基于IGBT的固態(tài)高壓脈沖電源的研究與設(shè)計

羅廷芳，孟志強

（1.西南林業(yè)大學(xué) 機械與交通學(xué)院，云南 昆明 650224；2.湖南大學(xué) 電氣與信息工程學(xué)院，湖南 長沙 410082）

基于IGBT的固態(tài)高壓脈沖電源的研究與設(shè)計

羅廷芳1，孟志強2

（1.西南林業(yè)大學(xué) 機械與交通學(xué)院，云南 昆明 650224；2.湖南大學(xué) 電氣與信息工程學(xué)院，湖南 長沙 410082）

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)和實現(xiàn)軟開關(guān)技術(shù)，并用仿真軟件PSIM對高壓脈沖電源進行仿真分析，驗證了設(shè)計思想的正確性。

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巍o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，然后采用磁壓縮開關(guān)或者旋轉(zhuǎn)火花隙來獲取高壓脈沖，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來獲取高壓脈沖波形。將IGBT作為獲取高壓脈沖的電子開關(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)各個部分功能說明，通過仿真電力電子仿真軟件PSIM對LCC充電過程和脈沖形成電路進行仿真分析。

1 高壓脈沖電源系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

1.1 高壓脈沖電源的拓撲結(jié)構(gòu)

高壓脈沖電源常用的主電路拓撲可以歸納為兩類：電容充放電式和高壓直流開關(guān)電源加脈沖生成的兩級式兩種。電容充放電式是通過長時間充電、瞬間放電，即通過控制充放電的時間比例，達到能量壓縮、輸出高壓大功率脈沖的目的。優(yōu)點是可以輸出的脈沖功率和電壓等級較高，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、液體殺菌等場合[1]。兩級式結(jié)構(gòu)為高壓直流開關(guān)電源級加上脈沖形成級的結(jié)構(gòu)。文中采用這種兩級式拓撲結(jié)構(gòu)，電源系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。兩級式有脈沖穩(wěn)定、可控性好、精度高、重復(fù)頻率變化范圍大等特點，因而適用范圍較廣，通用性較好。

圖1 高壓脈沖電源系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖Fig.1 Structure diagram of the high voltage pulse power supply system

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。電路工作過程：220 V交流通過整流濾波后得到低壓直流輸出，通過LCC串并聯(lián)諧振逆變經(jīng)高頻升壓后向儲能電容C充電，經(jīng)過IGBT全橋逆變拓撲結(jié)構(gòu)實現(xiàn)雙極性脈沖輸出。

圖2 主電路原理圖Fig.2 Schematic diagram of the main circuit

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個功率開關(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，使功率開關(guān)管的電流或電壓波形變?yōu)檎也ā收也ɑ蚓植空也ǎ@樣能使功率開關(guān)管在零電壓或零電流條件下導(dǎo)通或關(guān)斷，減少開關(guān)管開通和關(guān)斷時的損耗，同時提高開關(guān)頻率，減小開關(guān)噪聲，降低EMI干擾和開關(guān)應(yīng)力。

分析LCC串并聯(lián)諧振充電電路時，假設(shè)：1）所有開關(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）開關(guān)器件工作在全軟開關(guān)狀態(tài)[2]。

根據(jù)開關(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<0.5 fr的電流斷續(xù)模式（DCM），開關(guān)管工作在零電流/零電壓關(guān)斷、零電流開通狀態(tài)，反并聯(lián)二極管自然開通、自然關(guān)斷；2）fr>fs>0.5fr的電流連續(xù)模式（CCM），開關(guān)管為零電流/零電壓關(guān)斷、硬開通，反并聯(lián)二極管自然開通但關(guān)斷時二極管有反向恢復(fù)電流，電路開關(guān)損耗較大；3）fs>fr仍然為電流連續(xù)模式（CCM），與 2）的區(qū)別是開關(guān)管為零電流/零電壓開通、硬關(guān)斷，電路開關(guān)損耗同樣較大。諧振頻率為：

在此設(shè)計中，選用合理的逆變設(shè)計參數(shù)，使LCC串并聯(lián)諧振變換器工作在DCM模式下，結(jié)合軟開關(guān)技術(shù)，使開關(guān)損耗達到最小。

1.3 高壓脈沖形成電路

高壓脈沖的形成是利用IGBT構(gòu)成的全橋拓撲結(jié)構(gòu)對前級產(chǎn)生的高電壓進行開關(guān)控制從而實現(xiàn)雙極性脈沖輸出[4]，如圖2所示。

開關(guān) Q5、Q7與開關(guān)Q6、Q8分別在正負半周期交替導(dǎo)通，得到雙極性的脈沖輸出。改變兩組開關(guān)的切換頻率，即可改變輸出雙極性脈沖的頻率，控制開關(guān)管的導(dǎo)通時間即可調(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

