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专利号: 2019106964183
申请人: 陕西科技大学
专利类型:发明专利
专利状态:已下证
专利领域: 基本电子电路
更新日期:2024-02-23
缴费截止日期: 暂无
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摘要:

权利要求书:

1.一种基于单片机的模块化脉冲高压电源,其特征在于,包括单片机、灌电流单元、拉电流单元、高压直流单元、两个低压侧MOSFET栅驱动单元以及两个高压侧MOSFET栅驱动单元;

第一低压侧MOSFET栅驱动单元输入端连接单片机的第一输出端,输出端依次连接第一高压侧MOSFET栅驱动单元、灌电流单元和高压直流单元;第二低压侧MOSFET栅驱动单元输入端连接单片机的第二输出端,输出端依次连接第二高压侧MOSFET栅驱动单元和拉电流单元;高压直流单元还连接电源;其中:单片机用于产生频率能够调节的两个TTL周期信号,并分别发送至不同的低压侧MOSFET栅驱动单元,且两个TTL周期信号之间延迟预设时间;

低压侧MOSFET栅驱动单元用于接收TTL周期信号,根据TTL周期信号生成正半周脉冲信号和负半周脉冲信号并分别发送至第一高压侧MOSFET栅驱动单元和第二高压侧MOSFET栅驱动单元;

第一高压侧MOSFET栅驱动单元用于根据接收的正半周脉冲信号生成灌电流单元控制信号,并发送至灌电流单元;

第二高压侧MOSFET栅驱动单元用于根据接收的负半周脉冲信号生成拉电流单元控制信号;

灌电流单元根据灌电流单元控制信号生成正半周高压直流单元开/关控制信号并发送至高压直流单元;

拉电流单元用于根据拉电流单元控制信号,生成负半周高压直流单元开/关控制信号并通过灌电流单元发送至高压直流单元;

高压直流单元用于根据正半周高压直流单元开/关控制信号和负半周高压直流单元开/关控制信号,将电源输入的电压转换为高压方波脉冲并输出;

所述两个低压侧MOSFET栅驱动单元均包括六角倒相器、四个光耦合器、两个栅极驱动器和四个低压MOSFET;

六角倒相器的输入端连接单片机的输出端,四个输出端均串联电阻后分别连接不同的光耦合器的阳极,所有光耦合器的阴极和GND端均接地;

第一光耦合器的发射极连接第一栅极驱动器的逻辑低端输入端,第二光耦合器的发射极连接第一栅极驱动器的逻辑高端输入端;第三光耦合器的发射极连接第二栅极驱动器的逻辑低端输入端,第四光耦合器的发射极连接第二栅极驱动器的逻辑高端输入端;每个光电耦合器的发射极与集电极均通过电阻连接;

两个栅极驱动器的逻辑电源电压端均通过电容与公共端连接,高端浮置电源偏移电压端与高端浮置电源电压端均通过电容连接;低端输出端均通过电阻连接第一齐纳二级管负极和第一低压MOSFET的栅极,高端输出端均通过电阻连接第二齐纳二级管负极和第二低压MOSFET的栅极;第一齐纳二级管正极和第一低压MOSFET的源极均连接公共端,第二齐纳二级管正极和第二低压MOSFET的源极均连接高端浮置电源电压端,第一低压MOSFET的漏极连接第二低压MOSFET的源极;地电位端、关断端和公共端均接地;

第一低压侧MOSFET栅驱动单元的两个栅极驱动器的高端浮置电源电压端均与第一高压侧MOSFET栅驱动单元输入端连接;第二低压侧MOSFET栅驱动单元的两个栅极驱动器的高端浮置电源电压端均与第二高压侧MOSFET栅驱动单元输入端连接;

所述两个高压侧MOSFET栅驱动单元均包括若干环形铁芯变压器;

所有环形铁芯变压器的一次绕组均为同一高压电缆,第一高压侧MOSFET栅驱动单元的高压电缆的两端均与第一低压侧MOSFET栅驱动单元输出端连接;第二高压侧MOSFET栅驱动单元的高压电缆的两端均与第二低压侧MOSFET栅驱动单元输出端连接;

