高壓陡前沿脈沖發(fā)生裝置

摘要：介紹了一種基于IGBT串聯(lián)技術(shù)的頻率可調(diào)的高壓陡前沿脈沖發(fā)生裝置。并針對(duì)串級(jí)型結(jié)構(gòu)的固體開關(guān)式脈沖發(fā)生器存在的可靠性受同步驅(qū)動(dòng)、均壓等技術(shù)條件影響嚴(yán)重的問題,提出了利用光纖連接器提高驅(qū)動(dòng)信號(hào)同步性等解決方案。利用OrCAD\PSpice軟件對(duì)電路的仿真和與實(shí)際測(cè)試波形的對(duì)比結(jié)果證明,該裝置工作可靠，輸出脈沖電壓峰峰值為±5kV，頻率為1kHz～10kHz可調(diào)，脈沖前沿到達(dá)200納秒以內(nèi)。 敘詞：納秒級(jí)脈沖前沿 IGBT串聯(lián) 光纖連接器 Abstract：This paper describe a frequency-adjustable high voltage steep rise time pulse generator based on the technology of IGBTs series. For the reliability of solid-state and series switch which is deeply affected by synchronous driver and voltage balance, switch driver synchronous circuits are presented, optical fibers are applied to transfer drive signal for IGBTs on floating voltage. Finally, with the simulation software OrCAD\PSpice, a simplified modulator model is established. Simulative waves confirms with modulator's actual performance well. Experiment proves that the modulator could work reliably. The output parameters are as fellow: the voltage output is 5kV,the rise time of the pulse is less than 200nsthe frequency of the pulse is adjustable from 1kHz10kHz. Keyword：Nanosecond rise time pulse, IGBT series connection, Fiber connection
    1、引言

  目前，在大功率、高頻率、窄脈沖的應(yīng)用領(lǐng)域中利用的基本都是真空管，如：二次電子發(fā)射管、放電間隙開關(guān)、觸發(fā)管、氫閘管等。主要研究方向是如何提高電真空器件的開關(guān)速度，減小其觸發(fā)晃動(dòng)，研制與其相配的高速高壓驅(qū)動(dòng)電路。但是真空電子管這類器件存在損耗大、驅(qū)動(dòng)電路龐大、冷卻麻煩等缺點(diǎn)；同時(shí)，為了在速調(diào)管打火時(shí)對(duì)其進(jìn)行快速保護(hù)，還經(jīng)常需要在調(diào)制器中設(shè)置復(fù)雜的撬棒管及其觸發(fā)電路，這些問題直接影響調(diào)制器的效率和可靠[1]。近年來，由于半導(dǎo)體器件的電壓和功率等級(jí)不斷提升，相關(guān)技術(shù)也在逐步完善，為解決上述問題創(chuàng)造了條件?；谠擁?xiàng)技術(shù)發(fā)展趨勢(shì)，本文設(shè)計(jì)了一種新型高壓快脈沖發(fā)生器。

    2、輸出指標(biāo)和基本結(jié)構(gòu)

    高電壓、快脈沖和高重復(fù)率是脈沖功率裝置的發(fā)展方向。高頻化是減小系統(tǒng)體積的一個(gè)有效途徑。本設(shè)計(jì)采用IGBT做為主開關(guān)器件，輸出脈沖電壓峰峰值為±5kV，頻率為1kHz～10kHz可調(diào)，脈沖前沿200ns。
本高壓快脈沖發(fā)生器的設(shè)計(jì)主要分為三部分：

    （1）可調(diào)高壓直流發(fā)生器：使用工頻交流電為電源，在低壓部分經(jīng)過整流、逆變電路產(chǎn)生低壓脈沖，經(jīng)脈沖變壓器升壓，成為高壓脈沖再經(jīng)不可控整流為高壓直流。再將其作為高壓直流電源提供給最后的高壓脈沖發(fā)生部分?？烧{(diào)高壓直流發(fā)生器結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 可調(diào)高壓直流發(fā)生器結(jié)構(gòu)圖

    （2）高壓脈沖發(fā)生部分：將高壓直流電源提供的直流高壓送入可控開關(guān)器件，產(chǎn)生所需要的高壓脈沖。

    （3）高壓逆變控制和驅(qū)動(dòng)部分：控制高壓逆變過程中的開關(guān)器件的開通與關(guān)斷。在控制方面采用基于PWM控制方法的芯片SG3525。在驅(qū)動(dòng)電路方面，采用三菱公司的IGBT專用驅(qū)動(dòng)芯片M57962L。

    3、可調(diào)直流電壓發(fā)生電路的設(shè)計(jì)

    首先將工頻交流電整流，拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)選用的是半控橋式整流電路，開關(guān)器件選用的是雙向晶閘管BTA20。單相半控橋式整流電路整流電壓平均值如下式所示：
       
