基于IGBT的固態(tài)高壓脈沖電源的研究與設(shè)計(jì)

摘要：由于脈沖電源有斷續(xù)供電的特性，在很多領(lǐng)域都獲得了廣泛的應(yīng)用，其中高壓脈沖電源是系統(tǒng)的核心組成部分。為了獲取高重復(fù)頻率、陡前沿高壓脈沖電源，文中提出了一種基于IGBT的高壓脈沖電源，系統(tǒng)主要由高壓直流充電電源和脈沖形成電路兩部分組成，由DSP作為主控制芯片，控制IGBT的觸發(fā)和實(shí)現(xiàn)軟開(kāi)關(guān)技術(shù)，并用仿真軟件PSIM對(duì)高壓脈沖電源進(jìn)行仿真分析，驗(yàn)證了設(shè)計(jì)思想的正確性。
關(guān)鍵詞：高壓脈沖電源；IGBT；LCC；全橋逆變；DSP

    由于脈沖電源有斷續(xù)供電的特性，在很多領(lǐng)域都獲得了廣泛的應(yīng)用。比如說(shuō)高能量物理、粒子加速器、金屬材料的加工處理、食品的殺菌消毒、環(huán)境的除塵除菌等方面，都需要這樣一種脈沖能量——可靠、高能量、脈寬和頻率可調(diào)、雙極性、平頂?shù)碾妷翰ㄐ?。無(wú)論將此高功率脈沖電源用于何種用途，高壓脈沖電源均是其設(shè)計(jì)的核心部分。傳統(tǒng)的高功率脈沖電源一般采用工頻變壓器升壓，然后采用磁壓縮開(kāi)關(guān)或者旋轉(zhuǎn)火花隙來(lái)獲取高壓脈沖，因而大都比較笨重，且獲得的脈沖頻率范圍有限，其重復(fù)頻率難以調(diào)節(jié)，脈沖波形易變化，可靠性較低，控制較困難，成本較高。文中采用固態(tài)電器——IGBT來(lái)獲取高壓脈沖波形。將IGBT作為獲取高壓脈沖的電子開(kāi)關(guān)，利用IGBT構(gòu)成LCC串并聯(lián)諧振變換器作為高壓脈沖電源的充電電源，同時(shí)利用IGBT構(gòu)成全橋組成脈沖形成電路，輸出雙極性高壓脈沖波形。文中給出了系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、系統(tǒng)各個(gè)部分功能說(shuō)明，通過(guò)仿真電力電子仿真軟件PSIM對(duì)LCC充電過(guò)程和脈沖形成電路進(jìn)行仿真分析。

1 高壓脈沖電源系統(tǒng)結(jié)構(gòu)
1．1 高壓脈沖電源的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)
    高壓脈沖電源常用的主電路拓?fù)淇梢詺w納為兩類：電容充放電式和高壓直流開(kāi)關(guān)電源加脈沖生成的兩級(jí)式兩種。電容充放電式是通過(guò)長(zhǎng)時(shí)間充電、瞬間放電，即通過(guò)控制充放電的時(shí)間比例，達(dá)到能量壓縮、輸出高壓大功率脈沖的目的。優(yōu)點(diǎn)是可以輸出的脈沖功率和電壓等級(jí)較高，脈沖上升沿較陡；但是，輸出脈沖的精度難以控制，而且重復(fù)頻率低，因而應(yīng)用范圍比較有限，主要應(yīng)用在核電磁物理研究、煙氣除塵、污水處理、液體殺菌等場(chǎng)合。兩級(jí)式結(jié)構(gòu)為高壓直流開(kāi)關(guān)電源級(jí)加上脈沖形成級(jí)的結(jié)構(gòu)。文中采用這種兩級(jí)式拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，電源系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。兩級(jí)式有脈沖穩(wěn)定、可控性好、精度高、重復(fù)頻率變化范圍大等特點(diǎn)，因而適用范圍較廣，通用性較好。

