基于IGBT的固態高壓脈沖電源的研究與設計

羅廷芳，孟志強

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

基于IGBT的固態高壓脈沖電源的研究與設計

羅廷芳1，孟志強2

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

由于脈沖電源有斷續供電的特性，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的觸發和實現軟開關技術，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。

高壓脈沖電源；IGBT；LCC；全橋逆變；DSP

由于脈沖電源有斷續供電的特性，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、平頂的電壓波形。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，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。文中給出了系統結構、系統各個部分功能說明，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[1]。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，電源系統結構框圖如圖1所示。兩級式有脈沖穩定、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。

圖1 高壓脈沖電源系統結構框圖Fig.1 Structure diagram of the high voltage pulse power supply system

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：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、串聯諧振電容Cs、并聯諧振電容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為正弦波、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[2]。

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：1）fs<0.5 fr的電流斷續模式（DCM），開關管工作在零電流/零電壓關斷、零電流開通狀態，反并聯二極管自然開通、自然關斷；2）fr>fs>0.5fr的電流連續模式（CCM），開關管為零電流/零電壓關斷、硬開通，反并聯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仍然為電流連續模式（CCM），與 2）的區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：

在此設計中，選用合理的逆變設計參數，使LCC串并聯諧振變換器工作在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雙極性脈沖輸出[4]，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

整個系統的控制由TMS320F2812 DSP芯片和IGBT驅動器來實現，主要通過恒定導通時間-恒頻控制的方法實現LCC串并聯諧振充電電路的軟開關，減少開關損耗，調節輸出電壓；及利用變頻變寬的控制方法實現后級脈沖形成電路的輸出脈沖控制和IGBT同步觸發等。

TMS320F2812開發板，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，可實現過壓、過流保護在內的電源系統運行全數字控制，提高輸出電壓的精度和穩定度。且采用軟件編程實現控制算法，使得系統升級、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 論

本文設計了一種基于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產生控制IGBT的觸發信號，實現過壓、過流保護，實現電源的數字化控制，可精確控制輸出脈沖電壓、輸出脈沖寬度、頻率和輸出脈沖數等，且利用LCC串并聯諧振充電電路作為對中間儲能電容充電的結構，有利于實現裝置的快速充電和小型化。

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

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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：電力電子技術和自動控制。