實(shí)施例進(jìn)一步詳述。
圖1為本實(shí)用新型原理圖圖2為本可控硅開(kāi)關(guān)電路工作波形圖圖3為本可控硅開(kāi)關(guān)K1、K2換流原理圖圖4為本可控硅新型的一實(shí)例圖(圖4)電網(wǎng)AC電壓經(jīng)Co－Cn，手動(dòng)調(diào)控開(kāi)關(guān)Ko－Kn自動(dòng)調(diào)控開(kāi)關(guān)KAo－KAn組合調(diào)控電壓，經(jīng)橋式全波整流輸出100HZ無(wú)濾波的直流電壓＋E，＋E作為可控硅開(kāi)關(guān)K1、K2的直流工作電壓。K1、K2在PWM輸出的雙端觸發(fā)脈沖作用下，將＋E變換成高頻脈沖電壓經(jīng)變壓器T向次級(jí)傳遞能量，通過(guò)多倍壓整流升壓電路產(chǎn)生負(fù)100KV以上的直流高壓供給負(fù)載。
K1、K2開(kāi)關(guān)電路的過(guò)流過(guò)壓信號(hào)S2、S3通過(guò)光電隔離傳給控制電路，高壓的過(guò)流過(guò)壓信號(hào)及功率開(kāi)關(guān)器件的溫度信號(hào)S4－S6直接傳給控制電路，按設(shè)定程序?qū)﹄娫聪到y(tǒng)實(shí)施保護(hù)調(diào)控，確保電源系統(tǒng)穩(wěn)定可靠的工作。
可控硅開(kāi)關(guān)K1、K2換流工作過(guò)程。(參見(jiàn)圖3，波形參見(jiàn)圖2)1、在t0前K1截止，K2導(dǎo)通，等效電路如圖3(a)。直流供電電源＋E經(jīng)K1給線圈N2的電感L2與等級(jí)電容CN2組成的并聯(lián)諧振電路供電，產(chǎn)生維持電流i2，諧振電壓UN2(b點(diǎn)正，c點(diǎn)負(fù))電壓幅值為2E。
∵UK2＝0(導(dǎo)通) ∴UE＝UN2＝2E
由于自耦變壓器的作用，在線圈N1產(chǎn)生幅值為2E的感應(yīng)電壓UN1(a點(diǎn)正，b點(diǎn)負(fù))，UN1＝UN2＝2E，UN1、UN2共同向變壓器T的次級(jí)N3傳遞能量。
2、在t0時(shí)刻UT1觸發(fā)K1導(dǎo)通，等級(jí)電路如圖3(b)K1導(dǎo)通瞬間，K1、K2短路了N1、N2，線圈中貯存的能量從N1的a端經(jīng)K1、K2回到N2的C端釋放形成電流i3流經(jīng)K1支路電流i1＝i3，波形見(jiàn)圖2中UR1，流經(jīng)K2支路的反向電流i2’＝i3－i2，(i2為t0前的電流值)，波形見(jiàn)圖2中UR2，流經(jīng)直流電源＋E支路的電流i1’＝i3－i2’，與此同時(shí)線圈N1、N2為阻止i3的增大產(chǎn)生反電勢(shì)UN1’(a點(diǎn)負(fù)，b點(diǎn)正)和UN2’(b點(diǎn)負(fù)，c點(diǎn)正)。i2’在t1時(shí)刻迫使K2關(guān)斷，K1、K2完成了一次換流過(guò)程。
3、在t1至t2時(shí)刻K1導(dǎo)通K2截止，等效電路如圖3(c)線圈中的貯能全部釋放完畢后，直流電源＋E經(jīng)K1給線圈N1的電感L1與等效電容CN1組成并聯(lián)諧振電路供電，產(chǎn)生維持電流i1，諧振電壓UN1＝2E(a點(diǎn)負(fù)，b點(diǎn)正)。由于自耦變壓器的作用，在線圈N2上產(chǎn)生幅值等于2E的感應(yīng)電壓UN2(b點(diǎn)負(fù)，c點(diǎn)正)，UN2＝UN1＝2EUK2＝UN2＋UE＝2E＋2E＝4EUN1、UN2共同向變壓器T的次級(jí)N3傳遞能量。
4、在t2時(shí)刻觸發(fā)K2導(dǎo)通，線圈貯能換流在t3時(shí)刻迫使K1關(guān)斷，完成了另一次換流過(guò)程。重復(fù)上述1－3的工作過(guò)程，開(kāi)關(guān)K1、K2輪流導(dǎo)通截止，將100HZ直流電源＋E變成高頻脈沖電壓經(jīng)高頻變壓器T向次級(jí)N3傳遞能量。