整個系統(tǒng)的控制由TMS320F2812 DSP芯片和IGBT驅(qū)動器來實現(xiàn)，主要通過恒定導(dǎo)通時間-恒頻控制的方法實現(xiàn)LCC串并聯(lián)諧振充電電路的軟開關(guān)，減少開關(guān)損耗，調(diào)節(jié)輸出電壓；及利用變頻變寬的控制方法實現(xiàn)后級脈沖形成電路的輸出脈沖控制和IGBT同步觸發(fā)等。

TMS320F2812開發(fā)板，內(nèi)部集成了16路12位A/D轉(zhuǎn)換器、兩個事件管理器模塊、一個高性能CPLD器件XC95144XL，可實現(xiàn)過壓、過流保護在內(nèi)的電源系統(tǒng)運行全數(shù)字控制，提高輸出電壓的精度和穩(wěn)定度。且采用軟件編程實現(xiàn)控制算法，使得系統(tǒng)升級、修改更為靈活方便。

1）過壓保護

圖3 過壓保護電路Fig.3 Over-voltage protection circuit

2）過流保護

圖4 過流保護電路Fig.4 Over-current protection circuit

2 電路的仿真分析

3 結(jié) 論

本文設(shè)計了一種基于IGBT的高壓脈沖電源，分析了電源的各個組成部分及功能，并由DSP產(chǎn)生控制IGBT的觸發(fā)信號，實現(xiàn)過壓、過流保護，實現(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中間儲能電容充電的結(jié)構(gòu)，有利于實現(xiàn)裝置的快速充電和小型化。

圖5 仿真波形圖Fig.5 Diagram of simulation wave

[1]朱經(jīng)鵬，卓放，王兆安.高壓脈沖電源電路設(shè)計的關(guān)鍵問題與特點 [C]//中國電源協(xié)會全國電源技術(shù)年會 （第十七屆）論文集，2007：331-333.

[2]王曉明，侯召政，方輝，等.LCC諧振充電IGBT開關(guān)Marx發(fā)生器[J].電工技術(shù)學(xué)報，2007，22（7）：87-92.

WANG Xiao-ming，HOU Zhao-zheng，F(xiàn)ANG Hui，et al.LCC resonant converter charging marx generator using IGBT[J].Transactions of China Electrotechnical Society，2007，22（7）：87-92.

[3]Belaguli V，Ashoka K.S.B.Series-parallel resonant converter operating in discontinuous current mode-analysis， design，simulation，and experimental results[J].IEEE Transaction on Circuits and System，2000，47（4）:433-442.

[4]Wang C J，Zhang Q H，Streaker C.A 12 kV solid state high voltage pulse generator for a bench top PEF machine[J].Power Electronics and Motion Control Conference，2000，3（3）:1347-1352.

[5]王雪飛，范鵬.串并聯(lián)諧振高壓變換器的分析與設(shè)計[J].電力電子技術(shù)，2008，42（9）：55-57.

WANG Xue-fei，F(xiàn)AN Peng.Analysis and desigh of high voltage series-parallel resonant converter[J].Power Electronics，2008，42（9）：55-57.

[6]李勝利，向浩，李勁.實驗用ns級脈沖高壓電源的研制[J].高電壓技術(shù)，2000，26（1）：14-15.

LI Sheng-li，XIANG Hao，LI Jin.Development of HV pulse power supplier[J].High Voltage Engineering， 2000，26（1）：14-15.

[7]李秀貴，倪原.一種UWB雷達脈沖信號發(fā)生器的設(shè)計[J].電子科技，2011（11）：6-8.

LI Xiu-gui，NI Yuan.Design of an Ultra Wideband Radar pulse generator[J].Electronic Science and Technology，2011（11）：6-8.

[8]武麗帥，耿相銘，田甜.ADSL線路拓撲識別以及信道容量估計[J].現(xiàn)代電子技術(shù)，2010（10）：37-39.

WU Li-shuai，GENG Xiang-ming，TIAN Tian.ADSL topology identification and channel capacity estimation[J].Modern Electronic Technique，2010（10）：37-39.

Design of the solid state high voltage pulse power supply based on IGBT

LUO Ting-fang1，MENG Zhi-qiang2
（1.College of Mechanical and Transportation，the Southwest Forestry University，Kunming650224，China；2.College of Electrical and Information Engineering，Hunan University，Changsha410082，China）

Because of the intermittent characteristic of the high voltage pulse power supply， it has been used in many areas，and the high voltage pulse power supply is a core component of the system.In order to obtain a frequency-adjustable and steeprisetime high voltage pulse，this paper proposed a solid state high voltage pulsed power supply based on IGBT.It mainly composed of high voltage DC charging power supply and pulse forming circuit，by the DSP as the main control chip to control the IGBT trigger and achieve soft-switching.The simulation and experiment results indicate the correctness of the design idea.

high voltage pulse generator； IGBT； LCC； full bridge invert； DSP

TM89

A

1674－6236（2012）05-0113-03

2012-01-06稿件編號：201201019

羅廷芳（1985—），女，云南永勝人，碩士，助教。研究方向：電力電子技術(shù)和自動控制。