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1．2 電源主電路結(jié)構(gòu)和工作原理
    電源主電路原理圖如圖2所示，電路由工頻交流輸入、整流濾波、LCC串并聯(lián)諧振變換器、電容充電儲(chǔ)能、電感的緩沖隔離、IGBT全橋逆變、脈沖升壓變壓器等單元構(gòu)成。電路工作過(guò)程：220 V交流通過(guò)整流濾波后得到低壓直流輸出，通過(guò)LCC串并聯(lián)諧振逆變經(jīng)高頻升壓后向儲(chǔ)能電容C充電，經(jīng)過(guò)IGBT全橋逆變拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)雙極性脈沖輸出。

    圖2中LCC串并聯(lián)諧振變換器是此高壓脈沖電源充電電路的核心部分，由4個(gè)功率開(kāi)關(guān)管IGBT與諧振電感Ls、串聯(lián)諧振電容Cs、并聯(lián)諧振電容Cp組成，工作原理是：利用電感、電容等諧振元件的作用，使功率開(kāi)關(guān)管的電流或電壓波形變?yōu)檎也ā?zhǔn)正弦波或局部正弦波，這樣能使功率開(kāi)關(guān)管在零電壓或零電流條件下導(dǎo)通或關(guān)斷，減少開(kāi)關(guān)管開(kāi)通和關(guān)斷時(shí)的損耗，同時(shí)提高開(kāi)關(guān)頻率，減小開(kāi)關(guān)噪聲，降低EMI干擾和開(kāi)關(guān)應(yīng)力。
    分析LCC串并聯(lián)諧振充電電路時(shí)，假設(shè)：1)所有開(kāi)關(guān)器件和二極管均為理想器件；2)變壓器分布電容為0；3)n2C>>Cs；4)開(kāi)關(guān)器件工作在全軟開(kāi)關(guān)狀態(tài)。
    根據(jù)開(kāi)關(guān)頻率fs與基本諧振頻率fr的關(guān)系，LCC諧振變換器有3種工作方式：1)fs<0．5fr的電流斷續(xù)模式(DCM)，開(kāi)關(guān)管工作在零電流／零電壓關(guān)斷、零電流開(kāi)通狀態(tài)，反并聯(lián)二極管自然開(kāi)通、自然關(guān)斷；2)fr>fs>0．5fr的電流連續(xù)模式(CCM)，開(kāi)關(guān)管為零電流／零電壓關(guān)斷、硬開(kāi)通，反并聯(lián)二極管自然開(kāi)通但關(guān)斷時(shí)二極管有反向恢復(fù)電流，電路開(kāi)關(guān)損耗較大；3)fs>fr仍然為電流連續(xù)模式(CCM)，與2)的區(qū)別是開(kāi)關(guān)管為零電流／零電壓開(kāi)通、硬關(guān)斷，電路開(kāi)關(guān)損耗同樣較大。諧振頻率為：
   