    根據(jù)該公式，采用相位控制方式，即通過對(duì)低壓整流部分使用的晶閘管的開通角進(jìn)行控制，得到幅值可調(diào)的直流低壓。控制芯片選用SIEMENS公司的TCA785相位控制專用芯片。同時(shí)，為了準(zhǔn)確的識(shí)別交流電壓零點(diǎn)，設(shè)計(jì)了零點(diǎn)識(shí)別電路。低壓整流及控制電路原理圖如圖2所示。

圖2 低壓整流及控制電路原理圖

    低壓逆變電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)采用半橋逆變電路，開關(guān)器件選用電力場(chǎng)效應(yīng)管MOSFET，型號(hào)為IRF840。MOSFET的快速關(guān)斷過程中，線路中由于配線等原因而產(chǎn)生的電感中積蓄的能量釋放和輔助回路中續(xù)流二極管反向恢復(fù)產(chǎn)生很高的浪涌電壓。采取加緩沖電路的形式抑制或減小浪涌電壓的幅值。本設(shè)計(jì)中緩沖電路為RCD關(guān)斷緩沖電路，用于吸收器件的關(guān)斷過電壓和換向過電壓，抑制du/dt，減小關(guān)斷損耗。

    4、高壓脈沖形成電路的設(shè)計(jì)

    高壓逆變電路的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)選擇電壓型半橋式逆變電路。由于經(jīng)過高壓整流后的直流電壓為10kV，所以電路中開關(guān)管的每個(gè)橋臂耐壓等級(jí)都要在10kV以上，因此開關(guān)器件要選擇耐壓高，動(dòng)作快的器件。目前，在高壓應(yīng)用中，IGBT無疑是最好的選擇。盡管IGBT的耐壓級(jí)別比MOSFET要高很多，但是目前商用IGBT的最大耐壓也不超過6500V，仍然也無法滿足需要。同時(shí)IGBT隨著單管耐壓的提高，開關(guān)損耗增大，開關(guān)速度也隨之下降，所以開關(guān)橋臂決定采用串聯(lián)IGBT以達(dá)到耐壓要求。最后選擇FUJI公司的IGBT作為主電路的開關(guān)，型號(hào)為1MBH60-170，其最大關(guān)斷電壓為1700V，額定工作電流60A，飽和壓降VGE(SAT)為3.2V。在實(shí)際電路中，會(huì)在每個(gè)橋臂上個(gè)串聯(lián)10個(gè)該型號(hào)的IGBT。高壓逆變電路結(jié)構(gòu)圖如圖3所示：

圖3 高壓逆變電路結(jié)構(gòu)圖

    IGBT串聯(lián)使用是一種較為有效的提高耐壓的方法。理論上在IGBT器件參數(shù)、觸發(fā)時(shí)間相同的情況下，根據(jù)相應(yīng)的耐壓值，可以將任意多的器件進(jìn)行串聯(lián)使用以滿足實(shí)際需要。但在IGBT串聯(lián)提高耐壓的同時(shí)也帶來了相應(yīng)的問題，當(dāng)IGBT處于關(guān)斷狀態(tài)時(shí)，漏電流較大的IGBT的漏電阻較小，相應(yīng)承擔(dān)比較小的電壓，反之具有較高漏電阻的IGBT將承受較大的電壓。這樣就導(dǎo)致斷態(tài)時(shí)IGBT串聯(lián)組單元的電壓分配不均，有可能導(dǎo)致斷態(tài)時(shí)漏電阻較低IGBT還未發(fā)揮其耐壓能力，而漏電阻較高的IGBT則由于過電壓而毀壞。

    IGBT靜態(tài)均壓的目的是在阻斷狀態(tài)下，確保IGBT串聯(lián)組單元的電壓均衡，我們采用在每個(gè)IGBT單元兩端并聯(lián)電阻的方式實(shí)現(xiàn)。即若IGBT兩端并聯(lián)的電阻R遠(yuǎn)小于IGBT單元的漏電阻，則串聯(lián)IGBT的電壓分配就主要取決于并聯(lián)電阻R的值。但是R值取得過小的話，流過電阻的電流就比較過大，導(dǎo)致電阻上消耗功率增大，所以R值取得又不能過小。選取合適均壓電阻R后，各IGBT兩端電壓達(dá)到均衡，實(shí)現(xiàn)串聯(lián)IGBT靜態(tài)均壓的目的[3]。

    在IGBT關(guān)斷的瞬間，由于IGBT柵極電荷和輸出電容的不同，導(dǎo)致IGBT的關(guān)斷速度有差異。柵極電荷少、輸出電容小的IGBT容易關(guān)斷且關(guān)斷時(shí)間比較短，反之就比較長。因此，最先關(guān)斷的IGBT必然承受最高的動(dòng)態(tài)電壓，這就有可能導(dǎo)致IGBT的過電壓毀壞。開通時(shí)刻，因?yàn)橛|發(fā)裝置的誤差等原因，IGBT串聯(lián)組單元的開通時(shí)間也不可能完全一致，最后開通的IGBT必然承受最高的動(dòng)態(tài)電壓，這也可能導(dǎo)致IGBT的過電壓毀壞。