抗火花放電工作原理開(kāi)關(guān)K1、K2的輪流工作將直流電源＋E變換成5－20KHZ的脈沖電壓，并聯(lián)諧振電路L1CN1和L2CN2再將5－20KHZ的脈沖電壓調(diào)制成數(shù)百千赫茲的高頻脈沖電壓，使多倍壓整流電路的電容C1－C8的充電速度遠(yuǎn)快于電容向高阻負(fù)載的放電速度(高壓負(fù)載為空氣負(fù)載，一般阻抗為20MΩ)，即充電貯能遠(yuǎn)大于放電釋能，又由于多倍壓整流升壓電路的內(nèi)阻相當(dāng)高，(N3的電感量一般為數(shù)十亨利，電容為幾千PF)。放電釋能過(guò)程是從高壓負(fù)載一級(jí)一級(jí)傳向N3，所以高壓負(fù)載的火花放電需要較長(zhǎng)的時(shí)間才能傳遞到N3，即反映到變壓器的初級(jí)，而電壓諧振電路的快速充電會(huì)及時(shí)補(bǔ)充這種火花放電損耗的能量，使得火花放電引起的電流短路不能傳遞到變壓器的初級(jí)電路上來(lái)。
另方面，開(kāi)關(guān)K1、K2工作電壓是末經(jīng)濾波的100HZ直流電壓＋E，每當(dāng)＋E在過(guò)零處，開(kāi)關(guān)K1、K2可自行關(guān)斷。當(dāng)負(fù)載發(fā)生短路已經(jīng)傳到變壓器初級(jí)，在＋E的過(guò)零處自動(dòng)關(guān)斷K1、K2，并從過(guò)零后恢復(fù)正常工作。因此說(shuō)本實(shí)施例的直流高壓電源的抗火花放電能力是非常強(qiáng)的，也可以說(shuō)本電源即使不加任何保護(hù)措施可長(zhǎng)時(shí)間火花放電也不會(huì)造成電源損壞。
本實(shí)施例電源技術(shù)參數(shù)1、直流工作電壓 50－200V2、直流工作電流 10A3、高壓輸出電壓 －20－－120KV4、高壓輸出電流 5－20MA5、工作頻率 5－20KHZ6、電壓諧振頻率 400－800KHZ8、電源轉(zhuǎn)換效率 ＞90％7、工作方式連續(xù)9、控制方式手動(dòng)、自動(dòng)10、外形尺寸、重量 (mm、kg)低壓控制部分 600×340×250／30kg高壓部分 670×350×350／50kg11、安裝方式低壓－高壓普通電纜5－50米低壓部分與高分均為壁掛式安裝
權(quán)利要求可控硅高頻高壓直流電源，其特征是(1)、交流電壓從1、2端輸入并通過(guò)電容C0-Cn進(jìn)行組合調(diào)控，機(jī)械開(kāi)關(guān)K0-Kn為手動(dòng)調(diào)壓設(shè)定開(kāi)關(guān)，J0-Jn機(jī)械開(kāi)關(guān)或用雙向可控硅，通過(guò)自動(dòng)控制電路實(shí)施交流電壓調(diào)控；
(2)、調(diào)控交流電壓經(jīng)3、4端進(jìn)入整流橋，整流橋?yàn)榭焖倩謴?fù)二極管組成，其功能除交流整流外還要提供換向電流的快速通路，整流橋四臂并聯(lián)壓敏電阻R2-R5，整流輸出100HZ未經(jīng)濾波的直流脈動(dòng)電壓；
(3)、5、6端100HZ直流脈動(dòng)電壓通過(guò)變壓器T的a、b、c三點(diǎn)給可控硅開(kāi)關(guān)K1、K2供電，開(kāi)關(guān)由TL494專(zhuān)用PWM集成電路提供觸發(fā)脈沖?？煽毓栝_(kāi)關(guān)K1、K2換流是利用線圈N3與多倍升壓電路中電容C1-C8貯能進(jìn)行工作。K1、K2的開(kāi)關(guān)頻率5-20KHZ，被并聯(lián)諧振調(diào)制成500KHZ的高頻脈沖電壓向多倍壓電路提供充電能量；
(4)、100HZ直流脈動(dòng)電壓通過(guò)保險(xiǎn)BX及BX上并聯(lián)的電容器C及R向變壓器的b端供電，電容器C及R的作用是吸收BX熔斷的過(guò)沖電流。
專(zhuān)利摘要可控硅高頻高壓直流電源是采用多倍壓整流升壓電路，貯能換流，電壓諧振，交流電壓從1、2端輸入并通過(guò)電容C
文檔編號(hào)H02M7/10GK2185010SQ9322210
公開(kāi)日1994年12月7日 申請(qǐng)日期1993年8月21日 優(yōu)先權(quán)日1993年8月21日
發(fā)明者丁輝元 申請(qǐng)人:丁輝元