一种高压脉冲电源及其控制方法

1.本发明涉及等离子体应用领域，特别是涉及一种高压脉冲电源及其控制方法。


背景技术：

2.大气压低温等离子体作为一项前沿技术，被广泛用于表面处理、材料消毒和生物医疗等领域。等离子体的特性与其产生方法和参数密切相关。与正弦波形相比，使用脉冲电源驱动的等离子体可以获得更长的射流长度以及更高的活性粒子密度。因此，脉冲电源在产生等离子体射流方面有着非常明显的优势。
3.目前，脉冲高压电源的技术路线有以下几种，使用marx发生器的高压脉冲电源，使用脉冲形成网络、使用脉冲变压器等。然而，目前绝大多数的脉冲电源体积和重量都比较大，且存在负载端放电干扰传递到前端影响控制问题，从而影响了等离子体发生系统的便携性和普及性。


技术实现要素：

4.为解决传统的脉冲电源体积和重量都较大、且负载端放电干扰传递到前端影响控制的问题，本发明提出一种高压脉冲电源及其控制方法。
5.本发明的技术问题通过以下的技术方案予以解决：
6.一种高压脉冲电源，包括驱动电路、压变电压器、输入采样电路、输出采样电路、控制器，其中，驱动电路与压变电压器串联连接；
7.驱动电路用于根据控制信号将直流电压逆变为谐振电压，并将所述谐振电压输入压电变压器；
8.输出采样电路用于采集压电变压器输出的电压；
9.输入采样电路用于采集输入到压电变压器谐振支路的电流；
10.控制器用于接收所述输出采样电路采集的电压和所述输入采样电路采集的电流，生成并发送控制信号至所述驱动电路，对压电变压器的工作频率加以控制，使其跟踪所述压电变压器谐振支路的谐振频率；
11.压电变压器用于输出脉冲波形。
12.在一些实施例中，所述驱动电路包括信号调理电路，所述信号调理电路用于对控制器输出的控制信号进行调理，并将所述信号调理电路输出的输出信号转变成能够驱动所述压电变压器的功率输出。
13.在一些实施例中，所述信号调理电路逻辑表示为：
14.output＝input1+input
′2input3+input
′4input5；
15.其中output为输出信号，input1、input2、input3、input4、input5为控制器输出的五个不同占空比的pwm信号。
16.在一些实施例中，还包括输入滤波电路，所述输入滤波电路用于滤除所述驱动电路输出的高频分量。
17.在一些实施例中，所述输入滤波电路包括二阶滤波器，所述二阶滤波器由驱动电路和压电变压器之间外加的输入电感以及压电变压器的输入电容构成；
18.所述二阶滤波器的截止频率大于所述压电变压器的工作频率的三倍频，同时其能够消除所述压电变压器的工作频率的四倍频及以上的电压。
19.在一些实施例中，所述输出采样电路包括电压采样支路、电压采样二极管和电压采样电阻，所述电压采样二极管和所述电压采样电阻串联连接，所述电压采样支路与所述电压采样二极管和所述电压采样电阻的输出并联连接，所述电压采样二极管与所述电压采样电阻对所述压电变压器输出的等效脉冲电压整流为直流电。
20.在一些实施例中，输入到所述压电变压器谐振支路的电流由基波和二次、三次谐波构成。
21.在一些实施例中，所述输入采样电路包括与所述压电变压器的输入端并联的电流采样电容c
x
和输入电流采样电阻r
x
，所述电流采样电容远小于所述压电变压器的输入电容c
in
，且电流采样电容c
x
和输入电流采样电阻r
x
构成的回路时间常数远小于所述驱动电路工作频率的周期t。
22.在一些实施例中，所述控制器采用单片机stm32；所述驱动电路为半桥逆变电路。
23.本发明还提出了一种用于控制上述的高压脉冲电源的高压脉冲电源控制方法，包括如下步骤：
