一种高功率密度-长寿命高频脉冲交流电源转让专利
申请号 : CN202110711240.2
文献号 : CN113315388B
文献日 : 2022-05-06
发明人 : 常华梅 , 时贞平 , 金珊珊
申请人 : 江苏容正医药科技有限公司
摘要 :
权利要求 :
1.一种高功率密度‑长寿命高频脉冲交流电源,其特征在于,所述电源包括:高频脉冲交流电源本体、可替换插拔底座、配电开关和寿命检测单元;
所述高频脉冲交流电源本体中的电解电容阵单元设置在可替换插拔底座中;
所述配电开关设置在高频脉冲交流电源本体中的电解电容阵单元和逆变电路单元之间,所述配电开关的输出端和控制端均与寿命检测单元连接;
所述寿命检测单元用于检测配电开关输出的直流母线电压,并将所述直流母线电压与寿命下限阈值进行比较,当所述直流母线电压小于寿命下限阈值时,输出开关关断指令;所述配电开关用于根据开关关断指令关断开关;所述寿命检测单元还包括:电容老化替换指示单元;所述电容老化替换指示单元的控制端与滞环比较动作单元的输出端连接,所述滞环比较动作单元用于输出开关关断指令控制电容老化替换指示单元进行点亮。
2.根据权利要求1所述的高功率密度‑长寿命高频脉冲交流电源,其特征在于,所述寿命检测单元包括:直流母线电压检测单元和滞环比较动作单元;
所述直流母线电压检测单元的输入端与配电开关的输出端连接,所述直流母线电压检测单元的输出端与滞环比较动作单元的输入端连接;所述直流母线电压检测单元用于检测配电开关输出的直流母线电压,并将所述直流母线电压传输至滞环比较动作单元;
所述滞环比较动作单元的输出端与配电开关的控制端连接,所述滞环比较动作单元用于将所述直流母线电压与寿命下限阈值进行比较,当所述直流母线电压小于寿命下限阈值时,输出开关关断指令;
所述寿命检测单元还用于将所述直流母线电压与滞环环宽上限阈值进行比较,当所述直流母线电压大于滞环环宽上限阈值时,输出开关闭合指令,根据开关闭合指令控制配电开关闭合。
3.根据权利要求1所述的高功率密度‑长寿命高频脉冲交流电源,其特征在于,所述配电开关为功率开关晶体管或可控继电器。
4.根据权利要求2所述的高功率密度‑长寿命高频脉冲交流电源,其特征在于,所述直流母线电压检测单元为电阻分压网络或电压互感器;所述滞环比较动作单元包括滞环比较器。
5.根据权利要求1所述的高功率密度‑长寿命高频脉冲交流电源,其特征在于,所述电容老化替换指示单元包括:LED指示灯电路;
滞环比较动作单元的输出端与LED指示灯电路的控制端连接,所述LED指示灯电路用于根据开关关断指令进行点亮。
6.根据权利要求1所述的高功率密度‑长寿命高频脉冲交流电源,其特征在于,所述高频脉冲交流电源本体包括:整流单元、电解电容阵单元、逆变电路单元、高压变压器单元和驱动电路单元;
整流单元的输入端与市电连接,整流单元的输出端与电解电容阵单元的输入端连接,整流单元用于将220v市电整流为脉动的直流母线电压,并将脉动的直流母线电压传输至电解电容阵单元;
电解电容阵单元的输出端通过配电开关与逆变电路单元的输入端连接,所述电解电容阵单元用于将脉动的直流母线电压滤波为平稳的直流母线电压,并将平稳的直流母线电压通过配电开关传输至逆变电路单元;
逆变电路单元的输出端与高压变压器单元的输入端连接,所述逆变电路单元用于将平稳的直流母线电压逆变为交流方波电压,并将交流方波电压传输至高压变压器单元;
高压变压器单元的输出端与等离子体电极负载连接,所述高压变压器单元用于将交流方波电压转换成脉冲电压,并利用所述脉冲电压为等离子体电极负载供电;