    其中Lr為諧振電感，為諧振電容，視工作狀況不同，由串聯(lián)電容Cs與并聯(lián)電容Cp共同決定。
    在此設(shè)計(jì)中，選用合理的逆變?cè)O(shè)計(jì)參數(shù)，使LCC串并聯(lián)諧振變換器工作在DCM模式下，結(jié)合軟開(kāi)關(guān)技術(shù)，使開(kāi)關(guān)損耗達(dá)到最小。[!--empirenews.page--]
1．3 高壓脈沖形成電路
    高壓脈沖的形成是利用IGBT構(gòu)成的全橋拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)對(duì)前級(jí)產(chǎn)生的高電壓進(jìn)行開(kāi)關(guān)控制從而實(shí)現(xiàn)雙極性脈沖輸出，如圖2所示。
    開(kāi)關(guān)Q5、Q7與開(kāi)關(guān)Q6、Q8分別在正負(fù)半周期交替導(dǎo)通，得到雙極性的脈沖輸出。改變兩組開(kāi)關(guān)的切換頻率，即可改變輸出雙極性脈沖的頻率，控制開(kāi)關(guān)管的導(dǎo)通時(shí)間即可調(diào)節(jié)輸出脈沖的占空比，得到脈寬與頻率均可調(diào)的雙極性高壓脈沖波。
1．4 高壓脈沖電源的控制
    整個(gè)系統(tǒng)的控制由TMS320F2812 DSP芯片和IGBT驅(qū)動(dòng)器來(lái)實(shí)現(xiàn)，主要通過(guò)恒定導(dǎo)通時(shí)間-恒頻控制的方法實(shí)現(xiàn)LCC串并聯(lián)諧振充電電路的軟開(kāi)關(guān)，減少開(kāi)關(guān)損耗，調(diào)節(jié)輸出電壓；及利用變頻變寬的控制方法實(shí)現(xiàn)后級(jí)脈沖形成電路的輸出脈沖控制和IGBT同步觸發(fā)等。
TMS320F2812開(kāi)發(fā)板，內(nèi)部集成了16路12位A／D轉(zhuǎn)換器、兩個(gè)事件管理器模塊、一個(gè)高性能CPLD器件XC95144XL，可實(shí)現(xiàn)過(guò)壓、過(guò)流保護(hù)在內(nèi)的電源系統(tǒng)運(yùn)行全數(shù)字控制，提高輸出電壓的精度和穩(wěn)定度。且采用軟件編程實(shí)現(xiàn)控制算法，使得系統(tǒng)升級(jí)、修改更為靈活方便。
    1)過(guò)壓保護(hù)
    通過(guò)高頻降壓互感器檢測(cè)脈沖升壓變壓器原邊電壓得到電壓信號(hào)Ui，將Ui作為過(guò)壓保護(hù)電路的輸入電壓，將過(guò)壓保護(hù)電路的輸出信號(hào)接到DSPF2812的引腳，這樣迫使系統(tǒng)重新啟動(dòng)，實(shí)現(xiàn)過(guò)壓保護(hù)的目的，以達(dá)到保護(hù)負(fù)載的安全。

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    2)過(guò)流保護(hù)
    當(dāng)負(fù)載電流超過(guò)設(shè)定值或發(fā)生短路時(shí)，需對(duì)電源本身提供保護(hù)，系統(tǒng)的過(guò)流保護(hù)在系統(tǒng)的安全性方面占有重要的地位。過(guò)流保護(hù)電路與過(guò)壓保護(hù)電路相似，如圖4所示。將轉(zhuǎn)換的電壓信號(hào)輸入到F2812的，啟動(dòng)保護(hù)程序，故障鎖存器置位，系統(tǒng)復(fù)位重新啟動(dòng)。

2 電路的仿真分析
    令k=Cp／Cs，圖5(a)為k=0．25諧振電流和諧振電壓波形。選擇直流母線電壓Vin=300 V，開(kāi)關(guān)頻率fs=25 kHz，脈寬tw=10μs，Lr=50 μH，Cs=0．2μF，諧振頻率kHz，即滿足fs<1／2fr，LCC串并聯(lián)諧振變換器工作在DCM模式下，高頻升壓變壓器變比為1：4。高壓脈沖形成電路中，脈沖升壓變壓器變比為1：12，雙極性脈沖仿真波形如圖5(b)所示。

3 結(jié)論
    本文設(shè)計(jì)了一種基于IGBT的高壓脈沖電源，分析了電源的各個(gè)組成部分及功能，并由DSP產(chǎn)生控制IGBT的觸發(fā)信號(hào)，實(shí)現(xiàn)過(guò)壓、過(guò)流保護(hù)，實(shí)現(xiàn)電源的數(shù)字化控制，可精確控制輸出脈沖電壓、輸出脈沖寬度、頻率和輸出脈沖數(shù)等，且利用LCC串并聯(lián)諧振充電電路作為對(duì)中間儲(chǔ)能電容充電的結(jié)構(gòu)，有利于實(shí)現(xiàn)裝置的快速充電和小型化。