一种模块化高压脉冲调制组件、装置及系统的制作方法

1.本实用新型涉及大功率高压脉冲技术领域，特别是涉及一种模块化高压脉冲调制组件、装置及系统。


背景技术：

2.大功率高压脉冲在工业、科研等领域被大量应用，如脉冲等离子体渗氮，用于材料表面硬化；脉冲离子收集，用于从等离子体中离子的收集；在环保领域，用于高压除尘，等等。在要求上升快(～1μs)，占空比大(～80％)，高重频(≥10khz)高压脉冲设计中，通常采用多个igbt将多级低压直流电源叠加，以提高电压。对应类似容性负载，关闭充电脉冲后，电压下降缓慢，因此，为了实现快速的脉冲下降沿，同时采用多个igbt开关管串联对负载放电，实现负载快速放电，这样可以获得较大的脉冲占空比。在结构设计中既要考虑耐压，又要兼顾开关管散热，同时还需要考虑开关管应用中发生损坏后的可更换性。在常规设计中，未采用模块化设计，通常结构复杂，维修性较差，不利于维护和扩充。


技术实现要素：

3.本实用新型的目的是针对现有技术中存在的大功率高压脉冲调制装置不便维护的问题，而提供一种模块化高压脉冲调制组件。
4.本实用新型的另一个目的是提供一种基于所述模块化高压脉冲调制组件的装置。
5.本实用新型的另一个目的是提供一种基于所述装置的系统
6.为实现本实用新型的目的所采用的技术方案是：
7.一种模块化高压脉冲调制组件，包括充电组件和放电组件；
8.所述充电组件包括一充电驱动模块、一充电底板模块、n个输入转接板和n个充电开关模块，其中：所述输入转接板将输入直流源转接到所述充电底板模块中的充电底板上，所述充电驱动模块包括驱动底板以及设置于所述驱动底板上的n个充电驱动输出插头、n路隔离驱动单元和用于连接外界充电触发信号和供电的第一触发输入插座；n路隔离驱动单元分别一一对应n个所述充电开关模块，所述驱动底板输出驱动信号通过所述充电驱动输出插头连接到所述充电底板的充电驱动输入插座，并通过安装在充电底板上的充电插口连接到所述充电开关模块以驱动充电开关模块的导通和关闭，n路输入转接板输入的直流电源通过充电开关模块串联叠加形成高压通过所述充电底板上的高压正接线插片和高压负接线插片输出；
9.所述放电组件包括放电底板、n个放电开关模块、至少两个铜螺柱和至少一个第二触发输入插座，所述放电底板上设有n组分别一一对应的隔离驱动单元和放电开关模块插座，每一放电开关模块插座上插接一个所述放电开关模块，每相邻的两个放电开关模块插座串联，再通过两个所述铜螺柱分别连接高压正放电输出和高压负放电输出，所述第二触发输入插座用于连接放电触发信号和供电，经过所述隔离驱动单元驱动所述放电开关模块的导通和关闭。
10.n个放电模块串联在触发的控制下对输出负载进行放电，将负载两端电压快速拉到零。
11.在上述技术方案中，n＝2
‑
100，当n＝8时，8个输入转接板连接到充电底板，与8个充电开关模块相连，将8路输入直流电源通过充电开关模块叠加形成高压输出，根据输出高压大小需要和放电开关管的耐压，可使用多至几十个放电模块串联放电。
12.在上述技术方案中，每一所述输入转接板的一端设有pcb板接线端子以连接输入直流电源的正、负极，另一端设有排针以连接至所述充电底板的接线端子。
13.在上述技术方案中，所述充电底板模块包括充电底板和固定于所述充电底板上的n 1个导轨，相邻的两个导轨之间插入一个所述充电开关模块，插入后每一所述充电开关模块的充电插口插接于所述充电底板的对应的充电开关模块插座上。
14.在上述技术方案中，所述充电组件和放电组件分别通过绝缘支持件固定安装在绝缘底板上，所述充电底板垂直安装在所述绝缘底板上，每一导轨均和所述充电底板相垂直且平行于所述绝缘底板，所述充电开关模块装配于相邻的两个导轨之间。
15.在上述技术方案中，每一导轨的两侧面均设有用于插拔所述充电开关模块的导向槽，每一导轨的一端设有两个支腿，支腿端面设有螺纹孔，使用螺钉通过螺纹孔将导轨安装在所述充电底板上，每一导轨的底面设有螺纹孔，使用螺丝安装固定在导轨支持条上。
16.在上述技术方案中，所述充电开关模块包括充电开关板、散热器和充电igbt开关管，所述散热器垂直固定于所述充电开关板上，所述充电igbt开关管垂直焊接在充电开关板上且散热面紧贴所述散热器，所述充电插口设置于所述充电开关板的端部。
17.在上述技术方案中，所述充电开关板为pcb板，所述充电插口为设置在所述pcb板一端的pcb插口，所述pcb插口上设置金手指。