24.s1、根据控制信号将直流电压逆变为谐振电压；
25.s2、采集输入到压电变压器谐振支路的电流和压电变压器输出的电压；
26.s3、根据采集到的电流和电压，发送控制信号，使得压电变压器的工作频率能够跟踪谐振频率。
27.本发明与现有技术对比的有益效果包括：
28.本发明提出的高压脉冲电源，通过输入采样电路和输出采样电路分别采集压电变压器的输出电压和输入到压电变压器的电流，通过控制器控制驱动电路的输出，从而使得压电变压器的工作频率接近谐振频率，同时保持压电变压器的输出接近于脉冲波形，进而保证较高的输出电压，并减小了高压脉冲电源的体积，实现了实时控制、功率小、小型化、便携式的高压脉冲电源；传统的脉冲电源采用传统的变压器，负载端放电时干扰传递到前端影响驱动电路的控制，而本发明采用的是压电变压器不会往前传递干扰，从而解决负载端放电时干扰控制驱动电路的问题。
29.在一些实施例中，本发明通过对压电变压器谐振支路电流的谐波分解，生成控制信号，能够实现输出不同的输出波形并进行定量控制。
30.本发明实施例中的其他有益效果将在下文中进一步述及。
附图说明
31.图1是本发明实施例中高压脉冲电源电路框图；
32.图2是本发明另一实施例中高压脉冲电源电路框图；
33.图3是本发明实施例中信号调理电路调理前的控制信号示意图；
34.图4是本发明实施例中信号调理电路逻辑示意图；
35.图5是本发明实施例中压电变压器单分支等效电路示意图；
36.图6是本发明实施例中压电变压器三分支等效电路示意图；
37.图7是本发明实施例中输出采样电路示意图；
38.图8是本发明实施例中输入采样电路示意图；
39.图9是本发明实施例中压电变压器的输出波形示意图。
具体实施方式
40.下面对照附图并结合优选的实施方式对本发明作进一步说明。需要说明的是，在不冲突的情况下，本技术中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。
41.需要说明的是，本实施例中的左、右、上、下、顶、底等方位用语，仅是互为相对概念，或是以产品的正常使用状态为参考的，而不应该认为是具有限制性的。
42.从目前来看，小型化、便携式的等离子体脉冲电源具有非常迫切的工业应用需求和重要的研究价值。
43.压电变压器是一种新型的电子变压器，其体积小，输出电压高，功率小，因此非常适合用于等离子体射流的产生。然而，目前压电变压器多应用在高压直流、交流电源中，而脉冲电源输出的应用较少，且压电变压器控制方法复杂。
44.为了满足新提出的谐波分解方法对压电变压器谐振电流的幅值与相位进行快速的分解计算方法，为了满足对压电变压器谐波电流的幅值和相位进行快速分解计算。传统的控制方法仅仅控制幅值。而且能实现实时控制以及小型化和便携化，提出了一种基于压电变压器的高压脉冲电源方案。
45.本发明实施例主要针对目前的脉冲电源体积和重量都较大的问题，提出了一种基于压电变压器的紧凑型准脉冲高压电源，满足了压电变压器的特殊控制要求，为等离子体射流系统的便携性和小型化提供方案。
46.如图1所示，包括驱动电路、压变电压器、输入采样电路、输出采样电路、控制器，其中，驱动电路与压变电压器串联连接；
47.驱动电路用于根据控制信号将直流电压逆变为谐振电压，并将谐振电压输入压电变压器；其中谐振电压也是交流电压；
48.输出采样电路用于采集压电变压器输出的电压；
49.输入采样电路用于采集输入到压电变压器谐振支路的电流；
50.控制器用于接收输出采样电路采集的电压和输入采样电路采集的电流，生成并发送控制信号至驱动电路，对压电变压器的工作频率加以控制，使其跟踪压电变压器谐振支路的谐振频率；压电变压器用于输出脉冲波形。
