基于纳秒级脉冲供电技术的电催化水处理电源电路

摘要

本实用新型提供了一种基于纳秒级脉冲供电技术的电催化水处理电源电路，包括依次连接的充电电路、谐振单元、磁压缩装置和负载单元，所述磁压缩装置包括磁开关、偏磁电源、限流电阻、滤波电容和第二扼流圈，所述谐振单元输出端连接至磁压缩装置原边输入端，磁压缩装置原边输出端连接至负载单元。通过本实用新型可以以谐振变换的方式将直流电转换成交流脉冲，通过磁压缩装置将初级脉冲能量在时间尺度上进行压缩，以获得在极短时间内(ns量级)的高峰值功率输出，从而对负载中的污水进行电催化处理，具有效率高、结构简单、控制方便等优点。

说明书

技术领域：

本实用新型涉及电力电子拓扑电路技术，具体涉及一种基于纳秒级脉冲供电技术的电催化水处理电源电路。

背景技术：

随着电力电子技术的发展，脉冲电源在各行各业都得到了广泛的应用，作为脉冲电源的一种，纳秒级脉冲电源由于其在时间尺度上具有更窄的脉宽输出，可以得到更高的电压电流，正在成为电源行业研究的新焦点。

现阶段在国内外纳秒级脉冲电源的工业市场上，主要存在两种较为合理的实施方案：一种主要通过气体或半导体开关组成串联形式进行放电，以获得幅值更高的脉冲电压，同时利用电路的低阻抗特性在扩大电源容量的同时获得纳秒级上升沿；另一种主要是通过脉冲变压器实现低压侧的开关器件与高压侧反应器的隔离，再通过磁压缩技术压缩脉冲宽度，实现极快的上升沿。

第一种方案，由于其较为简单直接的特点应用在了大多数的电源上，但由于开关器件都集中在高压侧且由于其电路低电感的特点，开关器件需要承受瞬间的高电压和大电流的冲击。且由于开关管数量较多，若存在开关管导通不同步的问题，会极大的损坏开关管和整个电源，且其电路结构复杂，控制不便。

第二种方案，通过磁压缩技术，利用磁开关的可重复性较高和耐冲击等特点，大大的提高了脉冲电源的使用寿命和电源的功率等级，对于同等级器件的脉冲电源，磁压缩式的电源容量可能是方案一的数倍甚至几十倍。本实用新型提出了基于第二种方案的电路拓扑结构，使用磁开关在时间尺度上对经过LC谐振变换得到的脉冲能量进行压缩、整形，实现输出脉冲峰值功率的放大，并输出到负载，具有节能、效率高、电路结构简单、控制方便等优点。

由于传统的电催化水处理方案耗能严重，浪费资源，所以目前在很多水处理应用中都使用了纳秒级脉冲电源的供电方案，形成低温等离子体，使水分子中的电子和原子核分离，形成自由电子和离子，通过加速、碰撞等发生电子雪崩，水中各种阴阳离子、自由电子、中性粒子等自由结合形成CO

发明内容：

本实用新型的目的在于，提供一种基于纳秒级脉冲供电技术的电催化水处理电源电路。

本实用新型的具体技术方案如下：

一种基于纳秒级脉冲供电技术的电催化水处理电源电路，包括充电电路、谐振单元、磁压缩装置和负载单元。

所述充电电路包括正负电压源、扼流圈和母线滤波电容，所述正负电压源正输出端经扼流圈与母线滤波电容正输入端相连；所述正负电压源负输出端与滤波电容负输入端、放电电阻另一端、磁开关输入电容另一端、负载电容另一端、以及负载电阻另一端相连接地。

所述谐振单元包括谐振电感、谐振开关、谐振开关、吸收电阻、吸收电容、放电电阻和磁开关输入电容，所述谐振电感一端与母线滤波电容的正输入端相连，所述谐振电感另一端与谐振开关的输入端以及吸收电阻一端相连，所述吸收电阻另一端与吸收电容一端相连，所述吸收电容的另一端分别连接谐振开关的输出端、谐振开关的输入端、磁开关输入电容一端，所述谐振开关的输出端通过放电电阻与磁开关输入电容另一端相连。

所述磁压缩装置包括磁开关、偏磁电源、限流电阻、滤波电容和扼流圈，所述磁开关原边输入端分别与谐振单元的磁开关输入电容、吸收电容相连，磁开关原边输出端分别与负载单元的负载电容、电感一端相连；所述磁开关偏磁一端分别与偏磁电源正输出端、滤波电容一端相连，所述磁开关偏磁另一端经过扼流圈与滤波电容另一端、限流电阻一端相连接地，所述限流电阻另一端与偏磁电源负输出端相连。

所述负载单元包括负载电容、负载电感和负载电阻，所述负载电容一端与负载电感一端相连，所述负载电感另一端与负载电阻一端相连，所述负载电容另一端与负载电阻另一端相连接地。

第一谐振开关及第二谐振开关采用半导体开关，例如IGBT、IGCT、GTO。

本实用新型相比现有技术具有如下优点：

本实用新型提供一种新的电路拓扑结构，采用磁开关在时间尺度上对经过LC谐振变换得到的脉冲能量进行压缩、整形，实现输出脉冲峰值功率的放大，并输出到负载，具有效率高、结构简单、控制方便等优点。

本实用新型通过设计控制谐振开关和谐振开关交替开通关闭，将磁开关输入电容上的能量在每次谐振来临前释放掉，防止磁开关一直处于导通状态，更好的对脉冲能量进行压缩、整形，且保护磁开关不受高压冲击打坏。

