由于脈沖電源有斷續(xù)供電的特性,在很多領(lǐng)域都獲得了廣泛的應(yīng)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(diào)、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(shè)計(jì)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(guān)或者旋轉(zhuǎn)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(fù)頻率難以調(diào)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(guān),利用IGBT構(gòu)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(shí)利用IGBT構(gòu)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(jié)構(gòu)、系統(tǒng)各個(gè)部分功能說明,通過仿真電力電子仿真軟件PSIM對(duì)LCC充電過程和脈沖形成電路進(jìn)行仿真分析。
1 高壓脈沖電源系統(tǒng)結(jié)構(gòu)
1.1 高壓脈沖電源的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)
高壓脈沖電源常用的主電路拓?fù)淇梢詺w納為兩類:電容充放電式和高壓直流開關(guān)電源加脈沖生成的兩級(jí)式兩種。電容充放電式是通過長(zhǎng)時(shí)間充電、瞬間放電,即通過控制充放電的時(shí)間比例,達(dá)到能量壓縮、輸出高壓大功率脈沖的目的。優(yōu)點(diǎn)是可以輸出的脈沖功率和電壓等級(jí)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(fù)頻率低,因而應(yīng)用范圍比較有限,主要應(yīng)用在核電磁物理研究、煙氣除塵、污水處理、液體殺菌等場(chǎng)合。兩級(jí)式結(jié)構(gòu)為高壓直流開關(guān)電源級(jí)加上脈沖形成級(jí)的結(jié)構(gòu)。文中采用這種兩級(jí)式拓?fù)浣Y(jié)構(gòu),電源系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。兩級(jí)式有脈沖穩(wěn)定、可控性好、精度高、重復(fù)頻率變化范圍大等特點(diǎn),因而適用范圍較廣,通用性較好。
圖1 高壓脈沖電源系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖
1.2 電源主電路結(jié)構(gòu)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(chǔ)能、電感的緩沖隔離、IGBT全橋逆變、脈沖升壓變壓器等單元構(gòu)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(lián)諧振逆變經(jīng)高頻升壓后向儲(chǔ)能電容C充電,經(jīng)過IGBT全橋逆變拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)雙極性脈沖輸出。
圖2 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(gè)功率開關(guān)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(guān)管的電流或電壓波形變?yōu)檎也?、?zhǔn)正弦波或局部正弦波,這樣能使功率開關(guān)管在零電壓或零電流條件下導(dǎo)通或關(guān)斷,減少開關(guān)管開通和關(guān)斷時(shí)的損耗,同時(shí)提高開關(guān)頻率,減小開關(guān)噪聲,降低EMI干擾和開關(guān)應(yīng)力。
分析LCC串并聯(lián)諧振充電電路時(shí),假設(shè):1)所有開關(guān)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(guān)器件工作在全軟開關(guān)狀態(tài)。
根據(jù)開關(guān)頻率fs與基本諧振頻率fr的關(guān)系,LCC諧振變換器有3種工作方式:1)fs<0.5fr的電流斷續(xù)模式(DCM),開關(guān)管工作在零電流/零電壓關(guān)斷、零電流開通狀態(tài),反并聯(lián)二極管自然開通、自然關(guān)斷;2)fr>fs>0.5fr的電流連續(xù)模式(CCM),開關(guān)管為零電流/零電壓關(guān)斷、硬開通,反并聯(lián)二極管自然開通但關(guān)斷時(shí)二極管有反向恢復(fù)電流,電路開關(guān)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(guān)管為零電流/零電壓開通、硬關(guān)斷,電路開關(guān)損耗同樣較大。諧振頻率為:
其中Lr為諧振電感,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(shè)計(jì)中,選用合理的逆變?cè)O(shè)計(jì)參數(shù),使LCC串并聯(lián)諧振變換器工作在DCM模式下,結(jié)合軟開關(guān)技術(shù),使開關(guān)損耗達(dá)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(gòu)成的全橋拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)對(duì)前級(jí)產(chǎn)生的高電壓進(jìn)行開關(guān)控制從而實(shí)現(xiàn)雙極性脈沖輸出,如圖2所示。
開關(guān)Q5、Q7與開關(guān)Q6、Q8分別在正負(fù)半周期交替導(dǎo)通,得到雙極性的脈沖輸出。改變兩組開關(guān)的切換頻率,即可改變輸出雙極性脈沖的頻率,控制開關(guān)管的導(dǎo)通時(shí)間即可調(diào)節(jié)輸出脈沖的占空比,得到脈寬與頻率均可調(diào)的雙極性高壓脈沖波。
1.4 高壓脈沖電源的控制
整個(gè)系統(tǒng)的控制由TMS320F2812 DSP芯片和IGBT驅(qū)動(dòng)器來實(shí)現(xiàn),主要通過恒定導(dǎo)通時(shí)間-恒頻控制的方法實(shí)現(xiàn)LCC串并聯(lián)諧振充電電路的軟開關(guān),減少開關(guān)損耗,調(diào)節(jié)輸出電壓;及利用變頻變寬的控制方法實(shí)現(xiàn)后級(jí)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(nèi)部集成了16路12位A/D轉(zhuǎn)換器、兩個(gè)事件管理器模塊、一個(gè)高性能CPLD器件XC95144XL,可實(shí)現(xiàn)過壓、過流保護(hù)在內(nèi)的電源系統(tǒng)運(yùn)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(shí)現(xiàn)控制算法,使得系統(tǒng)升級(jí)、修改更為靈活方便。
1)過壓保護(hù)
通過高頻降壓互感器檢測(cè)脈沖升壓變壓器原邊電壓得到電壓信號(hào)Ui,將Ui作為過壓保護(hù)電路的輸入電壓,將過壓保護(hù)電路的輸出信號(hào)接到DSPF2812的引腳,這樣迫使系統(tǒng)重新啟動(dòng),實(shí)現(xiàn)過壓保護(hù)的目的,以達(dá)到保護(hù)負(fù)載的安全。
圖3 過壓保護(hù)電路
2)過流保護(hù)
當(dāng)負(fù)載電流超過設(shè)定值或發(fā)生短路時(shí),需對(duì)電源本身提供保護(hù),系統(tǒng)的過流保護(hù)在系統(tǒng)的安全性方面占有重要的地位。過流保護(hù)電路與過壓保護(hù)電路相似,如圖4所示。將轉(zhuǎn)換的電壓信號(hào)輸入到F2812的,啟動(dòng)保護(hù)程序,故障鎖存器置位,系統(tǒng)復(fù)位重新啟動(dòng)。
圖4 過流保護(hù)電路
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=300 V,開關(guān)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(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。
圖5 仿真波形圖
3 結(jié)論
本文設(shè)計(jì)了一種基于IGBT的高壓脈沖電源,分析了電源的各個(gè)組成部分及功能,并由DSP產(chǎn)生控制IGBT的觸發(fā)信號(hào),實(shí)現(xiàn)過壓、過流保護(hù),實(shí)現(xiàn)電源的數(shù)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(shù)等,且利用LCC串并聯(lián)諧振充電電路作為對(duì)中間儲(chǔ)能電容充電的結(jié)構(gòu),有利于實(shí)現(xiàn)裝置的快速充電和小型化。<