18.在上述技术方案中，所述输入转接板通过所述充电开关模块的下方插接于所述充电底板的接线端子上。
19.在上述技术方案中，所述输入转接板为输入转接pcb板，所述排针为二脚排针，所述二脚排针的两个针脚在所述输入转接pcb板上通过覆铜连接在一起，所述pcb板接线端子包括两个端子脚，相对的端子脚和排针通过输入转接pcb板上的覆铜条连接在一起。
20.在上述技术方案中，所述驱动底板设有隔离变压单元，在隔离变压单元的初次级间设有一个绝缘槽，所述放电底板上设有绝缘槽，位于隔离变压器初次级之间，用于防止通过pcb板爬电，提高绝缘性能。
21.在上述技术方案中，所述第一触发输入插座设置在所述驱动底板的低压边。
22.在上述技术方案中，所述充电驱动输出插头采用四脚90度排针，分别与所述充电底板的驱动输入插座连接，所述充电驱动输出插头的1、2脚连接驱动信号正，3、4脚连接驱动信号负。
23.在上述技术方案中，所述放电开关模块包括放电开关板、放电散热器和放电igbt开关管，所述放电开关板的四角通过四个铜柱和配套螺丝固定在所述放电散热器的侧面，所述放电igbt开关管固定于所述放电开关板和放电散热器的侧面间，所述放电igbt开关管散热面贴在放电散热器侧面，所述放电开关板的端部设有pcb插口以匹配插入至所述放电底板上的放电开关模块插座内。
24.本实用新型的另一方面，一种模块化高压脉冲调制装置，包括4u插箱和所述的模
块化高压脉冲调制组件，所述绝缘底板固定在4u插箱的底面上。
25.在上述技术方案中，所述4u插箱的前面板包括可拆卸的活动板和分别位于所述活动板左右两侧的左固定板、右固定板，所述活动板上装配有至少一个轴流风扇，所述左固定板或右固定板上装配有三个航插，分别连接所述第一触发输入插座、第二触发输入插座以及轴流风扇；
26.所述4u插箱的背部板中部留空，并且设有高压正充电输出插座、高压负充电输出插座、高压正放电输出插座和高压负放电输出插座，所述高压正接线插片和高压负接线插片分别通过高压线与所述高压正充电输出插座和高压负充电输出插座连接，放电底板上的第一铜螺柱和第二铜螺柱分别利用高压线与所述高压正放电输出插座和高压负放电输出插座连接。
27.本实用新型的另一方面，一种模块化高压脉冲调制系统，包括多个依次串联的所述的模块化高压脉冲调制装置，
28.相邻的两个高压脉冲调制装置a和b，高压脉冲调制装置a的高压负充电输出插座连接到高压脉冲调制模块b的高压正充电输出插座，高压脉冲调制模块a的高压负放电输出插座与高压脉冲调制模块b的高压正放电输出插座相连。
29.串联端部的高压脉冲调制装置m和n，高压脉冲调制模块m的高压正充电输出插座和高压脉冲调制模块m的高压正放电输出插座短接并接地，高压脉冲调制模块n的高压负充电输出插座和高压脉冲调制模块n的高压负放电输出插座短接，分别连接到负载两端，形成负高压脉冲输出。
30.与现有技术相比，本实用新型的有益效果是：
31.1.本实用新型通过对高压脉冲调制模块进行模块化结构设计，充放电组件通过pcb接插件进行连接和安装，单个4u插箱实现了多个(八个)开关模块的串接，在大幅提高集成度的情况下，同时极大地提高了高压脉冲调制模块的可靠性。
32.2.本实用新型对易损坏的充电开关模块和放电开关模块采用插拔式设计，大大提高了可维护性。
33.3.通过将散热器的散热翅长边沿4u插箱前后方向，提高了前后强迫风冷效果。
34.4.当插箱能实现10kv高压脉冲输出，并且通过将脉冲调制装置串联，可实现高压脉冲叠加输出，如两个脉冲调制装置可实现20kv高压脉冲输出。
附图说明
35.图1是模块化高压脉冲调制装置的结构图。
36.图2是模块内部组件的结构图。
37.图3是充电组件的结构图。
38.图4中(a)和(b)是充电底板组件装配图。
39.图5是导轨的结构图。
40.图6是充电开关模块的结构图。
41.图7是输入转接板的结构图。
42.图8是充电驱动板的结构图。
43.图9是放电组件的结构图。
44.图10是放电底板的结构图。
45.图11是放电开关模块的结构图。
46.图12中(a)和(b)是4u插箱的结构图。
47.图中：1
‑
模块化高压脉冲调制组件，2
‑
4u插箱，3
‑
充电组件，4
‑
放电组件，5
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绝缘底板，6
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驱动底板，7