驱动电路单元与逆变电路单元连接,所述驱动电路单元用于产生方波驱动信号,并根据方波驱动信号驱动逆变电路单元的开断。
7.根据权利要求6所述的高功率密度‑长寿命高频脉冲交流电源,其特征在于,所述整流单元包括4个整流二极管,或包括4个同步开关MOS晶体管。
8.根据权利要求6所述的高功率密度‑长寿命高频脉冲交流电源,其特征在于,所述逆变电路单元包括:4个开关MOS晶体管和4个稳压管;
每个开关MOS晶体管的栅极和源极之间设置一个稳压管。
9.根据权利要求6所述的高功率密度‑长寿命高频脉冲交流电源,其特征在于,所述驱动电路单元为逆变桥式电路控制芯片或数字控制器。
说明书 :
一种高功率密度‑长寿命高频脉冲交流电源
技术领域
背景技术
源装置安全、稳定、可靠地应用于不同领域。而当前低温等离子体源装置集成化、小型化是
其应用发展的必然趋势,而等离子体源装置绝大部分的体积和重量均集中在驱动激励电源
单元,故如何优化驱动激励电源,特别是应用最为广泛的高频脉冲交流电源,实现高频脉冲
交流电源的高功率密度和长寿命是实现等离子体源装置集成化、小型化的关键核心问题。
而电解电容是电容的其中一种,它的金属箔为正极(一般用铝或铛),目前比较常用或市面
上比较常见的为铝电解电容,与正极紧贴金属的氧化膜为电解质,阴极由导电材料、电解质
和其他材料共同组成。电解电容是高频交流电源的重要组成部件,也是电源内部的体积最
大,寿命最为薄弱的环节,其运行状态直接影响了高频交流电源的安全性与可靠性。
电容运行状态的方法主要分为2类:离线式监测和在线式监测。现有的方案有:(1)添加功率
因数校正转换器,基于电容纹波电压的分析来监测电解电容的状态;(2)加入隔离的电流放
大器在循环中的特定时间收集两个电容器的电压值,以计算ESR(Equivalent Series
Resistance,等效串联电阻)和C的值;(3)提出一种基于步进激励的DC‑DC转换器的输出级
电容器的在线损耗检测方法。
算等效串联电阻值与电容值,并于与设定的值进行比较,最终判断是否达到寿命年限;或者
通过电解电容的功率输出、环境温度、实验时间等相关参数,测量电容变化值来计算电容寿
命。
预设定的电容值时。可以确定电解电容的寿命不足;
环境温度、实验时间,通过测量电容变化值就可以计算出电容寿命;
再与正常曲线斜率比较。从而判断电容是否正常工作;
型,进而求解出电解电容的寿命。
是如专利CN110031705A所述,通过多级电压回路来测量输出电压纹波,从而来计算C和ESR
的值,电路设计十分复杂;还有专利CN106126876A和专利CN106126876B,学者通过二重傅里
叶级数来求解不同频率下的电解电容电流纹波,十分复杂,不具有推广性。
输出高脉冲电流式功率形式,电解电容寿命损耗更快,进而使得高频脉冲交流电源的寿命
损耗更快。
发明内容
令;所述配电开关用于根据开关关断指令关断开关。
检测配电开关输出的直流母线电压,并将所述直流母线电压传输至滞环比较动作单元;
阈值时,输出开关关断指令;
配电开关打开。
至电解电容阵单元;
电压通过配电开关传输至逆变电路单元;
电解电容阵单元的容量裕度,减小了电解电容阵单元的配置裕量,提高了驱动电源的功率
密度;并通过寿命检测单元检测配电开关输出的直流母线电压,将直流母线电压与寿命下
限阈值进行比较,当直流母线电压小于寿命下限阈值时,控制配电开关关断,提醒用户进行
电解电容阵单元替换,从而实现整个电源使用寿命的延长。
附图说明
例,对于本领域普通技术人员来讲,在不付出创造性劳动性的前提下,还可以根据这些附图
获得其他的附图。
