一种基于隔离饱和电感的合成射流发生电路制造技术

本发明专利技术公开了一种基于隔离饱和电感的合成射流发生电路，涉及脉冲电源技术领域，包括高压直流充电电路、高压脉冲电路、控制驱动模块、负载储能电容、隔离饱和电感和合成射流激励器；高压直流充电电路连接负载储能电容用于给其充电，高压直流充电电路还通过隔离饱和电感连接高压脉冲电路，合成射流激励器的第一端连接在隔离饱和电感和高压脉冲电路之间；本申请通过隔离饱和电感的设计使得合成射流激励器上开路能顺利叠加脉冲，在气隙间隙恰当情况下，使得合成射流的触发放电由高压脉冲电路控制，同时通过第一和第二隔离模块避免合成射流中大电流对高压脉冲电路产生损坏，整体电路满足体积小、可靠性高、易于拓展等特点。易于拓展等特点。易于拓展等特点。

【技术实现步骤摘要】
一种基于隔离饱和电感的合成射流发生电路


[0001]本专利技术涉及脉冲电源
，尤其是一种基于隔离饱和电感的合成射流发生电路。

技术介绍

[0002]脉冲功率是指将储存的能量以电能的形式，用单脉冲或具有重复频率的短脉冲方式加在负载上，其在污水处理、表面改性、臭氧生成、激光物理、粒子加速器、雷达技术、核物理等领域上具有广泛的应用。其中合成射流主要应用于飞行器流动控制和飞行器除冰等领域。合成射流也是脉冲功率的一种，任何适合脉冲功率系统的能量储存的装置都应该符合高能量密度、高耐压强度、长储能时间、使用寿命长和低成本等特点。其中高压电容器的储能方式因为其稳定且参数易于调节成为脉冲功率电源或者设备的常用方案，市面上80％以上的脉冲系统均是将电容作为主要的储能器件。
[0003]合成射流的发生主要在两个电极之间，因为合成射流负载的特殊性，其在未击穿前呈现出无穷大的阻抗，而在击穿后呈现出很低的弧阻，高压的储能在合成射流激励器击穿后会产生高达数千安的电流，单个固态器件很难同时承受高压和大电流。同时，因为合成射流激励器的电极是极不均匀电场，其放电在某一范围具有较强的随机性，不能在直流条件下实现合成射流的稳定频率触发。
[0004]常规的合成射流电源若要实现稳定的频率触发必然需要高压脉冲能够顺利叠加在合成射流激励器上，同时在合成射流进行时又需要承担合成射流迅速变化的大电流。由于常规的二极管因为单个耐压耐流不满足而采用多二极管串并联的形式作为隔离电路，但其在使用过程中经常容易损坏，导致高压直流和高压脉冲的隔离失效。r/>
技术实现思路

