[发明专利]级联型半/全桥脉冲电压叠加器简化隔离充电系统及方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种脉冲电压叠加器的充电系统及方法，具体设计一种级联型半桥/全桥脉冲电压叠加器的简化隔离充电系统及方法，属于电力电子技术领域。

背景技术

目前，由基于全控型半导体开关（例如IGBT，MOSFET）和储能电容的多个半桥或者全桥放电单元级联构成的电压叠加器，能够输出正向和负向的高压脉冲，因此在等离子体放电领域具有广泛的潜在应用价值。这种电压叠加器的每个放电单元包括数个全控型半导体开关和与开关相连的储能电容。每一个放电单元的结构有两种选择，一是全桥电路结构，包括四个全控型半导体开关和一个储能电容；二是半桥电路结构，包括两个全控型半导体开关和两个储能电容。为了对储能电容充电，通常每个放电单元都有与之对应的充电单元。充电单元既可以是二极管和全控型半导体开关的组合（这种方法称为非隔离充电），也可以是变压器和整流桥的组合（这种方法称为隔离充电）。对于非隔离充电，需要对每个充电单元中的全控型半导体开关进行导通与关断的控制，因此较为复杂；对于隔离充电，所有充电单元中的变压器共享同一个原边绕组，该原边绕组可以为一匝或多匝高压导线，导线两端连接到高频交流充电电源的输出端。每一个变压器均采用环形磁芯，磁芯的副边绕组为多匝导线，导线两端连接到由二极管组成的整流桥的输入端。整流桥的输出端连接到对应的放电单元中储能电容的正负极。相对于非隔离充电，隔离充电的好处在于不需要使用大量的半导体开关，简化了控制电路与驱动电路。不过，每个充电单元需要使用到变压器和整流桥，这会增加额外的体积。不同变压器之间、变压器的原边绕组与副边绕组之间的绝缘也需要仔细考察与设计，以确保在高电压输出时位于不同电位的每一级充电变压器能够承受相应的电压等级。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术存在的结构复杂、可靠性低的问题，提供一种结构简单、可靠性高的级联型半桥/全桥脉冲电压叠加器的简化隔离充电系统。

本发明是这样实现的：

一种级联型半/全桥脉冲电压叠加器简化隔离充电系统，包括有一个交流充电电源，交流充电电源通过充电变压器原边绕组与充电电压器相连通，每个充电变压器直接与至少一个放电单元相连，放电单元总数量为正偶数个，所有放电单元均通过放电单元的输出端与负载串联。

更进一步的方案是：每个变压器的副边绕组包含相同匝数的导线，导线两端连接到对应的放电单元部分的两个输出端。

更进一步的方案是：每个充电变压器直接与一个放电单元或者正偶数个放电单元相连。

更进一步的方案是：当充电变压器数量为正偶数个时，其中一半数量的充电变压器的副边绕组的同名端与另外一半数量的充电变压器的副边绕组的同名端相反。

更进一步的方案是：副边绕组的同名端相同的充电变压器与副边绕组的同名端相反的充电变压器间隔排列。

更进一步的方案是：当充电变压器数量为1个时，全部的放电单元被分成两个部分，每部分包含相同数量的放电单元，充电变压器包含一个原边绕组和两个具有相同匝数的副边绕组，两个副边绕组以同名端相反的方式分别连接到两个部分的放电单元的输出端。

本申请中，所述的放电单元包括两种结构，一种是全桥电路结构，包括四个全控型半导体开关和一个储能电容；一种是半桥电路结构，包括两个全控型半导体开关和两个储能电容。

一般而言，本申请的半桥电路结构的放电单元，包括两个输出端，两个储能电容，两个储能电容串联后，在两个储能电容的两端分别连接两个全控型半导体开关并组成回路，两个输出端分别与两个储能电容之间的线路和两个全控型半导体开关之间的线路相连，全控型半导体开关上分别连接有开关驱动。

本申请的全桥电路结构的放电单元，包括两个输出端，一个储能电容和四个全控型半导体开关，两个全控型半导体开关串联后与储能电容组成回路，另外两个全控型半导体开关串联后与储能电容组成另一个回路，两个输出端分别连接在串联的两个全控型半导体开关之间的线路上，全控型半导体开关上分别连接有开关驱动。

本发明还提供了级联型半/全桥脉冲电压叠加器简化隔离充电方法，使用了本发明公开的级联型半/全桥脉冲电压叠加器简化隔离充电系统对半/全桥脉冲电压叠加器进行隔离充电。

本发明提出的级联型半桥/全桥脉冲电压叠加器的简化隔离充电系统及方法，省去了传统的隔离充电电路中的二极管整流桥，每个充电单元只需要使用一个变压器。并且在某些需要的场合能够减少充电变压器的数量，有利于简化电源系统结构，降低成本。