脈沖電源開(kāi)關(guān)模式及電路形式研究

侯防錄

[摘要]對(duì)幾種有效的開(kāi)關(guān)模式進(jìn)行分析比較，并對(duì)脈沖電路形式的選擇和驅(qū)動(dòng)電路的可靠性進(jìn)行研究。

[關(guān)鍵詞]開(kāi)關(guān)模式脈沖電源

中圖分類(lèi)號(hào)：TN7文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A文章編號(hào)：1671-7597(2009)0610045-01

過(guò)去二十年，電力電子技術(shù)特別是開(kāi)關(guān)器件制造水平的提高、高壓脈沖電容儲(chǔ)能密度的大幅度提高、控制技術(shù)的發(fā)展、計(jì)算機(jī)技術(shù)的廣泛應(yīng)用為脈沖電源技術(shù)的發(fā)展提供了基礎(chǔ)，在大量的民用和軍用領(lǐng)域提出了較高的要求。開(kāi)關(guān)元件是脈沖系統(tǒng)的核心元件之一，在大功率轉(zhuǎn)換條件下，對(duì)開(kāi)關(guān)的重復(fù)工作性能、動(dòng)作可靠性和穩(wěn)定性提出了很高的要求。脈沖電源在選擇高壓開(kāi)關(guān)模式上應(yīng)具有低開(kāi)關(guān)阻抗、高速電壓升降時(shí)間、大尖峰電流處理以及高dI／dt能力的性質(zhì)。以下開(kāi)關(guān)模式可滿足要求。

一、真空電子開(kāi)關(guān)管

諸如三極管等柵極真空開(kāi)關(guān)管可作為脈沖調(diào)制器的串聯(lián)開(kāi)關(guān)以方便獲得高壓脈沖。該方法主要有三個(gè)缺陷：(1)開(kāi)關(guān)管自身電流的限制；(2)管子自身大的壓降，占開(kāi)關(guān)電壓的20％甚至更高；(3)電弧降低了管子壽命，進(jìn)而要求復(fù)雜的調(diào)節(jié)系統(tǒng)，以及電弧檢測(cè)和短路保護(hù)系統(tǒng)。

二、PFN

典型的PFN由大量的電感和電容組成，其能向所匹配的負(fù)載提供固定脈寬的脈沖。通常PFN通過(guò)氫閘流管或其他快速關(guān)斷開(kāi)關(guān)等負(fù)載電路放電。該類(lèi)電路經(jīng)常采用帶有固定負(fù)載阻抗和脈寬的射頻粒子加速器。但PFN具有脈寬固定、驅(qū)動(dòng)PFN的閘流管壽命有限、電弧存在時(shí)一個(gè)脈沖期間閘流管只能作為關(guān)斷開(kāi)關(guān)不能控制開(kāi)啟、驅(qū)動(dòng)PFN的直流電源通常要求輸出電壓是工作電壓的兩倍(除非采用升壓脈沖轉(zhuǎn)換器)等缺點(diǎn)。

三、固態(tài)開(kāi)關(guān)

最近，在固態(tài)功率電子設(shè)備方面已研制出高電壓大電流的固態(tài)脈沖調(diào)制器。這些脈沖調(diào)制器中的固態(tài)開(kāi)關(guān)如IGBT開(kāi)關(guān)可采用串聯(lián)或并聯(lián)結(jié)構(gòu)，可達(dá)到極高的電壓(1-200kV)和電流(10A-5kA)。它們開(kāi)關(guān)可控，脈寬任意調(diào)節(jié)并有著快速的故障保護(hù)功能。唯一缺點(diǎn)是在小平均功率下固態(tài)開(kāi)關(guān)元件比真空電子管或PFN元件貴得多。但是從整體的脈沖電源系統(tǒng)考慮時(shí)，固態(tài)開(kāi)關(guān)可阻實(shí)現(xiàn)合理成本與高性能的統(tǒng)一，而且當(dāng)考慮到電源和冷卻系統(tǒng)的額外費(fèi)用時(shí)，固態(tài)開(kāi)關(guān)的成本與性能就更具吸引力了。另外，在脈沖調(diào)制器中采用固態(tài)開(kāi)關(guān)元件還具有任意脈寬輸出、高功率和直流電源的冷卻系統(tǒng)的費(fèi)用低、高可靠性、無(wú)x射線的優(yōu)勢(shì)。

目前，生產(chǎn)和實(shí)驗(yàn)中常用的開(kāi)關(guān)管主要有以下幾種，應(yīng)用于不同場(chǎng)合。

GTO是電流控制型功率器件，驅(qū)動(dòng)電路復(fù)雜，工作頻率較低(最高1kHz)。

大功率達(dá)林頓管在大電流工作時(shí)可以有很小的通態(tài)電阻，從而使其有較強(qiáng)的負(fù)載能力，也就可以減少在功放電路中使用的大功率管的數(shù)量，但另一個(gè)方面，大功率達(dá)林頓管卻仍需功率激勵(lì)，因激勵(lì)不足而使脈沖電源特性不良的現(xiàn)象在維修實(shí)踐中并不少見(jiàn)。

VMOS大功率管具有高開(kāi)關(guān)速度、電壓激勵(lì)和無(wú)二次擊穿等優(yōu)點(diǎn)，因而在電火花線切割機(jī)脈沖電源中獲得廣泛的應(yīng)用。但普通VMOS管有一個(gè)很大的缺陷，即在高壓大電流工作時(shí)通態(tài)電阻較大，器件本身的功耗很大，發(fā)熱嚴(yán)重，致使輸出效率下降。因此，實(shí)際應(yīng)用時(shí)常使用多只甚至多達(dá)十多只VMOS管并聯(lián)使用，從而增加了脈沖電源的體積和成本，并使其可靠性下降。