51.其中输入采样电路能够对谐振电流进行估算和采样，并能够配合新提出的谐波分解方法满足对幅值和相位的实时采样，谐波分解方法对谐振电流的幅值与相位进行快速的分解计算。
52.主要难点有以下两点：
53.①
实现等离子体脉冲源的小型化和便携化；
54.②
基于压电变压器实现脉冲电压输出。
55.对特定压电变压器，其升压比取决于两个参数，工作频率f和负载r
l
。压电变压器工作在谐振频率时具有较高的升压比和效率。这是由于，压电变压器在多个频率下都能产
生较大幅度的机械振动并向副边传递一定功率的能量。从等效电路的角度，可以理解为压电变压器具有多个不同的谐振频率，在多个不同的频率下均有比较高的升压比。如果压电变压器输入波形的频谱分布与谐振频率相同，那么压电变压器就可以传递多个频率的能量，从而使压电变压器的输出波形含有不同频率的电压分量。如果能够控制周期电压信号的频谱，即所含基波与谐波的幅值和相位，就能够控制压电变压器的输出波形。
56.另一方面，由于压电变压器的高电压增益的维持需要保证其工作频率接近或等于谐振频率。但是随着负载、温度的变化，压电变压器等效电路参数会发生变化，压电变压器的谐振频率也会随之改变。因此，需要对压电变压器的工作频率加以控制使其跟踪谐振频率。
57.本发明实施例提出的基于压电变压器的高压脉冲电源为实现对压电变压器的多模态控制，需要对压电变压器输入电流的谐波幅值和相对相位进行采样。除此之外，为了保证压电变压器保持较高的输出电压，需要保证压电变压器的工作频率接近或者保持在其谐振频率，为实现压电变压器的脉冲输出控制，需要保证工作频率接近或保持谐振频率，而实现跟踪的前提是频率跟踪功能。即频率跟踪功能。包括以下部分：
58.驱动电路、输入滤波电路、输入采样电路、输出采样电路以及其他电路；
59.其中，驱动电路为mosfet组成的半桥逆变电路，用于根据控制信号将直流电压逆变为谐振电压，从而将谐振电压输入压电变压器。
60.压电变压器的输出采样电路用以采集压电变压器的输出电压的幅值大小；
61.而压电变压器的输入采样电路用以采集、分析和计算经过滤波之后输入到压电变压器的电流。
62.采样得到的电路工作状态统一由控制器进行处理，其中电路工作状态包括输入采样电路采集的电流和输出采样电路采集的电压，生成并发送控制信号至所述驱动电路，对压电变压器的工作频率加以控制，以保证压电变压器的工作频率接近压电变压器谐振支路的谐振频率，同时保持压电变压器的输出接近于脉冲波形。本电路整体由外接的直流电源进行供电。
63.在一些实施例中，可以在驱动电路与压电变压器之间添加了输入滤波电路，这样可以滤除半桥逆变器输出的高频分量以提高压电变压器的工作效率。
64.有益效果如下：
65.本发明实施例提出的基于压电变压器的高压脉冲电源，能够为实现基于新提出的谐波分解方法的压电变压器多模态控制提供硬件平台，能够实现不同的输出波形并进行定量控制。此外，通过频率跟踪实现较高的输出电压。满足了压电变压器实现脉冲输出的特殊控制要求，为高活性低温等离子体发生系统的便携性和小型化提供方案。
66.实施例：
67.为实现压电变压器的多模态控制，需要对压电变压器输入电压的谐波幅值和相对相位进行采样。除此之外，为了保证压电变压器保持较高的输出电压，需要保证压电变压器的工作频率接近或者保持在其谐振频率，即频率跟踪功能。
68.本实施例提出的高压脉冲电源如图2所示，由驱动电路、滤波电路、采样电路、控制器构成，具体描述如下：
69.(1)驱动电路：
