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一种基于恒 能量斩波技术的脉冲功率合成电路

阅读：467发布：2024-02-02

专利汇可以提供一种基于恒能量斩波技术的脉冲功率合成电路专利检索，专利查询，专利分析的服务。并且本实用新型是一种基于恒能量斩波技术的脉冲功率合成电路，它由斩波回路、控制回路、传输回路和合成回路组成，斩波回路和传输回路有多级，且并联于电源和合成回路之间，同级斩波回路和传输回路通过同级变压器耦合连接，各级斩波回路和传输回路的电路结构相同，合成回路的电路元器件及连接关系为：电感L的右端、电容C的上端与负载R的上端相连，电容C的下端与负载R的下端相连，电感L的左端为合成回路输入上端，电容C的下端为合成回路输入下端；电容C的两端为合成回路的输出端。本实用新型恒功率输出、功率大小可调且合成波形频率可调、波形失真度较低，能够让开关器件工作在软开关状态，输出功率电路短路时不损坏主功率器件，负载合成功率大。(ESM)同样的发明创造已同日申请发明专利，下面是一种基于恒能量斩波技术的脉冲功率合成电路专利的具体信息内容。

权利要求

1.一种基于恒能量斩波技术的脉冲功率合成电路，其特征在于它由斩波回路、控制回路、传输回路和合成回路组成，斩波回路和传输回路有多级，且并联于电源和合成回路之间，同级斩波回路和传输回路通过同级变压器耦合连接，各级斩波回路和传输回路的电路结构相同，其中
合成回路的电路元器件及连接关系为：电感L的右端、电容C的上端与负载R的上端相连，电容C的下端与负载R的下端相连，电感L的左端为合成回路输入上端，电容C的下端为合成回路输入下端；电容C的两端为合成回路的输出端；
第一级斩波回路的电路元器件及连接关系为：场效应管K11的漏极、二极管VD15的阴极、场效应管K12的漏极、二极管VD16的阴极与电源E的正极相连；场效应管K11的源极、二极管VD15的阳极与二极管VD11的阳极相连；场效应管K12的源极、二极管VD16的阳极与二极管VD12的阳极相连；二极管VD11的阴极、二极管VD13的阳极与电感L1的左端相连；二极管VD12的阴极、二极管VD14的阳极与电感L1的右端相连；二极管VD13的阴极、二极管VD17的阴极与场效应管K13的漏极相连；二极管VD14的阴极、二极管VD18的阴极与场效应管K14的漏极相连；二极管VD17的阳极、场效应管K13的源极、二极管VD18的阳极、场效应管K14的源极与电源E的负极相连并接地；
第一级传输回路的电路元器件及连接关系为：变压器T1的原边上端接电感L1的左端；
变压器T1的原边下端接电感L1的右端；变压器T1副边上端、二极管VDT11阴极与场效应管KT11漏极相连；二极管VDT11的阳极、场效应管KT11源极、电容C11上端与电感L11左端相连；
电感L11右端、电容C12上端与电感L左端相连；变压器T1副连下端、二极管VDT12阴极与场效应管KT12漏极相连；二极管VDT12阳极、场效应管KT12源极、电容C11下端与电感L12左端相连；电感L12右端、电容C12下端与电容C下端相连；电感L11的右端与电容C12的上端相连；电感L12的右端与电容C12的下端相连；电容C12的上、下端分别为第一级传输回路的输出上、下端，并与合成回路的输入上、下端连接；
脉冲信号G11、G12、G13、G14分别为第一级斩波回路中场效应管K11、K12、K13、K14的控制信号，脉冲信号GT11、GT12分别为第一级传输回路中场效应管KT11、KT12的控制信号，脉冲信号G11、G12、G13、G14、GT11、GT12构成第一级斩波、传输回路的控制回路；脉冲信号G11、G12、G13、G14、GT11、GT12至Gn1、Gn2、Gn3、Gn4、GTn1、GTn2分别为第1-n级斩波、传输回路场效应管的控制信号，即第1-n级控制回路。
2.根据权利要求1所述基于恒能量斩波技术的脉冲功率合成电路，其特征在于各级传输回路中的电感为平波电感，电容为平波电容。
3.根据权利要求1所述基于恒能量斩波技术的脉冲功率合成电路，其特征在于各级斩波回路中的电感为储能电感。
4.根据权利要求1所述基于恒能量斩波技术的脉冲功率合成电路，其特征在于各级储能电感的两端为斩波回路的输出端，分别接同级耦合变压器的原边上下端。

