基于移相控制的全固態(tài)高壓脈沖電源設(shè)計(jì)

唐朝　趙龍章　龔嬡雯

摘 要： 針對傳統(tǒng)高壓脈沖的功率器件耐壓值有限，電壓等級難以提升，效率低的缺陷，提出了一種基于移相控制技術(shù)的全固態(tài)高壓脈沖電源。充電電源部分采用移相控制ZVS PWM全橋變換電路，減小開關(guān)損耗；高壓脈沖電路以全固態(tài)IGBT作為主開關(guān)器件，不僅能提升電壓等級，還能對脈沖寬度和頻率進(jìn)行調(diào)節(jié)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，輸出脈沖電壓最大值為10 kV，具有納秒級陡峭前沿，且頻率、脈寬均可調(diào)。

關(guān)鍵詞： 移相控制； 高壓脈沖電源； IGBT； 納秒級陡峭前沿； Marx發(fā)生器

中圖分類號： TN911?34 文獻(xiàn)標(biāo)識碼： A 文章編號： 1004?373X（2017）22?0172?04

Abstract： Since the traditional high?voltage pulse power device has the defects of limited withstand voltage value and low efficiency， and is difficult to improve voltage level， an all?solid?state high?voltage pulse power supply based on phase?shifting control technology is put forward. The phase?shifting control ZVS PWM full?bridge conversion circuit is used in the charging power supply to reduce the switching loss. The high?voltage pulse circuit taking all?solid?state IGBT as its main switching device can improve the voltage level， and adjust the pulse width and frequency. The experimental results show that the all?solid?state high?voltage pulse power supply has maximum output pulse voltage of 10 kV， possesses the nanosecond steep rise， and its frequency and pulse width can be adjusted.

Keywords： phase?shifting control； high?voltage pulse power supply； IGBT； nanosecond steep rise； Marx generator

0 引 言

脈沖功率技術(shù)是一種電物理技術(shù)，是將較長時(shí)間內(nèi)存儲起來的能量在極短的時(shí)間內(nèi)向負(fù)載輸出功率密度極高的能量，實(shí)現(xiàn)輸出功率對輸入功率的壓縮。目前，脈沖功率技術(shù)的應(yīng)用正逐漸發(fā)展到工業(yè)、民用科技領(lǐng)域，如環(huán)境保護(hù)中處理煙氣、生命科學(xué)領(lǐng)域中強(qiáng)脈沖電場對人體的影響等[1]。這些都對脈沖功率技術(shù)的發(fā)展作出了更高的要求，使得脈沖功率技術(shù)成為當(dāng)時(shí)最為活躍的研究領(lǐng)域之一[2]。

全固態(tài)高壓脈沖電源前級選用移相控制ZVS全橋變換電路作為其主電路拓?fù)洌c傳統(tǒng)的整流濾波相比，不僅能夠獲得可控電壓，降低開關(guān)損耗，還能使充電電壓穩(wěn)定，進(jìn)行快速充電，提高脈沖頻率。后級電路使用大功率半導(dǎo)體開關(guān)代替?zhèn)鹘y(tǒng)電路中的氣體開關(guān)，并用二極管取代充電電阻。采用串聯(lián)全固態(tài)Marx電路的方法，基于“并聯(lián)充電，串聯(lián)放電”的基本工作方式[3]，不使用任何脈沖變壓器也不需要很高的輸入電壓，通過脈沖高壓疊加獲得脈沖電壓輸出倍增。根據(jù)以上理論，本文設(shè)計(jì)了一種10 kV高壓脈沖電源，其脈沖寬度可調(diào)，且具有納秒級快脈沖前沿。

1 高壓脈沖電源系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

脈沖生成納秒級高壓脈沖電源系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)如圖1所示。三相交流電經(jīng)過整流濾波以后變?yōu)橹绷麟姡?jīng)過DC/DC變換電路后為高壓脈沖電路提供400 V直流輸入。本文的DC/DC變換器選取移相全橋PWM變換作為其主電路拓?fù)洌軌蛴行У慕档烷_關(guān)損耗，使開關(guān)頻率大幅度提高，減小變壓器。高壓脈沖電路選取集中式限流電感隔離的Marx發(fā)生器，使用IGBT作為主開關(guān)，并將其設(shè)計(jì)為正脈沖輸出。