(d)为高压变压器原边的电流波形图;
的电流波形趋势图,图4(c)为高频脉冲交流电源输出的脉冲电流波形趋势图;
波电解电容稳态放大后的电流波形图,图5(c)为高频脉冲交流电源输出的稳态放大后的脉
冲电流波形图;
电流仿真波形图;
损耗功率曲线图,图7(c)为寄生电阻ESR为10毫欧时电容阵ESR的损耗功率曲线图,图7(d)
为寄生电阻ESR为100毫欧时电容阵ESR的损耗功率曲线图,图7(e)为电容阵电流稳态细节
波形图;
(c)为电容阵电流热耗仿真整体趋势波形图;
稳态细节曲线图,图10(c)为2path电容支路的电容阵ESR的损耗功率热耗仿真稳态细节曲
线图,图10(d)为3path电容支路的电容阵ESR的损耗功率热耗仿真稳态细节曲线图,图10
(e)为电容阵电流热耗仿真稳态细节波形图;
具体实施方式
本发明中的实施例,本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他
实施例,都属于本发明保护的范围。
于根据开关关断指令关断开关。
纹波峰峰值尽可能小,一般该单元的电容阵容值较大。同时该单元的第二个功能是为后级
高频脉冲电压提供瞬时脉冲电流即脉冲功率。由于大容值和体积的限制,该单元是由大容
值的电解电容构成。
输出的直流母线电压,并将直流母线电压传输至滞环比较动作单元。
关断指令。
化替换指示单元进行点亮。
为截止状态,切断直流输入功率,从而切断后级脉冲功率输出。
至电解电容阵单元。
通过配电开关传输至逆变电路单元。
体积庞大,本发明提出的解决方案则很好地解决了高压脉冲电源工作时间寿命问题,可去
除额外配置的电解电容裕量,极大减小驱动电源体积,提高驱动电源的功率密度,实现低温
等离子体源的集成化和小型化需求。同时,对于降低电容配置裕度所带来的电解电容老化
寿命问题,将直流母线滤波电解电容设计成可插拔替换式模块单元,根据电解电容老化ESR
增加,容值C减小的原理,仅通过检测直流母线电压信号,并通过滞环比较单元判断直流母
线电压是否超过设定的寿命保护滞环环宽,当电解电容寿命参数达到设定阈值之后,滞环
比较动作单元关断直流功率输入端的配电开关,并显示电容老化替换指示信号,告知用户
进行电解电容阵模块单元替换,从而实现整个电源使用寿命延长的功能。
表示频率。
改变这两个参数值来模拟电容老化的过程。其中 模型符号为saber仿真环境中测试支路
电流的电流探头,两个电流探头对应的输出信号Iin为功率输入的总电流,Icap为电容阵支
路的总电流,电容符号即为电解电容阵,其对应的容值仿真环境设置为4.7毫法拉(4.7m);
电感符号的电感值为0.1微亨(0.1μH); 符号表示saber仿真环境中测试支路电压的电压
探头。
于超限而烧毁。图1中的架构框图中的“配电开关”单元中的功率开关晶体管,体现在图2的
接线位置,在电解电容阵单元的功率输出正线和高频逆变单元的功率输入正线之间,控制
高频逆变单元的功率输入通断。
体电极负载等效为电容模型;
产生与PWM_A互补的信号,分别送入具有隔离功能的vcvs模型,驱动高频逆变电路的桥式开
关晶体管的开通关断。其中,在图2原理性仿真电路模型中,驱动信号单元电路中 符号为
基本与非门,处理逻辑信号功能,vp和vm分别为压控电压源vcvs模型的正线输入端和负线
输入端,对应的k为vcvs将输入电压缩放的倍率,如k:1表示将输入电压乘以1,进行输出,k:
3表示输将输入电压乘以3,放大3倍后输出。
老化替换指示单元。直流母线电压检测单元检测直流母线电压信号,当母线电压信号超过