新型脈沖電源多選用絕緣柵雙極型晶體管(Insulated Gate Bipolar Transistor，簡(jiǎn)稱IGBT)作為功率開(kāi)關(guān)器件。IGBT主要特點(diǎn)既具有VMOS大功率管電壓激勵(lì)的特性，又具有大功率達(dá)林頓管低通態(tài)電阻的特性，并具有高速、高可靠、低開(kāi)關(guān)損耗、低脈沖拖尾電流、對(duì)溫度不敏感，以及驅(qū)動(dòng)電路簡(jiǎn)單，電流控制能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，適于在高壓、大電流、脈沖等條件下工作，因此非常適于在高頻大功率逆變器中使用。例如，IGBT作開(kāi)關(guān)元件，采用高頻電磁材料，研制成的IGBT逆變型脈沖電源頻率高達(dá)(10～20)kHz，滅弧更加迅速、可靠，還省去了體積龐大的工頻變壓器，功率器件模塊化，大大減小了整機(jī)體積和重量，并節(jié)約電能和材料。

本文電路基本結(jié)構(gòu)為三相電源、升壓整流、斬波電路、調(diào)節(jié)模塊。PWM電路和驅(qū)動(dòng)電路六部分。基本結(jié)構(gòu)確定后，要解決的是高壓脈沖形成電路的形式的問(wèn)題。

頻率和占空比均可調(diào)節(jié)的高壓脈沖通常是用高壓固態(tài)開(kāi)關(guān)(由多個(gè)半導(dǎo)體開(kāi)關(guān)器件串聯(lián)構(gòu)成)直接對(duì)直流高壓斬波獲得。這種方法的優(yōu)點(diǎn)是能夠得到具有高速前后沿的高質(zhì)量的矩形波高壓脈沖。但它要求多個(gè)串聯(lián)半導(dǎo)體開(kāi)關(guān)器件的參數(shù)基本一致，并且要采取嚴(yán)格的同步驅(qū)動(dòng)措施、均壓措施以及低電感化的同軸結(jié)構(gòu)形式，這在一般實(shí)驗(yàn)技術(shù)條件下很難做到，造價(jià)也較高。

以下擬采用的高壓脈沖形成電路是由多個(gè)脈沖分量形成的電路串聯(lián)構(gòu)成，脈沖的頻率和占空比直接在高壓側(cè)調(diào)節(jié)。高壓脈沖是由脈沖分量形成電路的輸出脈沖串聯(lián)形成，每個(gè)脈沖分量形成電路均由橋式整流單元、儲(chǔ)能電容器、IGBT開(kāi)關(guān)器件和旁路二極管等形成的閉合電路組成。其特點(diǎn)是：每個(gè)IGBT開(kāi)關(guān)時(shí)間的差異不會(huì)增加IGBT承受的電壓，即IGBT不會(huì)因它們之間參數(shù)和驅(qū)動(dòng)條件的差異而損壞。因此這種產(chǎn)生高壓脈沖的方法特別適用在一般實(shí)驗(yàn)條件下實(shí)現(xiàn)。為了使高壓脈沖形成電路可靠工作和輸出高質(zhì)量的高壓脈沖，必須解決驅(qū)動(dòng)電路的高壓隔離和同步驅(qū)動(dòng)技術(shù)問(wèn)題。實(shí)際上影響IGBT推廣使用的主要問(wèn)題之一就是IGBT驅(qū)動(dòng)電路的合理選擇和正確設(shè)計(jì)。

光電耦合驅(qū)動(dòng)器的最大特點(diǎn)是雙側(cè)都是有源的，由它提供的正向脈沖及負(fù)向封鎖脈沖的寬度可以不受限制，而且可以較容易地通過(guò)檢測(cè)IGBT通態(tài)集電極電壓實(shí)現(xiàn)各種情況下的過(guò)流及短路保護(hù)，并對(duì)外送出過(guò)流信號(hào)。目前國(guó)內(nèi)外都趨向把其做成厚膜電路的形式，具有使用方便，一致性及穩(wěn)定性較好的優(yōu)點(diǎn)。如具有集成保護(hù)功能的直接光控晶閘管(LTT)得到了廣泛應(yīng)用。這種晶閘管是為高壓直流輸電而開(kāi)發(fā)的。通過(guò)改進(jìn)門(mén)極結(jié)構(gòu)，光控晶閘管也可用于大功率脈沖電源上。由于采用了直接光觸發(fā)，LTT特別適用于串聯(lián)應(yīng)用。缺點(diǎn)是需較多的工作電源。一旦IGBT燒壞，驅(qū)動(dòng)器通常也隨之燒毀，從而增加了維修的復(fù)雜性及費(fèi)用。變壓器耦臺(tái)驅(qū)動(dòng)器的特點(diǎn)是不必專(zhuān)設(shè)工作電源，輸入輸出間耐壓可做得較高，電路結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，成本較低。缺點(diǎn)是不能自動(dòng)實(shí)現(xiàn)過(guò)流保護(hù)，不能實(shí)現(xiàn)任意脈寬輸出，對(duì)變壓器的繞制要求嚴(yán)格，必須盡可能改善初、次級(jí)的耦合，否則效果不好。