基于感應(yīng)疊加原理的充電電源初步研究

馬 勛 ， 李洪濤

（1.中國工程物理研究院 流體物理研究所，四川 綿陽 621900；2.中國工程物理研究院 脈沖功率科學(xué)與技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，四川 綿陽 621900）

基于感應(yīng)疊加原理的充電電源初步研究

馬 勛1，2， 李洪濤1，2

（1.中國工程物理研究院 流體物理研究所，四川 綿陽 621900；2.中國工程物理研究院 脈沖功率科學(xué)與技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，四川 綿陽 621900）

高功率轉(zhuǎn)換開關(guān)是限制大功率高壓脈沖調(diào)制器重復(fù)運(yùn)行頻率的關(guān)鍵因素。為避免高功率轉(zhuǎn)換開關(guān)的使用，開展了基于感應(yīng)疊加原理的高壓充電電源初步研究。建立了構(gòu)成感應(yīng)疊加充電電源基本單元的脈沖變壓器調(diào)制電路的數(shù)學(xué)模型，確立了變壓器磁芯截面的設(shè)計(jì)原則，以IGBT作為調(diào)制器的轉(zhuǎn)換開關(guān)，開展了2級感應(yīng)疊加充電電源的初步實(shí)驗(yàn)研究。實(shí)驗(yàn)表明與單元脈沖變壓器輸出電壓相比，升壓系數(shù)接近2，波形沒有發(fā)生畸變。

高壓電源；感應(yīng)疊加技術(shù)；脈沖變壓器；IGBT

在脈沖功率技術(shù)領(lǐng)域，獲得高壓脈沖的常見方法是Marx發(fā)生器和脈沖變壓器。前者的基本原理是大量電容器以并聯(lián)方式充電，以串聯(lián)方式放電，所需器件數(shù)量較多，維護(hù)困難[1-2]；后者以磁場能的方式將初級儲能電容的靜電能傳遞給負(fù)載，并實(shí)現(xiàn)升壓，具有結(jié)構(gòu)緊湊，可與高壓單元電氣隔離的優(yōu)點(diǎn)[3]。

基于脈沖變壓器的升壓脈沖調(diào)制電路的關(guān)鍵部件之一是大電流轉(zhuǎn)換開關(guān)，大電流開關(guān)的低重復(fù)運(yùn)行頻率限制了充電電源的重復(fù)運(yùn)行頻率[4-5]。本文基于感應(yīng)疊加原理，以高重頻半導(dǎo)體功率器件替代大電流開關(guān)，以功率合成的方式實(shí)現(xiàn)高壓重頻充電電源。

1 基本理論

基于感應(yīng)疊加原理，由IGBT和脈沖變壓器為基本組件的高壓充電電源原理如圖1所示。

圖1 感應(yīng)疊加原理電路Fig.1 Scheme based on inductive adding technology

借鑒了感應(yīng)加速器的原理，采用多個(gè)功率單元組合，每個(gè)單元采用1～2只IGBT開關(guān)驅(qū)動(dòng)一個(gè)脈沖變壓器，脈沖變壓器的初級可以是1匝，也可以是多匝，每個(gè)單元的次級產(chǎn)生升壓高壓脈沖。輸出電壓是所有次級單元電壓的疊加，輸出電流與每個(gè)單元的初級電流相同。由于脈沖變壓器的隔離作用，每個(gè)單元IGBT的發(fā)射極共地，絕緣設(shè)計(jì)容易。該電路實(shí)現(xiàn)高重頻運(yùn)行的關(guān)鍵是以多個(gè)IGBT組件代替單個(gè)的大電流開關(guān)，如氫閘流管，氣體火花開關(guān)等。

脈沖變壓器是系統(tǒng)的關(guān)鍵單元。為了分析簡便，不考慮脈沖變壓器的磁芯損耗及線損，只考慮無損電路，電路原理如圖2所示。

圖2 無損電路分析Fig.2 Circuit of the transformer operation

C1是初級儲能電容，充電至 V0，C2是負(fù)載電容，L1，L2，M，k分別表示空芯變壓器的初、次級電感、互感、耦合系數(shù)，有[6]：

t

在滿足初、次級調(diào)諧，即ω1=ω2時(shí)，可以獲得最大的能量轉(zhuǎn)換效率，脈沖變壓器次級輸出電壓和初級電流波形如圖3。可見，當(dāng)次級電壓達(dá)到峰值時(shí)初級回路電流為0，理論上此時(shí)能量轉(zhuǎn)換效率為100%，且IGBT關(guān)斷電流為0，可有效減少由于IGBT引線電感引起的感應(yīng)尖峰電壓，避免IGBT損壞。波形沒有發(fā)生振蕩是因?yàn)榉抡鏁r(shí)在次級引入了硅堆。