滞环比较动作单元设定的寿命设定阈值,滞环比较动作单元给出两类控制信号,其一控制
配电开关关断,切断功率输入;其二控制信号送入电容老化替换指示单元,用于提醒用户母
线滤波电解电容阵单元已达到寿命极限,需要进行电容配件替换。
有助于实现了低温等离子体源的小型化功能需求。同时只需简单检测直流母线电压,替换
电容阵配件单元,便可实现整个驱动电源的长寿命功能,从而保障低温等离子体源的寿命
和可靠性。
的仿真分析波形如图3‑5所示,图3为高频脉冲交流电源带50pF的电容负载,输出+/‑10kV脉
冲电压波形Upluse,Ipluse为输出脉冲电流波形,Ipri为高压变压器原边的电流波形;图4为直
流母线侧滤波电解电容的电压Ucap和电流Icap波形;图5为图4稳态放大后的波形。图3‑5的横
坐标均为时间t,单位为秒(s)。
时观测图4和图5的电解电容阵波形,在ReginA阶段为电解电容储能阶段,ReginB阶段为电
解电容放电阶段,母线电压波动峰峰值为10V,电解电容阵放电峰值电流可达131A,充电峰
值电流可达‑140A。该仿真结果设置电解电容的寄生电阻ESR为1毫欧,反映电解电容的寿命
初期,主要可以观察到高频脉冲交流电源内部的母线滤波电解电容阵单元的额定工况,是
以极高的脉冲尖峰电流功率形式,更容易加速电解电容阵的老化。
明方案更关注寄生电阻ESR的变化,所带来的老化问题分析。图6‑7给出在电解电容阵容值
不变,ESR变大分别为1毫欧,10毫欧,100毫欧的仿真波形,其中Ucap为直流母线电压,Pcap为
电容阵ESR的损耗功率,Icap为电容阵电流。
渐减小,分别为131A,129A,112A;电容阵热耗峰值功率Pcap显著增加,分别为17W,167W,
1265W。所以,随着高频脉冲交流电源内的直流母线滤波电解电容阵老化ESR的增加,电容内
部的耗散功率呈指数倍率增加,从而导致电解电容单元发热严重,长时间运行可能会导致
电容阵爆炸,引发安全事故问题。
示,保持总电容容值和单条电容支路的ESR不变的条件下,对1path电容支路,2path电容支
路和3path电容支路,进行热耗叠加仿真,即Pcap=Pcap1+Pcap2+Pcap3,仿真结果如图9‑10所示。
散功率峰值逐渐减小,分别为1257W,720W,514W。综合分析可知,添加电容阵支路的方式确
实可以一定的解决电容阵单元的峰值耗散功率,但是其电容体积也是成倍增加,而对耗散
峰值功率的减小并非成倍减小,故这种以牺牲电源体积为代价,热耗问题也并未获得显著
解决,在高频脉冲交流电源领域并不适用,同样无法解决常态运行的问题。
电解电容检测方法是基于ESR的增加,对直流母线电压波动峰峰值的影响程度。其原理仿真
示意图如图11所示,在线逐渐变化等效寄生电阻Rcap_esr为0.001欧,0.01欧,0.05欧,0.1欧,
saber仿真环境中用可变电阻模型PWR模型,如图12所示,对应的母线电压波形如图13所示,
设定的电容寿命阈值寄生电阻为0.05欧。
中,不管是容值的减小还是寄生电阻值的增加,母线电压波形峰峰值都会随之正相关增加,
可按照该逻辑设计电解电容阵寿命阈值判断的标准。
阈值到达的标准,是具备理论依据,可以进行工程实际应用。
电压波动峰峰值的显著变化,提出直接通过设定母线电压波动滞环环宽值,来间接反映老
化寿命阈值参数,实现寿命时时监测功能,更有利于应用实际工程应用。
本发明的思想,在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上所述,本说明书内容不
应理解为对本发明的限制。