每个环形铁芯变压器的二次绕组的一端均通过依次连接的四个齐纳二极管和该二次绕组另一端连接;第三齐纳二极管正极连接二次绕组一端,负极连接第四齐纳二极管负极;

第五齐纳二极管正极连接第四齐纳二极管正极,负极连接第六齐纳二极管负极;第四齐纳二极管正极和第五齐纳二极管正极之间设置栅极电阻;

第一高压侧MOSFET栅驱动单元的栅极电阻连接第五齐纳二极管正极的一端和第六齐纳二极管正极均连接灌电流单元的输入端;第二高压侧MOSFET栅驱动单元的栅极电阻连接第五齐纳二极管正极的一端和第六齐纳二极管正极均连接灌电流单元的输入端均连接拉电流单元的输入端。

2.根据权利要求1所述的基于单片机的模块化脉冲高压电源,其特征在于,所述单片机为dsPIC33f463502单片机。

3.根据权利要求1所述的基于单片机的模块化脉冲高压电源,其特征在于,所述两个TTL周期信号的时间偏移为100ns。

4.根据权利要求1所述的基于单片机的模块化脉冲高压电源,其特征在于,还包括若干电位计;每个电位计分别与不同的环形铁芯变压器的二次绕组并联。

5.根据权利要求1所述的基于单片机的模块化脉冲高压电源,其特征在于,所述灌电流单元包括若干依次连接的灌电流模块,每个灌电流模块均包括第一高压MOSFET、第一缓冲电容、第一缓冲电阻、第一二极管和第七齐纳二极管;

第一高压MOSFET的栅极连接第一高压侧MOSFET栅驱动单元的栅极电阻连接第五齐纳二极管正极的一端;第一高压MOSFET的漏极依次连接第一二极管、第一缓冲电容和第一高压MOSFET的源极,第一高压MOSFET的源极与第六齐纳二极管正极;第一缓冲电阻和第七齐纳二极管均与第一缓冲电容并联,且第七齐纳二极管负极连接第一二级管负极;

灌电流模块的第一高压MOSFET的源极与相邻灌电流模块的第一高压MOSFET的漏极连接;连接起始端的灌电流模块的第一高压MOSFET的漏极和连接末端的灌电流模块的第一高压MOSFET的源极均连接高压直流单元的输入端。

6.根据权利要求1所述的基于单片机的模块化脉冲高压电源,其特征在于,所述拉电流单元包括若干拉电流模块,每个拉电流模块均包括第二高压MOSFET、第二缓冲电容、第二缓冲电阻、第二二极管和第八齐纳二极管;

第二高压MOSFET的栅极连接第二高压侧MOSFET栅驱动单元的栅极电阻连接第三齐纳二极管正极的一端;第二高压MOSFET的漏极依次连接第二二极管、第二缓冲电容和第二高压MOSFET的源极,第二高压MOSFET的源极与第四齐纳二极管正极;第二缓冲电阻和第八齐纳二极管均与第二缓冲电容并联,且第八齐纳二极管负极连接第二二级管负极;

拉电流模块的第二高压MOSFET的源极与相邻拉电流模块的第二高压MOSFET的漏极连接,连接起始端的拉电流模块的第一高压MOSFET的漏极和连接末端的拉电流模块的第一高压MOSFET的源极均悬空或分别连接负载两端。

7.根据权利要求1所述的基于单片机的模块化脉冲高压电源,其特征在于,所述高压直流单元包括自耦变压器、高压变压器、高压电阻分压器和全桥整流器,全桥整流器包括第三二极管、第四二极管、第五二极管和第六二极管;

自耦变压器的两端连接第一高压侧MOSFET栅驱动单元的两端,且自耦变压器与高压变压器的主绕组连接;

高压变压器的次绕组的一端依次连接全桥整流器和次绕组的另一端;第三二极管正极连接次绕组的一端,负极连接第四二极管负极,第四二极管正极连接第五二极管负极,第五二极管正极连接第六二极管正极,第六二极管负极连接第三二极管正极;第五二极管正极接地;

第五二极管正极和第三二极管负极通过若干串联的第三电容连接,所有第三电容中与第三二极管负极直接连接的一端与高压电阻分压器连接;所有第三电容中与第六二极管负极直接连接的一端与灌电流单元输出端连接。