说明书全文

一种基于恒能量斩波技术的脉冲功率合成电路

技术领域

[0001] 本实用新型是一种基于恒能量斩波技术的脉冲功率合成电路。

背景技术

[0002] 在一些精密加工场合，如中频电机，其需要频率恒定且功率很高的能量，再如超高速钻头，其需要恒定功率但频率很高的能量，且上述两种场合均要求合成波形含有的谐波成分较低，现有PWM技术在功率合成时，合成功率的大小不可调，合成波形的频率有限，且合成高功率时，因斩波频率很高，电压、电流变化率太高，控制信号、负载合成波形受到的干扰十分严重，且电路在工作时面临过压、过流、过热损坏功率管的危险。

[0003] 在现有技术中，传统PWM技术采用电压斩波方式工作，即脉宽调制的方式变流，但存在以下问题：

[0004] 功率器件在开通关断过程承受瞬时功率很高的开关损耗，随着变流功率的增大和斩波频率的提高，开关损耗也会随之增大，功率器件有烧坏危险。

[0005] PWM变流的传输方式为电压传输特性，如果要求输出功率为恒定，则需要在负载处实施电压、电流的双闭环控制，此种控制方式复杂且控制电路难以实现。

[0006] 在合成较大功率时，斩波桥斩波频率较大，且电压、电流变化率极高，控制电路、传输回路受到很大的干扰，导致电路不能正常工作，且较高的斩波频率使得变压器的分布参数对电路的干扰影响也很大。发明内容

[0007] 为此，本实用新型提出一种恒功率输出、功率大小可调且合成波形频率可调、波形失真度较低的功率合成电路，即一种基于恒能量斩波技术的脉冲功率合成电路，该合成电路能够让开关器件工作在软开关状态，输出功率电路短路时不损坏主功率器件，负载合成功率大，以此解决现有技术的不足。

[0008] 本实用新型提出的这种基于恒能量斩波技术的脉冲功率合成电路，其特征在于它由斩波回路、控制回路、传输回路和合成回路组成，斩波回路和传输回路有多级，且并联于电源和合成回路之间，同级斩波回路和传输回路通过同级变压器耦合连接，各级斩波回路和传输回路的电路结构相同，其中

[0009] 合成回路的电路元器件及连接关系为：电感L的右端、电容C的上端与负载R的上端相连，电容C的下端与负载R的下端相连，电感L的左端为合成回路输入上端，电容C的下端为合成回路输入下端；电容C的两端为合成回路的输出端；

[0010] 第一级斩波回路的电路元器件及连接关系为：场效应管K11的漏极、二极管VD15的阴极、场效应管K12的漏极、二极管VD16的阴极与电源E的正极相连；场效应管K11的源极、二极管VD15的阳极与二极管VD11的阳极相连；场效应管K12的源极、二极管VD16的阳极与二极管VD12的阳极相连；二极管VD11的阴极、二极管VD13的阳极与电感L1的左端相连；二极管VD12的阴极、二极管VD14的阳极与电感L1的右端相连；二极管VD13的阴极、二极管VD17的阴极与场效应管K13的漏极相连；二极管VD14的阴极、二极管VD18的阴极与场效应管K14的漏极相连；二极管VD17的阳极、场效应管K13的源极、二极管VD18的阳极、场效应管K14的源极与电源E的负极相连并接地。

[0011] 第一级传输回路的电路元器件及连接关系为：变压器T1的原边上端接电感L1的左端；变压器T1的原边下端接电感L1的右端；变压器T1副边上端、二极管VDT11阴极与场效应管KT11漏极相连；二极管VDT11的阳极、场效应管KT11源极、电容C11上端与电感L11左端相连；电感L11右端、电容C12上端与电感L左端相连；变压器T1副连下端、二极管VDT12阴极与场效应管KT12漏极相连；二极管VDT12阳极、场效应管KT12源极、电容C11下端与电感L12左端相连；电感L12右端、电容C12下端与电容C下端相连；电感L11的右端与电容C12的上端相连；电感L12的右端与电容C12的下端相连；电容C12的上、下端分别为第一级传输回路的输出上、下端，并与合成回路的输入上、下端连接；