70.压电变压器前三个的谐振频率均有比较高的电压增益，因此，本发明实施例控制的电压分量包括基波、二次谐波和三次谐波。由此对应五个具体的被控变量，即基波、二次谐波和三次谐波的幅值以及二次谐波与基波、三次谐波与基波的相对相位。
71.驱动电路的作用分两部分，第一部分是通过信号调理电路将控制器输出的控制信号进行调理，并将信号调理电路输出的输出信号转变成能够驱动压电变压器的功率输出，调理是为了保证压电变压器的工作频率接近谐振频率，同时保持压电变压器的输出接近于脉冲波形，具体是使压电变压器工作在谐振电压的谐振频率上，从而实现功率输出。
72.其中信号调理电路为数字电路，控制器为单片机。如图3所示，input1到input5为控制器输出的五个不同占空比的pwm信号，output是通过信号调理电路运算后的信号。如图4所示，具体信号调理电路通过与门、非门和或门实现。
73.本发明实施例中控制的电压分量包括基波、二次谐波和三次谐波。由此对应五个具体的被控变量，即基波、二次谐波和三次谐波的幅值以及二次谐波与基波、三次谐波与基波的相对相位。
74.控制器对于stm32单片机本身，能够输出的最大频率较低，难以满足压电变压器的工作频率的要求，因此需采用pwm定时器输出。
75.这种实现方式是通过五个引脚输出五个不同占空比的pwm波形，因此其不能直接输入到mosfet驱动芯片，因此信号调理电路就是通过整合五个引脚的pwm输出。通过改变每一个通道的占空比大小，则五个通道会产生五个占空比不同的波形，将五个通道的波形经过一定的逻辑组合后，就能够得到希望得到的输出信号的波形output。
76.如图3所示是所需要的信号调理电路的时序图，其信号调理电路逻辑表示式如下：
77.output＝input1+input
′2input3+input
′4input5；
78.从硬件电路设计的角度出发，尽量减少数字电路的使用，本文采用了三种门电路，分别是二输入与门cd4081、六路非门cd4069和四输入或门cd4072，信号调理电路的布置如图4所示。
79.第二部分是将信号调理电路输出的信号转变成能够实际驱动压电变压器的功率输出，在本实施例中使用了半桥驱动电路作为驱动电路的拓扑结构。
80.(2)输入滤波电路：
81.在驱动电路和压电变压器之间外加的输入电感，与压电变压器呈串联，外加的输入电感与压电变压器的输入电容共同构成二阶滤波器。电感大小的设计原则如下：该二阶滤波器为lc二阶滤波器，用于滤除所述驱动电路输出的高频分量，其截止频率应该大于压电变压器工作频率的三倍频。同时二阶滤波器应该能够尽量多地消除四倍频及以上的电压。因此二阶滤波器的截止频率应该尽量小。根据二阶滤波器的截止频率计算公式与仿真结果综合确定电感大小。
82.压电变压器单分支等效电路如图5所示，压电变压器三分支等效电路如图6所示，其中c
in
是输入电容，本实施例的分支数为3。
83.(3)输出采样电路：
84.输出采样电路如图7所示，包括电压采样支路、电压采样二极管和电压采样电阻，所述电压采样二极管和所述电压采样电阻串联连接，所述电压采样支路与所述电压采样二极管和所述电压采样电阻的输出并联连接。
85.其中输出采样电路的输入端与电压采样二极管和电压采样电阻串联连接，输出采样电路的输入端与压变电压器的输出端连接；输出采样电路的输出端与控制器相连接。
86.输出采样电路的目的是采集压电变压器的当前输出电压，并根据当前电压的幅值进行频率控制，当电压越大时，压电变压器的工作频率越接近谐振频率。对输出电压的采样方式为通过电阻分压的方式进行电压采样。
87.设置输出采样电路的分压比为1000:1。根据计算获得等离子体负载的等效阻抗电压采样支路的总阻抗。利用一个电压采样二极管与电压采样电阻串联，可以起到整流的作用，输出的等效脉冲电压可以经过整流成为直流，从而间接的测量输出电压的大小，其中电压采样二极管是一种快恢复二极管。
