一种能量回馈型双极性电流脉冲生成电路结构及方法技术

本发明专利技术公开了一种能量回馈型双极性电流脉冲生成电路结构，包括输入滤波电容Cin，第一晶闸管S1，第二晶闸管S2，锂电池Buck变换器，超级电容储能全桥模块阀组，输出滤波电容Co及晶闸管换向电路；直流母线正极连接第一晶闸管S1和第二晶闸管S2的阳极，输入直流母线的负极连接超级电容储能全桥模块的下端子；第一晶闸管S1的阴极连接锂电池的阴极；输出电容Co的上端子与锂电池Buck变换器的第一滤波电感L1的右端子、晶闸管换向电路的上端子相连；输出电容Co的下端子与超级电容储能全桥模块阀组的下端子、晶闸管换向电路的下端子相连；还公开对应生成方法；可有效降低器件电压应力并实现较高的输出电压，提高能量利用效率。提高能量利用效率。提高能量利用效率。

【技术实现步骤摘要】
一种能量回馈型双极性电流脉冲生成电路结构及方法


[0001]本专利技术涉及电力电子
，具体涉及一种能量回馈型双极性电流脉冲生成电路结构。

技术介绍

[0002]感性负载双极性电流脉冲生成装置，是强磁场发生器、工业无损检测仪等磁场发生设备的核心部件。在实际应用中，需要通过调节双极性电流脉冲的频率、幅值控制磁场发生线圈生成的磁场频率和磁场强度。
[0003]大感性负载时间常数大，为了获得更高频率和磁场强度的磁场，需要进一步提高感性负载两端的电压，增大脉冲电流上升过程中的电流变化率，使感性负载电流尽快达到稳态，产生所需磁场。因此对双极性电流脉冲生成电路的调压范围有较宽的要求。同时，脉冲电流下降过程中，有大量的能量需要利用相应电路进行吸收。
[0004]现有双极性脉冲电流生成拓扑受限于单个开关器件耐压，难以生成较高上升率、较高幅值的双极性脉冲电流。同时，由于缺少脉冲电流下降过程中的能量回收，电路的能量利用率较低。因此，如何在不增加器件耐压的条件下，得到所需宽度/高度、上升/下降时间的电流脉冲，同时在不增加额外泄能装置的情况下，实现能量的高效回收，是目前亟需解决的一系列问题。

