[发明专利]一种基于DA变换控制上升沿、下降沿的脉冲发生器

说明书

技术领域

本发明涉及脉冲发生器电路，尤其是一种能精确控制电感负载的脉冲电流的上升沿、下降沿，能适应大范围的电流变化率要求的脉冲发生器电路。

技术背景

加速器等物理实验装置经常要利用磁场对带电粒子进行运动控制，有时要求对磁铁脉冲电流的上升沿、下降沿能进行程序控制，找到一个最佳工作状态。磁铁对脉冲电源相当于一个电感负载，而大范围的电流变化率使得脉冲电源的瞬态输出或吸收功率大范围的变化，甚至到几个数量级。

通常脉冲电源采用充放电的方式产生脉冲时，脉冲波形的上升沿、平顶、下降沿不容易被控制，更谈不上控制精确的产生大范围的电流变化率。采用IGBT功率放大的方式产生脉冲，通过改变IGBT栅极触发脉冲占空比可以灵活地控制电源输出脉冲的上升沿、平顶和下降沿，但当应对大范围的电流变化率时，电路的工作状态很差，精度效率都很低。本发明的目的在于实现能克服上述两种脉冲发生器的缺点，高精度、高效率的实现大范围的输出功率变化，因而高精度、高效率的实现电感大范围的电流变化率。

中国专利CN1346234A公开了一种高能加速器用脉冲电源。该电源用电子开关改变电容的串并联以缩短脉冲的上升下降时间，但无法实现上升沿、下降沿形状精确控制，中国专利CN2622933Y公开了一种可以控制脉冲形状的电源，但由于采用线性调节，损耗很大，调节范围和精度受到很大的限制。

发明内容

实际使用的电流脉冲经常是仅对其中的一个边沿进行大范围的电流变化率进行控制。图1示出了仅对脉冲的下降沿进行大范围的电流变化率控制的脉冲电源主电路(为便于表述，先不考虑变压器的磁复位)。图中脉冲的上升沿和下降沿的控制共用由整流器给出的直流电源，下降沿吸收的能量可以补充大部分上升沿过程的能量输出。脉冲上升沿由常规的DC/DC变换器控制，即所谓的IGBT功率放大，相对较小的电流变化率范围的波型也可以灵活的控制。而脉冲的下降沿则由变比的比值为1∶2∶4∶8∶16……的一组串联变压器来控制，每一个变压器的初级都接有电流容量与变比相关的短路IGBT和钳位二极管。

为便于对原理的表述，不考虑变压器的磁复位，将图1简化为图2。

对电感L₁充电时由T₁₁、T₁₂、D₁₃、D₁₄、TR₁、D₁₁、D₁₂组成的隔离变换器工作，给出正向电压，T₂导通，理想情况下，变压器TR₂两端的电压为0，电感电流上升，变压器TR₂两边存在安匝数相等方向相反的电流。改变正向电压的数值，可以调节升流数率。

当电感L₁中的电流达到预定值后，隔离变换器停止工作。此时电感L₁，二极管D₁₁，变压器TR₂构成回路，而降流数率则受控于T₂。当T₂导通时，降流的数率为0，当T₂关断时，变压器TR₂的次级电压为nVcc，降流数率遵守didt=VL.]]>

图3给出了仅对脉冲的上升沿进行大范围的电流变化率控制脉冲电源的主电路(为便于表述，先不考虑变压器的磁复位)。同样图中脉冲的上升沿和下降沿的控制共用由整流器给出的直流电源，下降沿吸收的能量可以补充大部分上升沿过程的能量输出。脉冲的上升沿则由变比的比值为1∶2∶4∶8∶16……的一组串联变压器来控制，每一个变压器的初级都接有电流容量与变比相关的短路二极管和IGBT驱动管，而脉冲的下降沿的变化则可由电路II中的IGBT做PWM控制来实现。

电路的工作原理与一般的DA转换器相近，因此可以定义为功率DA转换器。

当然，如果脉冲电流的上升沿、下降沿都要求大范围的电流变化率的变化时，图4所示的结合两者工作原理的电路就是自然的。

本发明最适合那些脉冲宽度介于几十微秒到几毫秒之间，占空比小于0.1，输出电流变化率大而导致输出瞬态功率变化在2个数量级以上的脉冲电源。