一種基于IGBT為核心器件的大功率高頻高壓直流電源技術

何峰

摘 要 目前，用于大功率電子槍供電的電源基本采用可控硅調壓，工頻變壓器升壓后并整流輸出的方式，該類電源有著柜體笨重、制造成本高、輸出電壓紋波大、電能轉換效率低、動態性能差等多項缺點和不足。本文介紹了一種基于IGBT為功率器件的大功率高頻高壓直流電源技術，其具有體積小、重量輕、控制精度高、穩定性好、紋波系數低、檢測響應與保護速度快等優點。

關鍵詞 IGBT；核心器件；大功率；電源技術

中圖分類號 TM7 文獻標識碼 A 文章編號 2095-6363（2017）16-0087-03

電子束冷床熔煉爐（簡稱EB爐）是一種利用大功率電子束轟擊金屬材料產生高溫而達到冶煉目的特殊真空冶金設備，其中的電子槍和高壓直流電源是其最核心的組成部分。電子槍的高壓直流電源形成電子束加速電源，并在陰極提供源源不斷用以加速的電子形成高速電子束。

目前，用于電子槍供電的電源均是采用可控硅調壓后，工頻變壓器升壓后整流輸出的方式，該電源有著體積笨重、成本高、輸出電壓紋波大、轉換效率低、動態性能差等多項缺點和不足。隨著IGBT功率器件運用技術的日益成熟，高頻開關電源替代傳統的工頻硅整流電源已經成為電源設計的一種發展趨勢。針對現有技術中的傳統可控硅式高壓線性直流電源所存在的不足之處，可以采用IGBT作為核心功率器件研發一種全新的大功率高頻高壓大功率直流電源。

該電子槍高頻高壓直流電源主回路采用IGBT全橋逆變及多模塊串聯均壓技術，提高電源的控制響應速度，實現電源的高電壓、大功率輸出；通過對高壓升壓變壓器的寄生參數進行諧振，降低高壓升壓變壓器的制作難度、實現開關管的軟開關，使電源的轉換效率高達95%；利用錯相的控制方法，減少輸出大電容、電感的濾波，使電源的輸出紋波低于1%，有效解決轉換效率低、輸出紋波高、輸出穩定性低等技術問題。

1 技術原理概述

大功率高頻高壓直流電源主要由前級EMI濾波、整流后經四路諧振變換器、高頻升壓變壓器升壓、整流后串聯輸出高壓直流。系統的工作方式為連續工作，其工作原理為：電網的3AC380V交流電經EMI濾波器和三相交流電抗器，可以有效濾除電網側的高次諧波對高壓直流電源的干擾，同時也能阻止高壓電源高頻開關斬波產生的高次諧波干擾同電網下的其他用電設備。整流回路將三相交流電整流輸出300Hz的脈動直流，整流后接四路改進型諧振變換器，每路諧振變換器都配有LC濾波、IGBT全橋逆變器、串聯諧振回路。四路串聯諧振變換器受主控制板統一控制其PWM的觸發相位，多路PWM波錯相觸發技術的應用有效的降低高壓直流電源的輸出紋波。四路諧振變換器后接高頻升壓變壓器升壓，低漏感、大功率、高隔離電壓的高頻升壓變壓器升壓后接整流回路。高頻高壓大功率直流電源系統如圖1所示。

反饋處理、主控制板和模塊控制板組成系統控制回路，反饋處理隔離采集高壓輸出的電壓、電流信號并輸出模擬信號到主控制板，為主控制板的閉環控制提供實時數據。主控制板通過光纖通信和模塊控制板交換信號，統一控制模塊控制板的工作狀態；主控制板發出的錯相PWM波采用光纖方式傳送，可靠性大大提高。

1.1 模塊主回路拓撲

從上述整機方案可知，各模塊共用直流母線，經獨立的LC濾波，降低300Hz紋波提高輸出電壓穩定度，降低輸出電壓紋波為IGBT逆變橋提供穩定的直流電源。為適應電子槍電源的要求，采用IGBT高頻逆變技術具有工作頻率高，可以快速的調節輸出，響應快的優點。

如圖2所示，輸入直流經整流、濾波后，得到平滑直流電，經IGBT轉換為高頻交流，經高壓變壓器隔離后，由高壓整流二極管整流，再濾波可得到高壓輸出。根據輸出功率的不同，調節IGBT導通/關斷時間比，即可穩定輸出電壓。

模塊由直流熔斷器、直流電抗器、濾波電容、IGBT、變壓器、高壓整流二極管、高壓濾波電容等組成。每個模塊獨立供電，當任意模塊出現故障時，有交流熔斷器進行隔離保護，可將故障點限制在單個模塊內，確保系統安全。

1.2 模塊主回路軟開關原理

由于單模塊電源輸出功率大、輸出電壓高、電流大，若采用傳統的變換器，開關管工作在硬開關狀態，存在開關損耗，即開關時有開通損耗和關斷損耗。如圖3所示，開關電源的開關管開通過程中，開關管兩端電壓下降與流過其上電流存在一疊加區域，他們的交叉面積就是能量損耗，由此產生了開通損耗；同理，在開關管兩端電壓和電流也存在一交疊過程，使開關管同樣存在關斷損耗。