技术实现思路

[0005]本专利技术所要解决的技术问题在于克服现有技术的不足，提供一种能量回馈型双极性电流脉冲生成电路及其控制方法，解决了大电感负载情况下，难以得到较高上升率、较高幅值的双极性脉冲电流，同时实现能量的高效回收问题。
[0006]针对上述问题，本专利技术采用的技术方案是：
[0007]一种能量回馈型双极性电流脉冲生成电路结构，包括输入滤波电容Cin，第一晶闸管S1，第二晶闸管S2，锂电池Buck变换器，超级电容储能全桥模块，输出滤波电容Co及晶闸管换向电路；
[0008]输入直流母线正极连接第一晶闸管S1和第二晶闸管S2的阳极，输入直流母线的负极连接超级电容储能全桥模块的下端子；所述第一晶闸管S1的阴极连接锂电池Buck变换器中锂电池的阴极；输出电容Co的上端子与锂电池Buck变换器的第一滤波电感L1的右端子、晶闸管换向电路的上端子相连；输出电容Co的下端子与超级电容储能全桥模块阀组的下端子、晶闸管换向电路的下端子相连。
[0009]进一步的，所述锂电池Buck变换器包括锂电池A、第一Buck开关管S、第一二极管D1及第一滤波电感L1；所述锂电池A的阳极与所述第一Buck开关管S的发射极相连，所述锂电池的阴极与所述第一二极管D1的阳极相连；所述第一Buck开关管S的集电极与所述第一二极管D1的阴极、所述第一滤波电感L1的左端子相连。
[0010]进一步的，所述超级电容储能全桥模块阀组由n个全桥子模块串联构成，n为大于
等于3的正整数。
[0011]进一步的，所述全桥子模块包括第一开关管SN1、第二开关管SN2、第三开关管SN3、第四开关管SN4及子模块电容C
N
；所述第一开关管SN1的发射极与第二开关管SN2集电极连接构成第一桥臂，第三开关管SN3的发射极与第四开关管SN4的集电极连接构成的第二桥臂，子模块电容C
N
并联在第一桥臂和第二桥臂两端；第一桥臂和第二桥臂中点作为全桥子模块的输出端口。
[0012]进一步的，所述晶闸管换向电路包括第三晶闸管S3，第四晶闸管S4，第五晶闸管S5和第六晶闸管S6；其中，第三晶闸管S3的阳极与第四晶闸管S4的阳极相连；第三晶闸管S3的阴极与阻感负载的上端子、第五晶闸管S5的阳极相连；第六晶闸管S6的阳极与阻感负载的下端子、第四晶闸管的阴极相连；第六晶闸管的阴极与第五晶闸管的阴极相连。
[0013]进一步的，包括控制生成脉冲高度、宽度，脉冲上升、下降时间可调的正向电流脉冲方法及控制生成脉冲高度、宽度，脉冲上升、下降时间可调的反向电流脉冲方法。
[0014]进一步的，所述控制生成脉冲高度、宽度，脉冲上升、下降时间可调的正向电流脉冲方法，包括如下步骤：
[0015]步骤1，打开第三晶闸管S3和第六晶闸管S6；锂电池Buck变换器和超级电容储能全桥模块阀组均投入运行，并根据一个周期内能量平衡的准则选取超级电容储能全桥PWM驱动信号的调制比；通过控制锂电池Buck变换器的输出电压来控制负载电流平稳上升；待电流即将到达平台阶段时，逐渐切除超级电容储能全桥模块阀组；
[0016]步骤2，超级电容储能全桥模块阀组完全切出，仅锂电池Buck变换器投入运行，电流到达平台阶段；通过控制锂电池Buck变换器的输出电压来维持负载电流恒定；
[0017]步骤3，关断锂电池Buck变换器的第一Buck开关管S，将锂电池Buck变换器切出，并反向投入超级电容储能全桥，负载线圈能量在此阶段回收至超级电容储能全桥模块；当负载电流降为零后，打开所有超级电容储能全桥模块阀组中的第四开关管SN4，利用锂电池Buck变换器中的第一滤波电感L1与输出电容Co谐振，至第一滤波电感L1的电流为0，输出电容Co电压方向由下正上负谐振至上正下负方向，并达到最大值，随后进入脉冲电流间隔期；
[0018]交替执行步骤1
‑
3，可以控制电路结构生成脉冲高度、宽度，脉冲上升、下降时间可调的正向电流脉冲。
[0019]进一步的，所述控制生成脉冲高度、宽度，脉冲上升、下降时间可调的反向电流脉冲方法，包括如下步骤：
[0020]步骤1，打开第四晶闸管S4和第五晶闸管S5；锂电池Buck变换器和超级电容储能全桥模块阀组均投入运行，并根据一个周期内能量平衡的准则选取超级电容储能全桥PWM驱动信号的调制比；通过控制锂电池Buck变换器的输出电压来控制负载电流平稳上升；待电流即将到达平台阶段时，逐渐切除超级电容储能全桥模块阀组；