2 DC/DC變換電路

全橋逆變電路由四個(gè)功率開關(guān)管組成[4]，Q1和Q3組成超前橋壁，Q2和Q4組成滯后橋臂，每個(gè)橋臂的兩個(gè)開關(guān)管180°互補(bǔ)導(dǎo)通，兩個(gè)橋臂的導(dǎo)通相差一個(gè)移相角[5]。輸出電壓脈沖寬度的調(diào)節(jié)則是通過調(diào)節(jié)移向角的大小來實(shí)現(xiàn)。傳統(tǒng)的移相全橋變換器的輸出整流二極管存在反向恢復(fù)過程，會引起寄生振蕩，二極管上存在很高的尖峰電壓，需增加阻容吸收回路進(jìn)行抑制[6]。因此，在電路中加入二極管D11，D22兩個(gè)箝位二極管。DR1～DR4構(gòu)成全橋整流電路，濾除副邊輸出中的交流部分。

2.1 高頻變壓器的設(shè)計(jì)

設(shè)計(jì)中考慮到小型化和低損耗，應(yīng)使變壓器在要求的輸出電壓及輸出負(fù)載范圍內(nèi)不飽和，同時(shí)其損耗最低。一般鐵氧體磁性材料的飽和磁通為0.3～0.4 T之間[7]，本文中選定工作磁通密度Bw=0.15 T，金屬疊片鐵芯，電流密度比例系數(shù)Kj=366 A/cm3。用面積乘積（AP）法公式進(jìn)行估算，選取磁性材料編號。

2.2 主功率開關(guān)管

通過對移相控制ZVS PWM全橋變換電路的分析，可知開關(guān)管承受的最大電壓為VBus（max）=390 V。開關(guān)管中流過的最大電流為原邊電流的最大值，考慮一定余量，此處選用Infineon公司的SPW47N60C3。

2.3 諧振電感設(shè)計(jì)endprint

滯后橋臂開關(guān)管零電壓開通時(shí)，所需能量僅由諧振電感單獨(dú)提供。為了實(shí)現(xiàn)滯后橋臂的軟開關(guān)，開關(guān)管驅(qū)動(dòng)信號的死區(qū)時(shí)間要小于或等于[14]的諧振周期[8]，設(shè)計(jì)滯后橋臂死區(qū)時(shí)間為700 ns及原邊電流大于3.6 A能夠?qū)崿F(xiàn)ZVS，諧振電感值須同時(shí)滿足下式：

2.4 控制電路設(shè)計(jì)

控制電路芯片選擇美國TI公司生產(chǎn)的UCC3895。該芯片對兩個(gè)半橋電路進(jìn)行移相控制，其特點(diǎn)為4個(gè)輸出端可以分別驅(qū)動(dòng)兩個(gè)半橋，而且都能單獨(dú)通過外圍元器件設(shè)置死區(qū)時(shí)間。

3 高壓脈沖主電路設(shè)計(jì)

圖4為n級全固態(tài)Marx發(fā)生器，每一級電路包含了IGBT管、儲能電容和快恢復(fù)二極管。Marx電路工作過程分為并聯(lián)充電、串聯(lián)放電兩個(gè)部分[9]。充電階段，IGBT管全部關(guān)斷，二極管導(dǎo)通，此時(shí)的儲能電容C1～Cn處于并聯(lián)狀態(tài)，整流后的正向電源通過充電限流電感L，流向儲能電容，使電容電壓都達(dá)到充電電源電壓Vin。放電階段，在脈沖驅(qū)動(dòng)下，所有IGBT管同時(shí)導(dǎo)通，因此，電容器通過IGBT開關(guān)串聯(lián)在一起向負(fù)載進(jìn)行高壓脈沖放電，其值等于所有電容器電壓之和nVin。二極管反向截止對級間以及每級電路內(nèi)部進(jìn)行電壓隔離，相較與傳統(tǒng)隔離電阻能減少很多熱損耗。

