一种小型化触屏高压脉冲电源制造技术

本发明专利技术涉及一种小型化触屏高压脉冲电源，包括：人机交互触摸屏主机，与该主机串行通讯的FPGA控制器，依次连接的高压直流电源模块、脉冲成型模块和脉冲整形升压模块，各模块由FPGA控制器分别控制，该脉冲整形升压模块输出端作为脉冲电源的输出端；以及连接于脉冲电源的输出端和负载之间的自适应匹配模块；FPGA控制器根据负载的特性数据，自动调节该匹配模块中的可变电容和/或可变电感，使脉冲电源输出端与负载匹配运行。本电源可以产生脉冲宽度1μs‑100μs，重复频率可调节高达100kHz，输出峰值电压0‑100kV的可调节重复频率高压脉冲。本电源运行稳定，具有高精度、抗干扰、结构紧凑等特点。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术属于高压脉冲电源
，具体涉及一种基于FPGA控制的小型化高压重复频率脉冲电源。
技术介绍
高压脉冲电源具有广阔的应用前景，在等离子体发生、脉冲电场处理、臭氧制备、冲击波碎石等领域具有广泛的市场。电源作为产生等离子体等的能量来源，对等离子体的特性有重要影响。研究表明脉冲电源的特征参数(包括输出电压波形特性、脉冲上升沿和下降沿、脉冲重复频率和脉冲宽度等)及其与负载的匹配状况对系统的性能及处理效果的影响较大。此外，随着设备状态检测手段的扩充等，要求脉冲电源设备的控制系统在具有较好的扩展接口，能够与检测手段相匹配，如要能够接驳实时视频信号、温度信号等等。在此基础上还要保证整个系统的可靠性、稳定性、经济性以及通用性。现场可编程门阵列(Field－ProgrammableGateArray，FPGA)具有体系结构简单，逻辑单元灵活，集成度高以及通用性好等特点。FPGA作为控制模块实现反馈控制脉冲发生系统具有很多优势。在人机输入交互的过程中，带有触摸屏的工业控制计算机相比于PC机体积小，能耗低，相对简单的结构更易于维护和抵抗电磁干扰，同时其低成本和较高的性价比也很适合工业化生产和应用。选择基于ARM架构的触摸屏构成人机交互终端，为FPGA发送脉冲参数同时也显示反馈信息，代替了广泛使用的PC(个人电脑)，不仅减少了设备体积，也降低了系统能耗。在高压大功率开关领域，固态开关在开断速度和操作稳定性方面相比传统气体开关具有很强的优势，近年来随着科技的不断发展，其开断容量也有了很大提升。在本专利技术中也应用了大容量固态开关IGBT来实现相应功能。同时通过外围驱动电路的连续监测，可以得到IGBT的状态反馈，实现了对IGBT的驱动以及状态的监测。脉冲电源工作时，电源和负载之间必须具有良好的匹配关系，使得电源输出的能量能够最大限度耦合到负载中，并被负载吸收而无沿传输线的反射。脉冲放电等离子体的特征是能在短时间内瞬时注入较大功率，使大部分的能量用于加速等离子体体系中的电子而非离子。这要求形成的脉冲电压的波形应具有峰值高、上升陡、拖尾电压低等特征。此外，脉冲放电等离子体反应器的负载特性会直接影响电源工作的稳定性、可靠性、效率和寿命等。
技术实现思路