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输入转接板，15
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充电开关模块，23
‑
充电底板，24
‑
导轨，24
‑1‑
导轨导向槽，24
‑
2、24
‑
3、24
‑4‑
螺纹孔，32
‑
导轨支持条，33、42
‑
充电开关模块插座，41
‑
接线端子、64
‑
pcb板接线端子，49
‑
充电驱动输入插座，57
‑
高压正接线插片，58
‑
高压负接线插片，59
‑
充电开关板，60
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散热器，61
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充电igbt开关管62、118
‑
pcb插口，63
‑
输入转接pcb板，41
‑
1第一端子脚、41
‑
2第二端子脚、64
‑
1第一接线端子脚，64
‑2‑
第二接线端子脚，65、66
‑
二脚排针，67、94
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隔离驱动单元，75第一触发输入插座，129
‑
第二触发输入插座，76
‑
充电驱动输出插头，84
‑
pcb板绝缘槽，85
‑
放电底板，86、93
‑
放电开关模块，102、109
‑
放电开关模块插座，111
‑
第一铜螺柱，112
‑
第二铜螺柱，114
‑
放电散热器，115
‑
放电开关板，117
‑
螺丝，119
‑
4u插箱前面板活动板，120
‑
4u插箱前面板左固定板，121
‑
4u插箱前面板右固定板，122
‑
轴流风扇，126
‑
第一航插，27
‑
第二航插，28
‑
第三航插，130
‑
高压正充电输出插座，131
‑
高压负充电输出插座，13
‑
高压负充电输出插座，133
‑
高压负放电输出插座。
具体实施方式
48.以下结合附图和具体实施例对本实用新型作进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本实用新型，并不用于限定本实用新型。
49.实施例1
50.一种模块化高压脉冲调制组件，包括装配于绝缘底板5上的充电组件3和放电组件4；
51.所述充电组件包括一个充电底板模块、一个充电驱动模块、八个输入转接板7和八个充电开关模块15(图3中隐藏中间六个充电开关模块)，八个输入转接板7将八路输入直流源转接到所述充电底板模块中的充电底板23上；
52.所述充电底板模块包括充电底板23和九个导轨24(图4中隐藏了中五个导轨)，其中所述充电底板23垂直安装在所述绝缘底板5上，每一导轨24均和所述充电底板23相垂直且平行于所述绝缘底板5，每一充电开关模块15装配于相邻的两个导轨24之间，所述充电底板23设有八个充电开关模块插座33、八个接线端子41、八个充电驱动输入插座49以及至少一个高压正接线插片57和高压负接线插片58；每一充电开关模块插座33用于插接一个充电开关模块15，优选型号为pcb板插座cy401
‑
14，所述接线端子41用来连接通过输入转接板7接入的直流源，优选型号为采用kf7.62
‑
3p，其中中间脚去除，增加两端两脚间的耐压，所述充电驱动输入插座49用于连接充电驱动模块的充电驱动输出插头76，所述高压正接线插片57和高压负接线插片58分别连接高压正充电输出和高压负充电输出，如图4中(a)所示，高压正接线插片57电连接至充电开关模块插座33，高压负接线插片58电连接至充电开关模块插座42，八个充电开关模块插座中相邻的两个相互串联。
53.所述模块化高压脉冲调制模块结构由外部触发信号控制，在充电开关模块导通时，放电开关模块关闭，在负载上形成高压；在充电开关模块关闭时，放电开关模块导通，使负载电压为零，从而在负载上形成高压脉冲。
54.更为优选的，导轨24用于支撑所述充电开关模块15，导轨如图5所示，每一导轨24的两面分别设计有导向槽24
‑
1，用于插拔充电开关模块15的导向，每一导轨24的一端设有两个支腿，支腿端面设有螺纹孔24
‑
2和螺纹孔24
‑
3，使用螺钉通过螺纹孔将导轨24安装在充电底板23上。每一导轨24的下边设计螺纹孔24