附图说明：

图1是本实用新型实例1的结构示意图；

图2是实例1的主要输入输出波形图；

图3是本实用新型实例2的结构示意图。

图1中：1-正负电压源；2-第一扼流圈；3-母线滤波电容；4-谐振电感；5-第一谐振开关； 6-第二谐振开关；7-吸收电阻；8-吸收电容；9-放电电阻；10-磁开关输入电容；11-偏磁电源； 12-滤波电容；13-限流电阻；14-表示接地；15-第二扼流圈；16-磁开关；17-负载电容；18- 负载电感；19-负载电阻；20-表示接地。

图3中：Us-正负电压源；Ldc-第一扼流圈；Cdc-母线滤波电容；Lr-谐振电感；Q1-第一谐振开关；Q2-第二谐振开关；Rn-吸收电阻；Cn-吸收电容；Rms-放电电阻；Cms-磁开关输入电容；Udc-偏磁电源；C1-滤波电容；R1-限流电阻；14-表示接地；L1-第二扼流圈；MS- 磁开关；Cp-负载电容；Lp-负载电感；Rp-负载电阻；20-表示接地。

具体实施方式：

为了更加清楚地描述本实用新型的思想，技术方案和优点，具体实施方式通过实施例1、实例2和附图来表明。

实例1：

如图1所示，本实用新型的纳秒级脉冲供电技术的电催化水处理电源电路，包括充电电路、谐振单元、磁压缩装置和负载单元。充电电路包括正负电压源1、第一扼流圈2和母线滤波电容3。谐振单元包括谐振电感4、第一谐振开关5、第二谐振开关6、吸收电阻7、吸收电容8、放电电阻9和磁开关输入电容10。磁压缩装置包括磁开关16、偏磁电源11、限流电阻13、滤波电容12和第二扼流圈15。负载单元包括负载电容17、负载电感18和电阻 19。

如图1所示，具体来说正负电压源1正输出端经第一扼流圈2与母线滤波电容3正输入端相连；所述正负电压源1负输出端与母线滤波电容3负输入端相连。

如图1所示，具体来说所述谐振单元包括谐振电感4、第一谐振开关5、第二谐振开关6、吸收电阻7、吸收电容8、放电电阻9、磁开关输入电容10，所述谐振电感4一端与母线滤波电容3的正输入端相连，所述谐振电感4另一端与第一谐振开关5的输入端以及吸收电阻7一端相连，所述吸收电阻7另一端与吸收电容8一端相连，所述吸收电容8的另一端分别连接第一谐振开关5的输出端、第二谐振开关6的输入端、磁开关输入电容10一端，所述第二谐振开关6的输出端通过放电电阻9与磁开关输入电容10另一端相连。

如图1所示，具体来说所述磁压缩装置包括磁开关16、偏磁电源11、限流电阻13、滤波电容12、第二扼流圈15，所述磁开关16原边输入端与磁开关输入电容10一端相连，磁开关16原边输出端与负载电容17相连，所述磁开关16偏磁一端与偏磁电源11正输出端、滤波电容12一端相连，所述磁开关16偏磁另一端经过第二扼流圈15与滤波电容12另一端、限流电阻13一端相连接地，所述限流电阻13另一端与偏磁电源11负输出端相连。

如图1所示，具体来说所述负载单元包括负载电容17、负载电感18、电阻19，所述负载电容17一端与负载电感18一端相连，所述负载电感18另一端与电阻19一端相连，所述负载电容17另一端与电阻19另一端相连。

实例2：

如图3所示，本实用新型包括充电电路、谐振单元、磁压缩装置和负载单元。充电电路包括正负电压源Us、扼流圈Ldc和母线滤波电容Cdc。谐振单元包括谐振电感Lr、谐振开关Q1、谐振开关Q2、吸收电阻Rn、吸收电容Cn、放电电阻Rms和磁开关输入电容Cms。磁压缩装置包括磁开关MS、偏磁电源Udc、限流电阻R1、滤波电容C1和扼流圈L1。负载单元包括负载电容Cp、负载电感Lp和负载电阻Rp。

本实用新型的工作原理如下：

下面以附图1为主，叙述本实用新型的具体工作原理：

正负电压源1通过第一扼流圈2给母线滤波电容3充电，控制电路控制第一谐振开关5 导通形成谐振电路给磁开关输入电容10提供能量，此时磁开关16处于不饱和状态，可视为大电感，即在谐振电路为磁开关输入电容10提供能量是，磁开关16可视为断开，且磁开关 16两端电压与磁开关输入电容10电压相等；由于磁开关16两端持续承受电压，其慢慢趋近饱和，当磁开关输入电容10电压接近峰值时，可使磁开关16饱和，以最大化能量传输效率。此时控制电路控制第二谐振开关6导通通过放电电阻9将磁开关输入电容10上的能量释放掉。磁开关输入电容10和负载电容17谐振回路利用磁开关16饱和后的小电感特性实现对于脉冲的压缩，使得输出脉冲峰值功率放大，进而提高水处理电源的效率。

主要波形如图2所示，其中is_m为谐振电流峰值，Tr为谐振周期，Ucms_m为磁开关输入电容10电压峰值，Uout_m为负载电容17电压峰值，iout_m为负载电容17电流峰值。从图2中我们可以看出，原边谐振得到的脉冲能量在经过磁开关装置压缩整形之后，获得了在极短时间内(ns量级)的高峰值功率输出，输出电压更高，输出电流更大，从而对负载中的污水进行电催化处理，具有效率高、结构简单、控制方便等优点。

以上内容是结合具体的优选实例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以上这些说明。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，还可以作出若干简单推演或替换，都应当视为属于本发明的保护范围。