本专利技术的目的在于提供一种结构紧凑，性能优良，精确度高，调整灵活，含有自适应匹配网络的一种小型化触屏高压脉冲电源。本专利技术采用零电压开断直流变换器技术得到直流高压，通过FPGA通信与反馈技术得到高速驱动信号和反馈信号，通过触摸屏输入运行参数与反馈运行信息，通过脉冲变压器和脉冲自适应匹配网络得到高压理想方波，最终输出高电压脉冲重复频率信号。本专利技术提出的小型化触屏高压脉冲电源，包括：人机交互触摸屏主机，运行通用操作系统，提供数据输入界面及发送控制信号；FPGA控制器，通过RS232串行接口与所述触摸屏主机通讯；由该FPGA控制器反馈控制的高压直流电源模块；依次连接的脉冲成型模块和脉冲整形升压模块，该脉冲成型模块和脉冲整形升压模块由该FPGA控制器分别控制，该脉冲整形升压模块输出端作为脉冲电源的输出端；及自适应匹配模块,它包括匹配电路和负载特性调节机构，连接于所述脉冲电源的输出端和负载之间；所述FPGA控制器根据负载的特性数据，通过负载特性调节机构自动调节该匹配电路中的可变电容和/或可变电感，使所述脉冲电源输出端与负载匹配运行。本专利技术脉冲电源中，FPGA控制器主要包括FPGA芯片、高压直流电源电压反馈电路、脉冲电源电压反馈电路、高压直流电源模块驱动电路以及脉冲成型模块驱动电路等；各驱动电路的输入端分别连接所述FPGA芯片输出的相应PWM信号，各电压反馈电路的输出端分别连接所述FPGA芯片的相应输入端。所述自适应匹配模块进一步包括与所述负载连接的负载特性检测电路，所述负载的特性数据通过该负载特性检测电路获得。所述负载特性检测电路由负载电压采样电路，负载电流采样电路，以及所述FPGA控制器中的鉴相器和A/D转换器组成。所述的负载的特性数据也可以从所述人机交互触摸屏输入，再传送到所述FPGA控制器。脉冲整形升压模块包括依次连接的脉冲变压器、脉冲整形电路及励磁涌流抑制电路。所述励磁涌流抑制电路包括串联在电源回路中的NTC热敏电阻和延时继电器，该延时继电器的常开触点与该NTC热敏电阻并联，于该延时继电器的整流电源的交流输入回路中串联电阻R1和并联有电阻R2的电容C1。励磁涌流抑制电路能抑制变压器的励磁涌流对系统组件的损坏，保护回路器件，且不会降低效率。脉冲成型模块的输入端连接高压直流电源模块输出的直流电压，输出1-100微妙脉宽可调、0-100kHz可调的重复频率脉冲电压。具体实施例中，脉冲成型模块由桥接的四个IGBT构成。FPGA控制器中的FPGA芯片GPIO端口输出双路互补PWM信号，驱动脉冲成型模块驱动电路控制IGBT的通断，形成双极性脉冲或者单极性脉冲。脉冲成型模块以反馈模式工作。为方便调试脉冲成型模块4也能以直接模式工作。当脉冲成型模块以直接模式工作时，根据电压设置值从预设的周期值表中找到移相所需的周期值，所述FPGA芯片对该周期值信号进行对应延迟后输出，使电源系统处于开环控制状态。在别的实施例中，脉冲成型模块可以为电感器和电容器组成的并联blumlein线网络。高压直流电源模块是输入三相交流电、输出直流电压的能量提供设备。高压直流电源模块包括三相桥式整流充电回路和移相全桥ZVS变换器，该三相桥式整流充电回路由设置于FPGA控制器中的所述高压直流电源驱动电路驱动工作。外部三相交流电通过不控整流电路整流成直流，之后进入移相全桥ZVS变换器，采用移相全桥ZVS变换器实现对直流电压进行调压。具体电压可以由触摸屏设定，通过RS232串口向FPGA控制器发出指令；其配置的电压检测采样电路将采到的电压与设定值进行比较，通过反馈调节器来改变PWM移相角大小，实现直流高压电压的输出。本高压脉冲电源的输入所需脉冲的信息是由人机交互触摸屏的输入获得，人机交互触摸屏主机能运行一套脉冲发生系统人机交互程序，同时触摸屏具有RS232控制串口，整体作为FPGA控制器的上位机。交互程序中操作人员需要输入所需脉冲信息，该脉冲信息包括峰值电压、脉冲宽度、脉冲极性及脉冲重复频率等。