‑
4，使用螺丝安装在导轨支持条32上。
55.如图6所示，所述充电开关模块包括充电开关板59、散热器60和充电igbt开关管61，所述充电开关板59为pcb板，所述充电igbt开关61管根据耐压、电流等参数进行选择，本应用中采用ixbh42n170，充电igbt开关管垂直焊接在充电开关板59上，散热面紧贴安装在同样垂直安装在充电开关板59上的充电散热器60上。充电开关板59一端设计有pcb插口62，并设计有金手指，安装时将充电开关板的两边沿着导轨的导向槽24
‑
1推入，将pcb插口62插入pcb板插座(充电开关模块插座33)。
56.如图7所示，每一输入转接板7包括输入转接pcb板63以及分别固定于所述输入转接pcb板63两端的pcb板接线端子64和两个二脚排针65和66，pcb板接线端子64采用kf7.62
‑
3p，其中中间脚去除，增加两端第一接线端子脚64
‑
1和第二接线端子脚64
‑
2间的耐压，pcb板接线端子64两脚分别连接输入直流源的正、负极。两个二脚排针为脚距5.08，二脚排针的两个针脚在pcb板上通过覆铜连接在一起。输入转接pcb板63有两条较宽覆铜条，分别将第一接线端子脚64
‑
1、第二接线端子脚64
‑
2和二脚排针65和66连接在一起，二脚排针65和66分连接到充电底板23的接线端子41的两个端子脚上，将输入直流源转接到充电底板上。如：第一个输入转接板7的二脚排针65和66，分别与充电底板23上接线端子41的第一端子脚41
‑
1和第二端子脚41
‑
2相连，排针的两个针脚骑在端子脚固定螺丝两边并压在簧片下，通过螺丝拧紧而固定。依次类推第二～八输入转接板的连接。
57.通过输入转接板7，将输入直流源的输入安装位置从充电开关模块下面引出，便于输入线的拆装。
58.如图8所示为充电驱动模块，所述充电驱动模块包括驱动底板6、八路隔离驱动单元67、八路充电驱动输出插头76和第一触发输入插座75。所述隔离驱动单元可以根据隔离要求，选用任何形式的隔离驱动形式，图中示意为采用变压器隔离的隔离单元。驱动底板6(pcb板)在隔离变压器初次级间设有一个绝缘槽84，用于防止初次级间通过pcb板爬电，提高电压隔离度。所述第一触发输入插座75设置在驱动底板6的低压边。充电触发信号和供电连接到第一触发输入插座75，提供给8路隔离驱动单元。所述充电驱动输出插头76采用四脚90度排针，分别与充电底板23的八个驱动输入插座49连接，所述充电驱动输出插头76的1、2脚连接驱动信号正，3、4脚连接驱动信号负，每个信号采用两个脚，以提高可靠性。
59.图9所示为放电组件，所述放电组件包括放电底板85以及八个放电开关模块86，图中隐藏了五个放电开关模块。所述放电底板85上设有八路隔离驱动单元94、八个放电开关模块插座102，八个放电开关模块插座102与八路隔离驱动单元94一一对应，放电开关模块插座102采用与充电开关模块插座一样的型号。所述放电底板85上设有绝缘槽110，位于隔离变压器初次级之间，用于防止通过pcb板爬电，提高绝缘性能。所述放电底板85上设有分别用于连接高压正放电输出和高压负放电输出第一铜螺柱111和第二铜螺柱112，所述第一铜螺柱111通过pcb覆铜连接至放电开关模块插座109，放电开关模块插座109与放电开关模块93相连接，第二铜螺柱112通过pcb覆铜连接至放电开关模块插座102，放电开关模块插座102连接到放电开关模块86，放电开关模块插座109和放电开关模块插座102之间的放电开
关模块插座依次串联，所述放电底板85上还设有第二触发输入插座129(四芯插座)，放电触发信号和供电与所述第二触发输入插座129相连，提供给八路隔离驱动单元94。
60.图11所示为放电开关模块，所述放电开关模块包括放电散热器114、放电开关板115和igbt开关管116，放电开关板115的4角通过4个5mm高铜柱和配套螺丝固定在放电散热器114侧面，igbt开关管116夹在放电开关板和散热器侧面间，igbt开关管散热面贴在放电散热器侧面，igbt根据需要选用，本例采用ixbh16n170，通过螺丝117将放电开关板、igbt开关管和散热器固定、紧贴，确保可靠散热。放电开关板115设计有pcb插口118，安装时，分别将八个放电开关模块的pcb插口118插入放电底板85上的放电开关模块插座102内。驱动信号通过插座连接到放电开关模块上。采用插拔结构，便于维护时的拆装。