由于開關損耗在每次開關過程中均存在，隨著電源工作頻率提高，總的開關損耗就越大，電源的效率就越低。而且由于開關過程中電壓的變化率du/dt和電流的變化率di/dt很大，會產生很大的開關噪聲，而產生電磁干擾，使系統正常運行受到影響。在硬開關工作狀態下，受高頻高壓升壓變壓器的漏感、分布電容對變換器工作的影響非常大，甚至使電源不能工作，因此硬開關不適合高壓直流電源的需求。

軟開關技術可以減小開關變換器中的開關器件在開通和關斷過程中的開關損耗，提高變換器的效率，減小EMI電磁干擾，減小開關器件散熱裝置的體積和重量，提高變換器的工作可靠性，減小變壓器寄生參數對系統的影響。為此，在變換器中采用了軟開關技術，利用高壓變壓器的寄生參數進行諧振，實現了電源的高電壓大功率輸出和開關管的軟開關，提高系統的效率和運行可靠性，軟開關控制脈沖和電流電壓波形見圖4。

在一個PWM周期內Q1、Q2、Q3、Q4的開關損耗如表1所示：

從表1可以看到出，在一個PWM周期內Q1、Q2、Q3、Q4的4次開通和4次關斷過程中只有2次關斷為硬關斷，其他都是軟關斷或軟開通，和普通的開關電源拓撲相比極大的減少開關損耗，提高整機轉換

效率。

2 技術指標對比及特點

2.1 諧波endprint

高壓直流線性電源方案中為了穩定輸出電壓，工頻升壓變壓器在設計時通常留有較大余量，可控硅在調節輸出時的強制關斷使電壓、電流諧波高達70%；而高壓直流電源方案采用IGBT作為核心功率器件，前級的二極管整流在其輸入電壓的過零點自然關斷和導通，減少電網電壓、電流波形的畸變。

2.2 率因數、轉換效率

高壓直流線性電源為了穩定輸出電壓，工頻升壓變壓器在設計時通常留有較大余量，可控硅在調節輸出時的強制關斷，使得每個工頻周期都有一部分電能未能做功，對電網的利用率很低，功率因數甚致低于0.7，轉換效率低于70%；而高壓直流電源方案采用IGBT作為核心功率器件，每個周期對電網的利用率幾乎達到了100%，轉換效率高達93%。

2.3 輸出電壓紋波

高壓直流線性電源中變壓器升壓后工頻整流的300Hz紋波需要很大的濾波電感、電容才能有效抑制，而高耐壓的濾波電感、電容制作困難、體積龐大，這些因數使得最終的輸出電壓紋波高達8%以上；而高壓直流電源所采用諧振變換器的開關頻率達到11kHz，通過在前端電感電容對300HZ進行濾波后，采用先進的PWM錯相觸發移，升壓后整流輸出的紋波頻率達到88kHz，可以用很小的濾波電感、電容就達到很好的濾波效果，這些措施使得最終的輸出電壓紋波優

于1%。

2.4 打火響應能力

高壓直流線性電源采用的可控硅調壓方式，其開關頻率低，一個工頻周期內只開通關斷一次，當出現打火時，不能立即關斷，要到該周期的自然過零點時才能關斷，持續的能量輸出容易使設備及電源本身損壞；而高壓直流電源采用的諧振變換器方式，其開關頻率高達11kHz，當出現打火時，原邊的逆變回路可在2us內將IGBT關斷，電源系統可在55us內控制打火電流和輸出功率，將電源本身和用電設備的損壞可能降到

最低。

3 大功率高頻高壓電源的特點

1）大功率高電壓。具有大功率、高壓大電流的特點，電源功率可達450kW，高壓大電流可達15A以上。2）高效節能。采用ZVZCS技術，大大降低開關管損耗，延長開關管使用壽命，整機轉換效率高達95%以上。3）高性價比。采用高頻逆變技術，提高系統響應調節速度和輸出穩定性。極大地減少了升壓變壓器的成本和體積，節省高壓電源成本10%～15%，減少電源系統的占地面積30%～40%。4）響應速度快。專門研發輸出電壓、電流的快速采集技術，為打火狀態的判定提供可靠的實時數據。高性能DSP的使用使打火保護功能可在55us內快速響應，打火保護后電源的重啟最短可在1ms（1～999ms可設）內完成。5）穩定精度高。高性能DSP控制和優秀的控制算法，采用隔離采樣，確保系統穩定運行，穩定精度高達0.5%。6）低紋波系數。先進的PWM錯相觸發技術能有效控制輸出電壓紋波，輸出紋波優于1%。

4 與國內外同類技術比較

經過在國內多方合作研制和樣機測試，與國內、外同類高壓直流電源產品主要新能指標對比見

表2。

與國內外廠家的電源對比，本大功率高頻高壓直流電源全面超過了國內傳統技術的可控硅式高壓直流電源，并與國外高壓直流電源的關鍵性技術指標持平，其中輸出紋波還優于國外

產品。

本技術無論從節能降耗，還是從國產化研發技術創新思路出發，都具有一定的技術優勢，由于技術保密需要，本文也只是做了一些粗略的介紹和探討，還有更深層次的技術還需在實踐中進一步地完善和

提升。

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