基于IGBT的固態(tài)高壓脈沖電源的研究與設計

基于IGBT的固態(tài)高壓脈沖電源的研究與設計摘要：由于脈沖電源有斷續(xù)供電的特性，在很多領域都獲得了廣泛的應用，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)軟開關技術，并用仿真軟件PSIM對高壓脈沖電源進行仿真分析，驗證了設計思想的正確性。關鍵詞：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，在很多領域都獲得了廣泛的應用。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、雙極性、平頂?shù)碾妷翰ㄐ?。無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或者旋轉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，其重復頻率難以調節(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，利用IGBT構成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)結構、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)結構1.1高壓脈沖電源的拓撲結構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，而且重復頻率低，因而應用范圍比較有限，主要應用在核電磁物理研究、煙氣除塵、污水處理、液體殺菌等場合。兩級式結構為高壓直流開關電源級加上脈沖形成級的結構。文中采用這種兩級式拓撲結構，電源系統(tǒng)結構框圖如圖1所示。兩級式有脈沖穩(wěn)定、可控性好、精度高、重復頻率變化范圍大等特點，因而適用范圍較廣，通用性較好。盤斷交魂嘛人L伏串并眺〔一課案費接期一生雅旅導月工瓊尊堂莊露犀邊電壓.電調檢測盤斷交魂嘛人L伏串并眺〔一課案費接期一生雅旅導月工瓊尊堂莊露犀邊電壓.電調檢測圖1矗壓昧沖電源系統(tǒng)結構柩圖1.2電源主電路結構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成。電路工作過程：220V交流通過整流濾波后得到低壓直流輸出，通過LCC串并聯(lián)諧振逆變經高頻升壓后向儲能電容C充電，經過IGBT全橋逆變拓撲結構實現(xiàn)雙極性脈沖輸出。ffii主電路原理圖圖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，使功率開關管的電流或電壓波形變?yōu)檎也?、準正弦波或局部正弦波，這樣能使功率開關管在零電壓或零電流條件下導通或關斷，減少開關管開通和關斷時的損耗，同時提高開關頻率，減小開關噪聲，降低EMI干擾和開關應力。分析LCC串并聯(lián)諧振充電電路時，假設：1)所有開關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)開關器件工作在全軟開關狀態(tài)。根據開關頻率fs與基本諧振頻率fr的關系，LCC諧振變換器有3種工作方式:i)fs<0.5任的電流斷續(xù)模式(DCM)，開關管工作在零電流/零電壓關斷、零電流開通狀態(tài)，反并聯(lián)二極管自然開通、自然關斷；2)fr>fs>0.5fr的電流連續(xù)模式(CCM)，開關管為零電流/零電壓關斷、硬開通，反并聯(lián)二極管自然開通但關斷時二極管有反向恢復電流，電路開關損耗較大；3)fs>fr仍然為電流連續(xù)模式(CCM)，與2)的區(qū)別是開關管為零電流/零電壓開通、硬關斷，電路開關損耗同樣較大。諧振頻率為：f產1/(2宣VIE) (I)其中Lr為諧振電感，f-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。在此設計中，選用合理的逆變設計參數(shù)，使LCC串并聯(lián)諧振變換器工作在DCM模式下，結合軟開關技術，使開關損耗達到最小。1.3高壓脈沖形成電路高壓脈沖的形成是利用IGBT構成的全橋拓撲結構對前級產生的高電壓進行開關控制從而實現(xiàn)雙極性脈沖輸出，如圖2所示。開關Q5、Q7與開關Q6、Q8分別在正負半周期交替導通，得到雙極性的脈沖輸出。改變兩組開關的切換頻率，即可改變輸出雙極性脈沖的頻率，控制開關管的導通時間即可調節(jié)輸出脈沖的占空比，得到脈寬與頻率均可調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TMS320F2812DSP芯片和IGBT驅動器來實現(xiàn)，主要通過恒定導通時間-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，減少開關損耗，調節(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，內部集成了16路12位A/D轉換器、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)過壓保護通過高頻降壓互感器檢測脈沖升壓變壓器原邊電壓得到電壓信號Ui,將Ui作為過壓保護電路的輸入電壓，將過壓保護電路的輸出信號接到DSPF2812的而訕不弓|腳，這樣迫使系統(tǒng)重新啟動，實現(xiàn)過壓保護的目的，以達到保護負載的安全。2)過流保護當負載電流超過設定值或發(fā)生短路時，需對電源本身提供保護，系統(tǒng)的過流保護在系統(tǒng)的安全性方面占有重要的地位。過流保護電路與過壓保護電路相似，如圖4所示。將轉換的電壓信號輸入到F2812的啟動保護程序，故障鎖存器置位，系統(tǒng)復位重新啟動。圉4過旗掰密甩摩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=300V,開關頻率fs=25kHz,脈寬=10,Lr=50HCs=0.2,諧振頻率.《盯?:2％工廠i55kHz,即滿足fs<i/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。鐘機幾?匕或電ClhHitatiU'EpdQ.理鐘機幾?匕或電ClhHitatiU'EpdQ.理qf,rr。&Jtdirahwvto：mi住書且看才噌?猶得tL?1J?Ehfin，K酒*L*i*3缸忖KHW...sSiJPfFliW3結