[0005]为此，如何在电路体积小、重量轻的情况下设计高压直流和高压脉冲的隔离措施，本专利技术人提出了一种基于隔离饱和电感的合成射流发生电路，这对合成射流电源小型化及未来应用与发展具有重大意义。
[0006]本专利技术的技术方案如下：
[0007]一种基于隔离饱和电感的合成射流发生电路，包括高压直流充电电路、高压脉冲电路、控制驱动模块、负载储能电容、隔离饱和电感和合成射流激励器；高压直流充电电路连接负载储能电容用于给其充电，高压直流充电电路还通过隔离饱和电感连接高压脉冲电路，合成射流激励器的第一端连接在隔离饱和电感和高压脉冲电路之间，第二端接地；隔离饱和电感的设计条件为在脉冲上升阶段且激励器未击穿前不发生磁芯饱和、呈现高阻抗状态，在脉冲上升阶段之后发生磁芯饱和、呈现低阻抗状态；控制驱动模块分别连接控制高压直流充电电路和高压脉冲电路，使高压直流充电电路和高压脉冲电路在相应工作模态下，将直流电压和脉冲电压叠加于合成射流激励器上，从而实现激励器击穿产生合成射流。
[0008]其进一步的技术方案为，高压直流充电电路包括LC串联谐振原边电路和倍压整流
电路；LC串联谐振原边电路包括直流源、四个固态开关组成的全桥电路、谐振电容、谐振电感和第一变压器，直流源与全桥电路并联连接，全桥电路的第一桥臂中点依次与谐振电容、第一变压器原边、谐振电感和第二桥臂中点相连，每个固态开关的控制端分别连接控制驱动模块；第一变压器副边连接倍压整流电路，倍压整流电路的输出端作为高压直流充电电路的输出端分别连接负载储能电容的第一端和隔离饱和电感的第一端，第一变压器副边的异名端作为高压直流充电电路的地端，与负载储能电容的第二端均接地。
[0009]其进一步的技术方案为，高压脉冲电路包括直流源、第一限流电阻、储能电容、两个固态开关和第二变压器；直流源正极通过第一限流电阻连接储能电容的第一端，直流源负极连接储能电容的第二端，两个固态开关串联后两端连接储能电容，第二变压器原边并联在其中一个固态开关上，记为第一固态开关，每个固态开关的控制端分别连接控制驱动模块；第二变压器副边的同名端作为高压脉冲电路的输出端连接隔离饱和电感的第二端，异名端作为高压脉冲电路的地端接地。
[0010]其进一步的技术方案为，根据法拉第电磁感应定律计算满足设计条件的隔离饱和电感的磁芯截面积和磁芯电感感值；
[0011]其中，设计的磁芯截面积大于最小磁芯截面积，最小磁芯截面积的计算公式为：
[0012][0013]其中，B
s
为饱和磁感应强度，B
r
为剩磁，ΔB
max
为最大可承受磁感应强度，e为感应电动势，N为匝数，为电势，S为磁芯截面积，S
min
为最小磁芯截面积，K
T
为磁芯材料的叠片系数；
[0014]则磁芯截面积满足：
[0015]磁芯电感感值的计算公式为：
[0016]其中，L为磁芯电感值，n为绕线匝数，u为电感导线磁导率，A
c
为磁芯有效截面积；
[0017]l
g
为磁芯长度，且od为磁芯外直径，id为磁芯内直径。
[0018]其进一步的技术方案为，控制驱动模块包括控制单元、充电电路驱动单元和脉冲电路驱动单元；控制单元包括第一隔离电源芯片和与其相连的单片机，充电电路驱动单元包括第二隔离电源芯片和与其相连的两个半桥驱动芯片，脉冲电路驱动单元包括第二隔离电源芯片、两个第三隔离电源芯片和两个单端隔离驱动芯片，第三隔离电源芯片一端连接第二隔离电源芯片，另一端连接一个单端隔离驱动芯片，各个隔离电源芯片用于给相连芯片提供所需电压；单片机的第一、第二输出端连接每个半桥驱动芯片的输入端，半桥驱动芯片的两个输出端连接高压直流充电电路的全桥电路中同一桥臂上的两个固态开关的控制
端；单片机的第三、第四输出端分别连接一个单端隔离驱动芯片的输入端，单端隔离驱动芯片的输出端连接高压脉冲电路的相应固态开关的控制端；单片机输出的四路IO信号用于控制不同固态开关的导通状态，使高压直流充电电路和高压脉冲电路在一个工作周期内按照设定工作模态产生直流电压和脉冲电压。
[0019]其进一步的技术方案为，一个工作周期内高压直流充电电路包括四种工作模态：
[0020]工作模态一：闭合第一桥臂的上开关和第二桥臂的下开关，断开第一桥臂的下开关和第二桥臂的上开关，直流源与谐振电容、谐振电感产生谐振，谐振电流经过第一变压器传递到副边给负载储能电容充电；
[0021]工作模态二：断开全桥电路的所有固态开关，谐振电流续流，给负载储能电容充电，经过半个谐振周期后，谐振电流断续，停止给负载储能电容充电；