[0012] 脉冲信号G11、G12、G13、G14分别为第一级斩波回路中场效应管K11、K12、K13、K14的控制信号，脉冲信号GT11、GT12分别为第一级传输回路中场效应管KT11、KT12的控制信号，脉冲信号G11、G12、G13、G14、GT11、GT12构成第一级斩波、传输回路的控制回路；脉冲信号G11、G12、G13、G14、GT11、GT12至Gn1、Gn2、Gn3、Gn4、GTn1、GTn2分别为第1-n级斩波、传输回路场效应管的控制信号，即第1-n级控制回路。

[0013] 所述各级传输回路中的电感为平波电感，电容为平波电容。

[0014] 所述各级斩波回路中的电感为储能电感。

[0015] 各级储能电感的两端为斩波回路的输出端，分别接同级耦合变压器的原边上下端。

[0016] 本实用新型的工作原理如下：

[0017] 如上所述，功率合成电路由四大回路组成，分别是斩波回路，控制回路，传输回路，合成回路。各回路的工作过程如下：

[0018] 斩波回路：通过控制n个斩波回路的功率开关管开通和关断，n个传输回路上就可以获得固定值的功率。功率值大小可改变功率开关管开通和关断的次数来实现，即改变斩波频率值，就可以获得相应的与斩波信号频率变化有关的不同值的输出功率，且改变后均为恒定输出。

[0019] 控制方式：n个斩波回路分时导通，即根据合成功率的需要，让n路斩波回路的任意一路或几路分时导通，n个对应的传输回路相应跟随传输，n路斩波桥的控制脉冲在周期上“错位”控制，每一路斩波桥的脉冲周期之内，每一个脉冲让斩波回路中的功率开关管关断和开通一次，每一次通断即可得到一个功率值固定的功率，在功率开关管开通时储存能量，关断时释放能量，脉冲周期内脉冲个数的不同使得开关管的通断频率发生改变，从而让负载从传输回路得到所需任何功率。

[0020] 传输回路：采用n个变压器并联传输模式，即n个变压器及其产效应管、平波电感、平波电容构成n个传输回路，分别接到相应斩波桥储能电感处，斩波桥通断一次，能量传输回路传输能量，在一个脉冲周期内，每路斩波桥的“桥臂”交替导通，在储能电感上分别产生极性为“左正右负”和“左负右正”的能量团，在传输回路中，分别由相应的变压器、产效应管、平波电容、平波电感组成的传输回路，传输相应极性的能量团。

[0021] 合成回路：n个斩波桥—n个变压器及其产效应管、平波电感、平波电容构成n个能量传输单元，共有2n种组合方式，即根据合成功率的大小，通过控制脉冲让任意一路或者几路导通，导通回路传输相应斩波桥对应的能量，组合传输的任意路传输回路叠加后，LC环节滤波，向负载传输，在负载合成功率，负载合成的功率可以达到较大值且恒定传输。n路斩波回路任意一路或者几路产生的能量，通过相应的n个传输回路并联传输，最后叠加再一起传输到负载，完成功率合成。

[0022] 实测表明：控制每一路斩波回路的斩波频率，从而让斩波回路、传输回路的功率可调，通过组合传输的方式，合成的功率可调且可以合成较大功率，斩波输出的能量波形失真度低，合成波形失真度低。

[0023] 有益效果：

[0024] 实测所完成的功率变流电路，与传统的PWM变流电路相比，具有以下优点：

[0025] （1）所有主开关器件均工作在软开关状态，不易烧管。

[0026] （2）可完全采用数字信号直接控制斩波频率，输出功率电路短路不损坏主功率器件，电路的效率高。

[0027] （3）负载合成的功率在一定范围内可调，调节后恒功率输出，n路传输回路或者任意路以组合方式传输斩波能量团，再叠加向负载传输，负载合成功率较大。

[0028] （4）单个传输回路体积小，斩波频率低，分布参数低，且变压器具有电气隔离作用，斩波信号及控制信号干扰小，负载合成波形失真度低。

[0029] （5）n级斩波避免了单个斩波回路斩波频率较高，避免了变压器传输功率受限的缺陷，同时分布参数、干扰信号的影响也较低。附图说明

[0030] 图1为本实用新型的电路图。

[0031] 图1中，标号为1的虚线框所在区块电路为斩波回路，即每一级斩波回路是同级耦合变压器原边上、下端左边的电路；标号为2的虚线框所在区块为传输回路，即每一级传输回路是同级耦合变压器原边上、下端右边到合成回路输入端的电路；标号为3的虚线框所在区块为合成回路。