88.电容的选取要结合整流效果和电压的频率跟踪的实时性综合考虑。利用如下经验公式选取电容大小：
[0089][0090]
(4)输入采样电路：
[0091]
输入采样电路如图8所示，其主要作用是采集输入到的压电变压器谐振支路的电流，以输入到控制器进行处理。由于压电变压器谐振支路q值很高，可以认为只有特定几个谐振频率的电流才能通过谐振支路并参与功率传输。
[0092]
输入采样电路有两个输入端和一个输出端，还有一个接地端，其中一个输入端(电流采样电容的一端)与压变电压器输入连接，输入电流采样电阻的一端为接地端，剩余一个输入端与压变电压器另一输入连接；输入采样电路的输出端与控制器相连接。
[0093]
本实施例中，可以认为输入到压电变压器谐振支路的电流只由基波和二次、三次谐波构成，不含其余高频分量。
[0094]
本实施例中的高压脉冲电源的输入电流分为两部分，一部分经过压电变压器的输入电容，一部分经过谐振支路输出到压电变压器输出端。其中第一部分电流没有通过压电变压器的谐振支路，不能够影响压电变压器的工作状态。为了能够准确地检测压电变压器谐振支路的电流，需要通过电路上的设计来检测输入电容电流并将其消除。具体的工作原理如下，通过在压电变压器的输入端并联一个电流采样电容c
x
，如果c
x
＜＜c
in
，其中c
in
是压电变压器输入电容，并且输入电流采样电阻r
x
与电流采样电容c
x
构成的回路时间常数远小于电路工作频率的周期t，那么这个支路的电流可以认为与经过压电变压器输入电容的电流呈正比例关系。在这个基础上，通过运放电路构成电路比例加法器，就能计算出压电变压器的谐振支路电流。
[0095]
传统的脉冲电源采用传统的变压器，负载端放电时干扰传递到前端影响驱动电路的控制，而本发明采用的是压电变压器不会往前传递干扰，从而解决负载端放电时干扰控制驱动电路的问题。
[0096]
实验例：
[0097]
通过基于压电变压器的脉冲电源样机验证，可实现预期功能。基于压电变压器的准脉冲电源典型输出波形如图9所示，其中纵坐标为电压，横坐标为时间；纵向的一格代表1kv，横向的一格代表10μs，图中两条虚线分别代表了电压波形的最大值和最小值，可知电压波形的最大值和最小值的差值(峰-峰值)为4.16kv，即脉冲可达4kv。输出的电压波形为
准脉冲电压，输出电压呈现出最大电平的绝对值较大，而最低电平的绝对值较小的特点，这是因为本实验例在控制层面使压电变压器同时对基波、二次谐波和三次谐波进行升压，并且通过控制它的相对相位来使压电变压器的输出接近一个脉冲波形。此外，利用压电变压器的准脉冲电源无须厚重的传统变压器，因此在体积和重量上大大减少，提高了便携性。
[0098]
以上内容是结合具体的优选实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施只局限于这些说明。对于本发明所属技术领域的技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干等同替代或明显变型，而且性能或用途相同，都应当视为属于本发明的保护范围。

技术特征：