    IGBT動(dòng)態(tài)均壓的目的是在IGBT開通和關(guān)斷狀態(tài)下，確保IGBT串聯(lián)組單元的動(dòng)態(tài)電壓均衡。本文對(duì)于IGBT動(dòng)態(tài)電壓不均衡的問題是通過瞬態(tài)電壓抑制器，即TVS（Transient Voltage Suppressor），型號(hào)為1.5KE200CA解決的。實(shí)際應(yīng)用中，將5個(gè)該型號(hào)的TVS串聯(lián)起來，并聯(lián)在IGBT串聯(lián)組單元兩端來保證動(dòng)態(tài)電壓的均衡。加載均壓措施后的IGBT串聯(lián)單元結(jié)構(gòu)如圖4所示[3]。

圖4 加載均壓措施后的IGBT串聯(lián)單元結(jié)構(gòu)圖

    5、IGBT的同步驅(qū)動(dòng)和高壓隔離

    高壓脈沖發(fā)生電路中IGBT是串聯(lián)應(yīng)用，所以對(duì)IGBT串聯(lián)組各單元觸發(fā)信號(hào)的同步性，準(zhǔn)確性有著較高的要求。同時(shí)高壓逆變電路與控制電路的電壓級(jí)別相差很大，各個(gè)IGBT單元都處于高電位，所以主電路與控制電路之間以及各個(gè)IGBT驅(qū)動(dòng)電路之間必須采取相應(yīng)的隔離措施。

    為了實(shí)現(xiàn)控制電路和主電路之間的電隔離，使用光纖連接器來實(shí)現(xiàn)驅(qū)動(dòng)控制信號(hào)的傳遞。整個(gè)光纖連接系統(tǒng)主要由光發(fā)射端、光接收端、光驅(qū)動(dòng)器和光纖4部分組成。其工作原理與光耦基本一致。即光發(fā)送器中的發(fā)光二極管發(fā)出的PWM光信號(hào)進(jìn)入光纖，沿著光纖到光接受端，然后由檢測(cè)器將光信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字輸出信號(hào)，從而完成信號(hào)的傳輸過程。現(xiàn)在市場(chǎng)上的光纖收發(fā)器產(chǎn)品以安捷倫(Agilent)公司的較多。通過比較，決定選用型號(hào)為HFBR-2524、HFBR-1524的光纖收發(fā)器，其1MBd的信號(hào)傳輸率足以滿足傳遞PWM信號(hào)的需要[6]?？刂婆c光纖連接電路原理圖如圖5所示：

圖5 控制電路與光纖連接電路原理圖

    針對(duì)IGBT的驅(qū)動(dòng)，國外許多公司都設(shè)計(jì)制造了專用的IC芯片。通過以上對(duì)于IGBT驅(qū)動(dòng)的分析，最終選擇三菱公司的專用芯片M57962L作為IGBT驅(qū)動(dòng)芯片。M57962L驅(qū)動(dòng)器能夠通過檢測(cè)IGBT的飽和管壓降來確定IGBT是否處于過壓狀態(tài)來保護(hù)IGBT。該器件共有14根引腳，其中2、3、7、9、10、11、12腳為空腳。驅(qū)動(dòng)電路如圖6所示[3]。

圖6 IGBT驅(qū)動(dòng)電路原理圖

                    (a)

                     (b)
圖7  (a) 輸出脈沖電壓波形圖,
(b)輸出脈沖電壓前沿波形圖

    輸出脈沖前沿波形圖如圖7(b)所示，從圖中可以看出，脈沖電壓在50.10μs時(shí)從0V開始上升，到50.25μs前上升到5kv。上升時(shí)間為150ns左右。

    6、結(jié)論

    輸出脈沖電壓波形如圖7（a）所示，脈沖電壓幅值為±5kV，頻率為10kHz，占空比約為40%。本文設(shè)計(jì)的高壓陡前沿脈沖發(fā)生器經(jīng)實(shí)驗(yàn)證明，輸出脈沖幅度為±5kV，頻率為1kHz至10kHz可調(diào)，脈沖前沿為150ns，達(dá)到設(shè)計(jì)要求。同時(shí)IGBT串聯(lián)均壓問題得到基本解決，驅(qū)動(dòng)信號(hào)同步性得到改善。本脈沖發(fā)生器結(jié)構(gòu)簡單，造價(jià)較低廉，使用簡單。但在運(yùn)行的可靠性，以及IGBT的驅(qū)動(dòng)信號(hào)同步性上應(yīng)在未來的研究和實(shí)驗(yàn)中進(jìn)一步探索。