圖3 脈沖變壓器輸出電壓和初級回路電流模擬Fig.3 Output voltage and primary loop’s current of pulse transformer

磁芯是脈沖變壓器的主要組成單元。磁芯的截面積為：

其中V為加載在磁芯上的電壓；t為加載時(shí)間；ΔB是一次勵(lì)磁過程磁感應(yīng)強(qiáng)度B的改變量。磁環(huán)尺寸由功率指標(biāo)、高壓絕緣設(shè)計(jì)等因素確定。要求磁環(huán)的飽和磁感應(yīng)強(qiáng)度Bs和磁導(dǎo)率μ值高、溫度及頻率特性好，適合脈沖工作。Bs大小直接決定磁環(huán)尺寸，是一重要指標(biāo)。傳統(tǒng)脈沖變壓器多采用薄硅鋼片、鐵氧體磁芯等，前者損耗大，不適合產(chǎn)生快速脈沖；后者工作磁感應(yīng)強(qiáng)度低、居里點(diǎn)低、體積大。新磁性材料的出現(xiàn)給脈沖變壓器設(shè)計(jì)提供了新的選擇，如非晶合金、納米晶等。

其他關(guān)鍵技術(shù)包括大功率IGBT同步、保護(hù)和驅(qū)動(dòng)。每級充電電源的IGBT發(fā)射極接地，減少了對IGBT觸發(fā)電路的電磁干擾，也避免了觸發(fā)電路的浮地設(shè)計(jì)，同時(shí)使得各級IGBT可以使用同一個(gè)觸發(fā)信號，避免因觸發(fā)信號的抖動(dòng)對開關(guān)同步性產(chǎn)生影響。為避免開關(guān)關(guān)斷時(shí)因電感效應(yīng)產(chǎn)生的尖峰電壓對IGBT造成損壞，在IGBT集電極和發(fā)射極間并聯(lián)60APU02快響應(yīng)二極管以及RCD緩沖網(wǎng)絡(luò)保護(hù)電路。

對河北省農(nóng)村文化消費(fèi)進(jìn)行分析，其消費(fèi)額相對較低，多數(shù)鄉(xiāng)鎮(zhèn)農(nóng)村文化消費(fèi)模式十分單一，基本上應(yīng)用在文化消費(fèi)上的是教育方面的開支。例如居民在文化娛樂享受方面開支不高。此外，農(nóng)村文化消費(fèi)的主要對象是電視、網(wǎng)絡(luò)等方面，書報(bào)方面的消費(fèi)少之甚少[1]。

為了使各級IGBT快速導(dǎo)通，并具有較低的抖動(dòng)，驅(qū)動(dòng)電路應(yīng)滿足條件[7]：1）動(dòng)態(tài)驅(qū)動(dòng)能力強(qiáng) ，能為IGBT柵極提供具有陡峭前后沿的驅(qū)動(dòng)脈沖；2）提供足夠大的瞬態(tài)功率和瞬時(shí)電流，使IGBT迅速建立柵控電場而導(dǎo)通；3）輸人輸出信號傳輸延遲小；4）足夠高的輸人輸出電氣隔離性能，使信號電路與柵極驅(qū)動(dòng)電路絕緣；5）具有靈敏的過電流保護(hù)信號。

驅(qū)動(dòng)IGBT的信號由2SD315A產(chǎn)生，2SD315A作為一種適用于中、大功率IGBT的驅(qū)動(dòng)器，輸出驅(qū)動(dòng)峰值電流達(dá)到15 A，具有雙極性控制電壓（±15 V）的柵極驅(qū)動(dòng)，至少100 kV/us的共模抑制比，電氣隔離特性突出，抗干擾能力強(qiáng)。其內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖4所示。

圖4 2SD315A的內(nèi)部結(jié)構(gòu)Fig.4 Inner configuration of 2SD315A

由2SD315A的內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖可以看出，其雙極性控制電壓使得任何規(guī)格的IGBT模塊都能可靠地運(yùn)行，驅(qū)動(dòng)器中使用脈沖變壓器，提供了最小的延遲時(shí)間、無老化效應(yīng)、最高的使用壽命和能夠獲得所希望的隔離電壓。通過驅(qū)動(dòng)器回路的延遲時(shí)間大約為300～350 ns，正負(fù)邊緣對稱延遲，確保多路驅(qū)動(dòng)無偏移運(yùn)行。