[0022]工作模态三：闭合第一桥臂的下开关和第二桥臂的上开关，断开第一桥臂的上开关和第二桥臂的下开关，直流源与谐振电容、谐振电感产生谐振，谐振电流经过第一变压器传递到副边给负载储能电容充电；
[0023]工作模态四：断开全桥电路的所有固态开关，谐振电流续流，给负载储能电容充电，经过半个谐振周期后，谐振电流断续，停止给负载储能电容充电；
[0024]基于高压直流充电电路的工作模态，负载储能电容电压在到达预定终态电压前呈现出线性充电状态。
[0025]其进一步的技术方案为，一个工作周期内高压脉冲电路包括三种工作模态：
[0026]工作模态一：闭合第一本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于隔离饱和电感的合成射流发生电路，其特征在于，包括高压直流充电电路、高压脉冲电路、控制驱动模块、负载储能电容、隔离饱和电感和合成射流激励器；所述高压直流充电电路连接所述负载储能电容用于给其充电，所述高压直流充电电路还通过所述隔离饱和电感连接所述高压脉冲电路，所述合成射流激励器的第一端连接在隔离饱和电感和高压脉冲电路之间，第二端接地；隔离饱和电感的设计条件为在脉冲上升阶段且激励器未击穿前不发生磁芯饱和、呈现高阻抗状态，在脉冲上升阶段之后发生磁芯饱和、呈现低阻抗状态；所述控制驱动模块分别连接控制高压直流充电电路和高压脉冲电路，使所述高压直流充电电路和高压脉冲电路在相应工作模态下，将直流电压和脉冲电压叠加于合成射流激励器上，从而实现激励器击穿产生合成射流。2.根据权利要求1所述的基于隔离饱和电感的合成射流发生电路，其特征在于，所述高压直流充电电路包括LC串联谐振原边电路和倍压整流电路；所述LC串联谐振原边电路包括直流源、四个固态开关组成的全桥电路、谐振电容、谐振电感和第一变压器，所述直流源与所述全桥电路并联连接，全桥电路的第一桥臂中点依次与谐振电容、第一变压器原边、谐振电感和第二桥臂中点相连，每个固态开关的控制端分别连接所述控制驱动模块；第一变压器副边连接所述倍压整流电路，倍压整流电路的输出端作为高压直流充电电路的输出端分别连接负载储能电容的第一端和隔离饱和电感的第一端，第一变压器副边的异名端作为高压直流充电电路的地端，与负载储能电容的第二端均接地。3.根据权利要求1所述的基于隔离饱和电感的合成射流发生电路，其特征在于，所述高压脉冲电路包括直流源、第一限流电阻、储能电容、两个固态开关和第二变压器；直流源正极通过所述第一限流电阻连接储能电容的第一端，直流源负极连接储能电容的第二端，两个固态开关串联后两端连接所述储能电容，第二变压器原边并联在其中一个固态开关上，记为第一固态开关，每个固态开关的控制端分别连接所述控制驱动模块；第二变压器副边的同名端作为高压脉冲电路的输出端连接隔离饱和电感的第二端，异名端作为高压脉冲电路的地端接地。4.根据权利要求1所述的基于隔离饱和电感的合成射流发生电路，其特征在于，根据法拉第电磁感应定律计算满足设计条件的隔离饱和电感的磁芯截面积和磁芯电感感值；其中，设计的磁芯截面积大于最小磁芯截面积，最小磁芯截面积的计算公式为：其中，B
s
为饱和磁感应强度，B
r
为剩磁，ΔB
max
为最大可承受磁感应强度，e为感应电动势，N为匝数，为电势，S为磁芯截面积，S
min
为最小磁芯截面积，K
T
为磁芯材料的叠片系数；则所述磁芯截面积满足：
磁芯电感感值的计算公式为：其中，L为磁芯电感值，n为绕线匝数，u为电感导线磁导率，A
c
为磁芯有效截面积；l
g
为磁芯长度，且od为磁芯外直径，id为磁芯内直径。5.根据权利要求1所述的基于隔离饱和电感的合成射流发生电路，其特征在于，所述控制驱动模块包括控制单元、充电电路驱动单元和脉冲电路驱动单元；所述控制单元包括第一隔离电源芯片和与其相连的单片机，所述充电电路驱动单元包括第二隔离电源芯片和与其相连的两个半桥驱动芯片，所述脉冲电路驱动单元包括第二隔离电源芯片、两个第三隔离电源芯片和两个单端隔离驱动芯片，所述第三隔离电源芯片一端连接所述第二隔离电源芯片，另一端连接一个所述单端隔离驱动芯片，各个隔离电源芯片用于给相连芯片提供所需电压；所述单片机的第一、第二输出...

【专利技术属性】
技术研发人员：吴淑群，梅坤，汪一凡，
申请(专利权)人：南京航空航天大学，
类型：发明
国别省市：