61.实施例2
62.一种模块化高压脉冲调制装置，包括4u插箱2和实施例1所述的模块化高压脉冲调制组件1，所述绝缘底板5固定在4u插箱2内部的底面。
63.4u插箱为19寸插箱，前面板安装4个风扇，通过强迫风冷给模块内部组件散热，触发信号、风扇供电通过前面板3个航插输入。插箱后面板左右分别配置两个高压连接器，用于高压脉冲输出，应用时连接到负载。
64.图12所示为4u插箱，所述4u插箱2的插箱前面板包括活动板119、左固定板120和右固定板121，活动板119上安装了4个轴流风扇122，对模块内部组件进行强迫风冷，在需要更换维护充电开关模块时，可拆下活动板119。右固定板有第一航插126、第二航插127和第三航插128，其中第一航插126、第二航插127通过四芯屏蔽双绞线分别连接到充电驱动板的第一触发输入插座75和放电底板的第二触发输入插座129，将外部触发信号和供电提供给充电驱动板和放电底板。第三航插128通过两芯线给四个轴流风扇供电。4u插箱的后面板中间留空用于通风，两边共安装有四个高压插座，四个高压插座分别为高压正充电输出插座130、高压负充电输出插座131、高压正放电输出插座132和高压负放电输出插座133；
65.所述高压正接线插片57和高压负接线插片58分别通过高压线与所述高压正充电输出插座130和高压负充电输出插座131连接。放电底板上的第一铜螺柱111和第二铜螺柱112分别利用高压线与所述高压正放电输出插座132和高压负放电输出插座133连接，并通过pcb覆铜和放电开关模块插座连接到所述放电开关模块。采用4芯双绞屏蔽线将放电触发信号和供电从高压脉冲调制模块前面板放电触发供电航插127连接到四芯插座129，经八路隔离驱动，驱动放电开关模块的导通和关闭。
66.使用时，模块化高压脉冲调制装置为负高压输出，单模块使用时高压负充电输出插座131和放电输出插座133短接，通过高压线连接到负载一端，高压正充电输出插座130和高压负放电输出插座12短接并接地，连接到负载另一端，在负载两端形成负高压脉冲。
67.所述第一触发输入插座75设置在驱动底板6的低压边，用于连接机箱上触发输入航插。将充电触发信号和供电通过四芯双绞屏蔽线从4u插箱前面板航插126连接到第一触发输入插座75。
68.作为优选的，散热器60的散热翅长边沿插箱前后方向，提高前后强迫风冷散热效果。放电开关模块安装在放电底板85后，放电散热器114的散热翅长边沿4u插箱前后方向，提高前后强迫风冷散热效果。
69.实施例3
70.一种模块化高压脉冲调制系统，包括依次串联的两个及以上的如实施例2所述的模块化高压脉冲调制装置。
71.高压脉冲调制装置多个串联使用可提高输出脉冲电压。以两个高压脉冲调制模块(分别设为a和b)串联为例，高压脉冲调制装置a的高压正充电输出插座连接到高压脉冲调制模块b的高压负充电输出插座，高压脉冲调制模块a的高压正放电输出插座连接到高压脉冲调制模块b的高压负放电输出插座，然后，高压脉冲调制模块a的高压负充电输出插座和负放电输出插座短接、高压脉冲调制模块b的高压正充电输出插座和高压正放电输出插座短接并接地，分别连接到负载两端，形成负高压脉冲输出。
72.当一个插箱能实现10kv高压脉冲输出时，通过将脉冲调制模块串联，可实现高压脉冲叠加输出，如两个脉冲调制模块可实现20kv高压脉冲输出。
73.为了易于说明，实施例中使用了诸如“上”、“下”、“左”、“右”等空间相对术语，用于说明图中示出的一个元件或特征相对于另一个元件或特征的关系。应该理解的是，除了图中示出的方位之外，空间术语意在于包括装置在使用或操作中的不同方位。例如，如果图中的装置被倒置，被叙述为位于其他元件或特征“下”的元件将定位在其他元件或特征“上”。因此，示例性术语“下”可以包含上和下方位两者。装置可以以其他方式定位(旋转90度或位于其他方位)，这里所用的空间相对说明可相应地解释。
74.而且，诸如“第一”和“第二”等之类的关系术语仅仅用来将一个与另一个具有相同名称的部件区分开来，而不一定要求或者暗示这些部件之间存在任何这种实际的关系或者顺序。
75.以上所述仅是本实用新型的优选实施方式，应当指出的是，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本实用新型原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本实用新型的保护范围。