具体实施方式

[0032] 下面结合附图进一步说明本实用新型。

[0033] 如图1所示，本实用新型中场效应管、二极管的规格，电容、电阻、电感的大小等参数的计算与现有技术完全相同，属成熟技术故不再作论述。

[0034] 电感L11 Ln1、L12 Ln2为平波电感；电容C11 Cn1、C12 Cn2为平波电容；电感L为滤~ ~ ~ ~波电感、电容C为滤波电容，它们构成LC滤波回路。

[0035] 其中场效应管（K11、K12、K13、K14）···（Kn1、Kn2、Kn3、Kn4）分别构成斩波回路1n级的斩波回路，电感L1 Ln为斩波回路1 n级的储能电感，变压器T1 Tn及其场效应管、平~ ~ ~ ~波电感、平波电容构成n级传输回路，储能电感L1 Ln的i1（i=1，2···n）端即左端和i2（i=~
1，2···n）端即右端为斩波回路1 n级的输出端，分别接同级耦合变压器T1 Tn原边的上、~ ~
下端。

[0036] 电源E的正极、斩波回路1 n的正极性端相连。电源E的负极、斩波回路1 n的负极性~ ~端相连，而后接地。

[0037] 斩波回路1 n级的内部连接关系一致，在此以斩波回路1为例说明其内部连接关~系，其余斩波回路内部连接关系与此关系一致。

[0038] 斩波回路1：场效应管K11的漏极、二极管VD15的阴极、场效应管K12的漏极、二极管VD16的阴极与电源E的正极相连；场效应管K11的源极、二极管VD15的阳极与二极管VD11的阳极相连；场效应管K12的源极、二极管VD16的阳极与二极管VD12的阳极相连；二极管VD11的阴极、二极管VD13的阳极与储能电感L1的11端相连；二极管VD12的阴极、二极管VD14的阳极与储能电感L1的12端相连；二极管VD13的阴极、二极管VD17的阴极与场效应管K13的漏极相连；二极管VD14的阴极、二极管VD18的阴极与场效应管K14的漏极相连；二极管VD17的阳极、场效应管K13的源极、二极管VD18的阳极、场效应管K14的源极与电源E的的负极相连，而后接地。

[0039] 变压器T1 Tn的原边上端分别接到储能电感L1 Ln的i1（i=1，2···n）端。变压器~ ~T1 Tn的原边下端分别接到储能电感L1 Ln的i2（i=1，2···n）端。
~ ~

[0040] 变压器T1 Tn的副边连接关系相同，故在此仅描述变压器T1的副边连接关系,其余~变压器副边连接关系与此关系一致。

[0041] 传输回路1：变压器T1的原边上端接储能电感L1的11端；变压器T1的原边下端接储能电感L1的12端；变压器T1副边上端、二极管VDT11阴极与场效应管KT11漏极相连；二极管VDT11的阳极、场效应管KT11源极、平波电容C11上端与平波电感L11左端相连；平波电感L11右端、平波电容C12上端与滤波电感L左端相连；变压器T1副连下端、二极管VDT12阴极与场效应管KT12漏极相连；二极管VDT12阳极、场效应管KT12源极、平波电容C11下端与平波电感L12左端相连；平波电感L12右端、平波电容C12下端与滤波电容C下端相连；平波电感L11的右端与平波电容C12的上端相连；平波电感L12的右端与平波电容C12的下端相连；平波电容C12的上、下端分别为第一级传输回路的输出上、下端，并与合成回路的输入上、下端连接。

[0042] 平波电感L11 Ln1的右端分别与平波电容与C12 Cn2的上端对应相连，而后接滤波~ ~电感L的左端。平波电感L12 Ln2的右端分别与平波电容C12 Cn2的下端对应相连后，接到滤~ ~
波电容C的下端。滤波电感L的右端、滤波电容C的上端与负载R的上端相连。负载R的下端与滤波电容C的下端相连。

[0043] 控制回路1 n的连接关系相同，再此以第一级控制回路为例说明连接关系，脉冲信~号G11、G12、G13、G14、GT11、GT12分别接场效应管 K11、K12、K13、K14、KT11、KT12的栅极。

[0044] 本实用新型所述控制回路可以理解为脉冲信号源，为现有技术。

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