3.1 開關(guān)管及二極管的選擇

根據(jù)充電電壓等級及經(jīng)濟(jì)性的要求[10]，本電路IGBT采用Fairchild公司生產(chǎn)的FGA50N60LS，其額定電壓VCE為600 V，額定電流IC為100 A。

隔離二極管的選取應(yīng)該考慮其可承受的最大反向電壓及正向?qū)娏鳌arx發(fā)生器主電路放電時(shí)，二極管的最高隔離電壓為400 V，所以其可承受的最大反向電壓應(yīng)大于400 V。同時(shí)考慮Marx發(fā)生器在最大功率下的充電電流，為了保證電路的可靠性并提高充電效率，選用APT公司的APT40DQ60BG快恢復(fù)二極管。

3.2 電感值的選擇

充電時(shí)，電容的充電時(shí)間tC可按下式計(jì)算：

4 實(shí) 驗(yàn)

實(shí)驗(yàn)中使用電暈等離子放電裝置作為負(fù)載對電源系統(tǒng)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，將高壓脈沖電源系統(tǒng)分為4層，每層包含7個(gè)Marx電路。通過調(diào)整半導(dǎo)體開關(guān)的導(dǎo)通時(shí)間可以得到不同脈寬的輸出脈沖電壓，圖6為不同脈寬的輸出電壓波形。

5 結(jié) 論

本文設(shè)計(jì)了一種納秒級高壓脈沖電源，采用移向控制技術(shù)，使變換器主開關(guān)管實(shí)現(xiàn)了ZVS，降低了整個(gè)系統(tǒng)的開關(guān)損耗。Marx發(fā)生器采用全固態(tài)器件，并用集中式限流電感進(jìn)行隔離，電路結(jié)構(gòu)緊湊。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明可輸出最高幅值為10 kV、脈沖寬度500 ns～1 μs可調(diào)的高壓窄脈沖，脈沖前沿時(shí)間為50 ns。

參考文獻(xiàn)

[1] 劉克富，趙海洋，邱劍.快脈沖放電等離子體用于難降解污水處理[J].高電壓技術(shù)，2009，35（1）：12?16.

[2] 吳異凡.基于全固態(tài)器件串并聯(lián)技術(shù)的脈沖功率電源[D].武漢：華中科技大學(xué)，2007.

[3] 皺曉兵，朱宏林，曾乃工.納秒級高壓快脈沖發(fā)生器的研制[J].高電壓技術(shù)，2011，37（3）：787?792.

[4] DAS P， PAHLEVANINEZHAD M， DROBNIK J， et al. A nonlinear controller based on a discrete energy function for an AC/DC Boost PFC converter [J]. IEEE transactions on power electronics， 2013， 28（12）： 5458?5476.

[5] 王志隆.具有功率因數(shù)校正和軟開關(guān)技術(shù)開關(guān)電源設(shè)計(jì)[D].西安：西安科技大學(xué)，2009.

[6] 王英武，王俊峰，劉佑寶.DC/DC變換器小信號建模與補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)[J].電力電子技術(shù)，2009，43（3）：26?28.

[7] 皮之軍.移相全橋ZVS變換器及其數(shù)字控制技術(shù)研究[D].武漢：華中科技大學(xué)，2006.

[8] 程紅，王聰，王俊.開關(guān)變換器建模、控制及其控制器的數(shù)字實(shí)現(xiàn)[M].北京：清華大學(xué)出版社，2013.

[9] 雷宇，邱劍，劉克富.150 kV全固態(tài)高壓脈沖發(fā)生器設(shè)計(jì)[J].強(qiáng)激光與離子束，2012，24（3）：673?677.

[10] WANG Dongdong， QIU Jian， LIU Kefu. All?solid?state repetitive pulsed?power generator using IGBT and magnetic compression switches [J]. IEEE transactions on plasma science， 2010， 38（10）： 2633?2638.endprint