2 實(shí)驗(yàn)與討論

開展了2級感應(yīng)疊加脈沖充電電源的初步實(shí)驗(yàn)。設(shè)計(jì)的脈沖變壓器初級為3匝，次級80匝，采用25 kV耐壓的高壓導(dǎo)線繞組而成。脈沖變壓器以非晶材料（1K101）為磁芯，截面積約6 cm×10 cm，以聚四氟乙烯薄膜作為磁芯絕緣層。使用IGBT作為轉(zhuǎn)換開關(guān)。IGBT實(shí)驗(yàn)電路如圖5所示。

圖5 感應(yīng)疊加電源實(shí)驗(yàn)電路Fig.5 Experimental circuit based on inductive adding technology

圖中，C0為初級儲能電容，100 μF；C1，C2為變壓器中儲電容，6 μF；CL為負(fù)載電容，100 nF。C0通過充電電感 L 對 C1，C2進(jìn)行串聯(lián)諧振充電，充電的同時(shí)對脈沖變壓器磁芯復(fù)位，因此該電路不需要額外的磁芯復(fù)位電路。

脈沖變壓器調(diào)制電路單元實(shí)驗(yàn)，在100 nF負(fù)載上獲得的輸出脈沖和變壓器初級繞組電流如圖6所示。

圖6 脈沖變壓器單元實(shí)驗(yàn)波形Fig.6 Experimental waveform of single transformer

初級電容電壓為200 V，充電時(shí)間約 12 μs，脈沖變壓器單元實(shí)驗(yàn)輸出電壓為7.3 kV，初級電流峰值為130 A。當(dāng)達(dá)到峰值電壓時(shí)，變壓器初級回路電流并不為0，說明脈沖變壓器并沒有工作在可以獲得最大能量轉(zhuǎn)換效率的調(diào)諧狀態(tài)，需要在初級或次級回路增加調(diào)諧電感。在約17 μs時(shí)IGBT關(guān)斷，接近20 μs時(shí)CL對負(fù)載放電。

對脈沖變壓器單元和感應(yīng)疊加后獲得的充電電壓波形如圖7所示。

可見感應(yīng)疊加充電電源輸出峰值15.0 kV，電壓升壓系數(shù)1.94，且波形與單元實(shí)驗(yàn)相比沒有發(fā)生畸變。

3 結(jié) 論

圖7 脈沖變壓器單元和感應(yīng)疊加電路輸出電壓對比Fig.7 Output voltage of single and double pulse transformers

以半導(dǎo)體開關(guān)替代傳統(tǒng)的氣體、液體開關(guān)，發(fā)展全固態(tài)脈沖源是脈沖功率技術(shù)的重要發(fā)展方向。采用半導(dǎo)體開關(guān)的高壓電源具有使用壽命長，重復(fù)頻率高，運(yùn)行穩(wěn)定，容易控制，維護(hù)簡單等優(yōu)點(diǎn)，但單只器件的功率容量有限。利用感應(yīng)疊加原理升壓，使多個(gè)開關(guān)同步閉合，實(shí)現(xiàn)各單元的功率合成是實(shí)現(xiàn)重頻高壓源的可行技術(shù)途徑。各個(gè)脈沖變壓器調(diào)制電路的轉(zhuǎn)換開關(guān)采用共地設(shè)計(jì)，可使用同一觸發(fā)驅(qū)動(dòng)脈沖，有效降低開關(guān)抖動(dòng)，實(shí)現(xiàn)高的升壓系數(shù)。

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Development of power supply based on inductive adding technique

MA Xun1，2， LI Hong-tao1，2
（1.Institute of Fluid Physics， CAEP， Mianyang 621900， China；2.Pulsed Power Key Laboratory， CAEP， Mianyang 621900， China）

Switches capable of conducting high current and holding off high voltage were most key factor which affects repetitive rate of pulsed power supply.To avoid utilizing high power gaps，it is necessary to study inductive adding technology.Established the math model of pulse transformers which are basic cells of inductive adder，explored the means of designing magnetic core’s cross area， and selected IGBT as switches of transformer primary loops.Experimental results show the adder coefficient is close to 2，the diversity of output waveform is insignificant compared to single transformer circuit.

high power supply； inductive adding technology； pulse transformer； IGBT

TM836

A

1674－6236（2013）04-0116-03

2012-10-23稿件編號201210148

國家自然科學(xué)基金資助課題（50837004）；國家自然科學(xué)基金青年基金項(xiàng)目（51207147，51007085）；中國工程物理研究院科學(xué)發(fā)展基金項(xiàng)目（2012B0402054，2011B0402010）；中國工程物理研究院流體物理研究所發(fā)展基金（SFZ20110202）

馬 勛（1981—），男，四川金堂人，博士研究生，工程師。研究方向：脈沖功率技術(shù)。