1.一种高压脉冲电源，其特征在于，包括驱动电路、压变电压器、输入采样电路、输出采样电路、控制器，其中，驱动电路与压变电压器串联连接；驱动电路用于根据控制信号将直流电压逆变为谐振电压，并将所述谐振电压输入压电变压器；输出采样电路用于采集压电变压器输出的电压；输入采样电路用于采集输入到压电变压器谐振支路的电流；控制器用于接收所述输出采样电路采集的电压和所述输入采样电路采集的电流，生成并发送控制信号至所述驱动电路，对压电变压器的工作频率加以控制，使其跟踪所述压电变压器谐振支路的谐振频率；压电变压器用于输出脉冲波形。2.如权利要求1所述的高压脉冲电源，其特征在于，所述驱动电路包括信号调理电路，所述信号调理电路用于对控制器输出的控制信号进行调理，并将所述信号调理电路输出的输出信号转变成能够驱动所述压电变压器的功率输出。3.如权利要求2所述的高压脉冲电源，其特征在于，所述信号调理电路逻辑表示为：output＝input1+input
′2input3+input
′4input5；其中output为输出信号，input1、input2、input3、input4、input5为控制器输出的五个不同占空比的pwm信号。4.如权利要求1所述的高压脉冲电源，其特征在于，还包括输入滤波电路，所述输入滤波电路用于滤除所述驱动电路输出的高频分量。5.如权利要求4所述的高压脉冲电源，其特征在于，所述输入滤波电路包括二阶滤波器，所述二阶滤波器由驱动电路和压电变压器之间外加的输入电感以及压电变压器的输入电容构成；所述二阶滤波器的截止频率大于所述压电变压器的工作频率的三倍频，同时其能够消除所述压电变压器的工作频率的四倍频及以上的电压。6.如权利要求1所述的高压脉冲电源，其特征在于，所述输出采样电路包括电压采样支路、电压采样二极管和电压采样电阻，所述电压采样二极管和所述电压采样电阻串联连接，所述电压采样支路与所述电压采样二极管和所述电压采样电阻的输出并联连接，所述电压采样二极管与所述电压采样电阻对所述压电变压器输出的等效脉冲电压整流为直流电。7.如权利要求1所述的高压脉冲电源，其特征在于，输入到所述压电变压器谐振支路的电流由基波和二次、三次谐波构成。8.如权利要求1所述的高压脉冲电源，其特征在于，所述输入采样电路包括与所述压电变压器的输入端并联的电流采样电容c
x
和输入电流采样电阻r
x
，所述电流采样电容远小于所述压电变压器的输入电容c
in
，且电流采样电容c
x
和输入电流采样电阻r
x
构成的回路时间常数远小于所述驱动电路工作频率的周期t。9.如权利要求1所述的高压脉冲电源，其特征在于，所述控制器采用单片机stm32；所述驱动电路为半桥逆变电路。10.一种用于控制如权利要求1-9中任一项所述的高压脉冲电源的高压脉冲电源控制方法，其特征在于，包括如下步骤：s1、根据控制信号将直流电压逆变为谐振电压；
s2、采集输入到压电变压器谐振支路的电流和压电变压器输出的电压；s3、根据采集到的电流和电压，发送控制信号，使得压电变压器的工作频率能够跟踪谐振频率。

技术总结
本发明公开了一种高压脉冲电源及其控制方法，包括驱动电路、压变电压器、输入采样电路、输出采样电路、控制器，其中，驱动电路与压变电压器串联连接；驱动电路用于根据控制信号将直流电压逆变为谐振电压，并将谐振电压用于输入压电变压器；输出采样电路用于采集压电变压器输出的电压；输入采样电路用于采集输入到压电变压器谐振支路的电流；控制器用于接收输出采样电路采集的电压和输入采样电路采集的电流，生成并发送控制信号至驱动电路，对压电变压器的工作频率加以控制，使其跟踪压电变压器谐振支路的谐振频率；压电变压器用于输出脉冲波形。保持压电变压器的输出接近于脉冲波形，实现较高的输出电压，并减小高压脉冲电源的体积。的体积。的体积。


技术研发人员：张若兵 庄力 赵子新 王竞泽
受保护的技术使用者：清华大学深圳国际研究生院
技术研发日：2023.04.24
技术公布日：2023/7/18