[0021]步骤2，超级电容储能全桥模块阀组完全切出，仅锂电池Buck变换器投入运行，电流到达平台阶段；通过控制锂电池Buck变换器的输出电压来维持负载电流恒定；
[0022]步骤3，关断锂电池Buck变换器的第一Buck开关管S，将锂电池Buck变换器切出，并反向投入超级电容储能全桥，负载线圈能量在此阶段回收至超级电容储能全桥模块；当负载电流降为零后，打开所有超级电容储能全桥模块阀组中的第四开关管SN4，利用锂电池Buck变换器中的第一滤波电感L1与输出电容Co谐振，至第一滤波电感L1的电流为0，输出电
容Co电压方向由下正上负谐振至上正下负方向，并达到最大值，随后进入脉冲电流间隔期；
[0023]交替执行步骤1
‑
3，可以控制电路结构生成脉冲高度、宽度，脉冲上升、下降时间可调的正向电流脉冲。
[0024]作为本专利技术的另一方面，还涉及一种能量回馈型双极性电流脉冲生成方法，通过控制晶闸管换向电路并控制锂电池Buck变换器与超级电容储能全桥模块阀组产生特定幅值、极性的输出电压，实现对感性负载电流脉冲波形的控制；通过控制正向投入时超级电容储能全桥模块阀组PWM驱动信号的调制比，并通过反向投入超级电容储能全桥来回收感性负载能量，实本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种能量回馈型双极性电流脉冲生成电路结构，其特征在于:包括输入滤波电容Cin，第一晶闸管S1，第二晶闸管S2，锂电池Buck变换器，超级电容储能全桥模块，输出滤波电容Co及晶闸管换向电路；输入直流母线正极连接第一晶闸管S1和第二晶闸管S2的阳极，输入直流母线的负极连接超级电容储能全桥模块的下端子；所述第一晶闸管S1的阴极连接锂电池Buck变换器中锂电池的阴极；输出电容Co的上端子与锂电池Buck变换器的第一滤波电感L1的右端子、晶闸管换向电路的上端子相连；输出电容Co的下端子与超级电容储能全桥模块阀组的下端子、晶闸管换向电路的下端子相连。2.根据权利要求1所述的能量回馈型双极性电流脉冲生成电路结构，其特征在于:所述锂电池Buck变换器包括锂电池A、第一Buck开关管S、第一二极管D1及第一滤波电感L1；所述锂电池A的阳极与所述第一Buck开关管S的发射极相连，所述锂电池的阴极与所述第一二极管D1的阳极相连；所述第一Buck开关管S的集电极与所述第一二极管D1的阴极、所述第一滤波电感L1的左端子相连。3.根据权利要求2所述的能量回馈型双极性电流脉冲生成电路结构，其特征在于:所述超级电容储能全桥模块阀组由n个全桥子模块串联构成，n为大于等于3的正整数。4.根据权利要求3所述的能量回馈型双极性电流脉冲生成电路结构，其特征在于:所述全桥子模块包括第一开关管SN1、第二开关管SN2、第三开关管SN3、第四开关管SN4及子模块电容C
N
；所述第一开关管SN1的发射极与第二开关管SN2集电极连接构成第一桥臂，第三开关管SN3的发射极与第四开关管SN4的集电极连接构成的第二桥臂，子模块电容C
N
并联在第一桥臂和第二桥臂两端；第一桥臂和第二桥臂中点作为全桥子模块的输出端口。5.根据权利要求4所述的能量回馈型双极性电流脉冲生成电路结构，其特征在于，所述晶闸管换向电路包括第三晶闸管S3，第四晶闸管S4，第五晶闸管S5和第六晶闸管S6；其中，第三晶闸管S3的阳极与第四晶闸管S4的阳极相连；第三晶闸管S3的阴极与阻感负载的上端子、第五晶闸管S5的阳极相连；第六晶闸管S6的阳极与阻感负载的下端子、第四晶闸管的阴极相连；第六晶闸管的阴极与第五晶闸管的阴极相连。6.根据权利要求5所述的能量回馈型双极性电流脉冲生成电路结构的电流脉冲生成方法，其特征在于，包括控制生成脉冲高度、宽度，脉冲上升、下降时间可调的正向电流脉冲方法及控制生成脉冲高度、宽度，脉冲上升、下降时间可调的反向电流脉冲方法。7.根据权利要求6所述的能量回馈型双极性电流脉冲生成电路结构的电流脉冲生成方法，其特征在于，所述控制生成脉冲高度、宽度，脉冲上升、下降时间可调的正向电流脉冲方法，包括如下步骤：步骤1，打开第三晶闸管S3和第六晶闸管S6；锂电池Buck变换器和超级电容储能全桥模块阀组均投入运...

【专利技术属性】
技术研发人员：黄垂兵，陈武，刘浩然，何晓坤，金浩哲，刘宝龙，张银锋，
申请(专利权)人：中国人民解放军海军工程大学，
类型：发明
国别省市：