同时还可以设定实验目标信息，如脉冲输出个数、运行总时间以及脉冲总时间等。人机交互触摸屏主机将脉冲信息和控制信息通过RS232串口发送给FPGA控制器，同时通过RS232串口获得反馈信息和运行状态，并显示；能够显示当前直流电源电压以及脉冲电压，当前运行时间，电压作用总时间，脉冲输出个数等。人机交互触摸屏可以实现脉冲输出的开始、脉冲输出的停止以及实时调整脉冲特性等功能；该脉冲特性包括峰值电压、脉冲宽度及脉冲极性。FPGA控制器中，核心FPGA芯片的IO分3组DATA总线，GPIO总线以插座的形式引出，此插座用于输出PWM控制信号和接受反馈信号；GPIO接口输出的PWM控制信号，经过光电耦合，实现高压低压信号分离和电平转换。FPGA控制器配置连接有RS232串口，JTAG/CONFIG下载接口。FPGA具有50MHz的固定频率晶振，能够实现操作周期为20纳秒。FPGA控制器中的电压检测模块(用于检测高压直流电源部分的高压)由采样电阻、霍尔本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种小型化触屏高压脉冲电源，其特征在于，包括：人机交互触摸屏主机，运行通用操作系统，提供数据输入界面及发送控制信号；FPGA控制器，通过RS232串行接口与所述触摸屏主机通讯；由该FPGA控制器反馈控制的高压直流电源模块；依次连接的脉冲成型模块和脉冲整形升压模块，该脉冲成型模块和脉冲整形升压模块由该FPGA控制器分别控制，该脉冲整形升压模块输出端作为脉冲电源的输出端；以及自适应匹配模块,它包括匹配电路和负载特性调节机构，连接于所述脉冲电源的输出端和负载之间；所述FPGA控制器根据负载的特性数据，通过负载特性调节机构自动调节该匹配电路中的可变电容和/或可变电感，使所述脉冲电源输出端与负载匹配运行。

【技术特征摘要】
2016.06.06 CN 20161039866661.一种小型化触屏高压脉冲电源，其特征在于，包括：人机交互触摸屏主机，运行通用操作系统，提供数据输入界面及发送控制信号；FPGA控制器，通过RS232串行接口与所述触摸屏主机通讯；由该FPGA控制器反馈控制的高压直流电源模块；依次连接的脉冲成型模块和脉冲整形升压模块，该脉冲成型模块和脉冲整形升压模块由该FPGA控制器分别控制，该脉冲整形升压模块输出端作为脉冲电源的输出端；以及自适应匹配模块,它包括匹配电路和负载特性调节机构，连接于所述脉冲电源的输出端和负载之间；所述FPGA控制器根据负载的特性数据，通过负载特性调节机构自动调节该匹配电路中的可变电容和/或可变电感，使所述脉冲电源输出端与负载匹配运行。2.如权利要求1所述的高压脉冲电源，其特征在于，所述FPGA控制器包括FPGA芯片、高压直流电源电压反馈电路、脉冲电源电压反馈电路、高压直流电源模块驱动电路以及脉冲成型模块驱动电路；各驱动电路的输入端分别连接所述FPGA芯片输出的相应PWM信号，各电压反馈电路的输出端分别连接所述FPGA芯片的相应输入端。3.如权利要求1或2所述的高压脉冲电源，其特征在于，所述自适应匹配模块进一步包括与所述负载连接的负载特性检测电路，所述负载的特性数据通过该负载特性检测电路获得。4.如权利要求3所述的高压脉冲电源，其特征在于，所述负载特性检测电路由负...

【专利技术属性】
技术研发人员：张若兵，张星，张科，李爽，汪珊珊，
申请(专利权)人：清华大学深圳研究生院，
类型：发明
国别省市：广东;44