基于恒壓電源的設計

王凱

摘 要：目前我國正處于電子和電信技術系統飛速發展的時代，各種電子設備都會用到各種各樣的電源。恒流電源是各類電子設備和電子線路的重要組成部分。文中采用固態電器--IGBT來獲取高壓脈沖波形。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。

關鍵詞：恒壓；電源；設計；

文章編號：1674-3520（2015）-08-00-01

一、電源的拓撲結構

電容充放電式是通過長時充電、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。它可以輸出的脈沖功率和電壓等級較高，脈沖上升沿較陡；只是輸出脈沖的精度難以控制，而且重復頻率低。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特點，因而適用范圍較廣。

圖1 高壓脈沖電源系統結構框圖

二、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中LCC串并聯諧振變換器是核心部分，工作原理是：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。

圖2主電路圖

LCC諧振變換器有3種工作方式：① 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；② fs<0.5fr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； ③fs>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：

三、電源的控制

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；系統的控制由TMS320F2812 DSP芯片和IGBT驅動器來實現，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等.TMS320F2812開發板內部集成16路12位A/D轉換器、一個高性能CPLD器件XC95144XL、兩個事件管理器模塊，可實現過壓、過流保護在內的電源系統運行，提高輸出電壓的精度和穩定度。

四、過流保護

當負載電流超過設定值或發生短路時，需對電源本身提供保護，系統的過流保護在系統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，系統復位重新啟動。

五、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的引腳，使系統重新啟動，實現過壓保護的目的，以達到保護負載的安全。

六、仿真電路分析

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=300 V，開關頻率fs=25 kHz，脈寬tw=10μs，Lr=50 μH，Cs=0.2μF，諧振頻率kHz，即滿足fs<1/2fr，LCC串并聯諧振變換器工作在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。

圖5 仿真波形圖

七、總結

本文分析了電源的各個組成部分及功能，設計了一種基于IGBT的高壓脈沖電源，并由DSP產生控制IGBT的觸發信號，過流保護、實現過壓，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，能更好的實現裝置的急速充電和更小模塊化。

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