采用IGBT技术设计固态高压电源

引言

　　由于脉冲电源有断续供电的特性，在很多工控领域都获得了广泛的应用。比如说高能量物理、粒子加速器、金属材料的加工处理、食品的杀菌消毒、环境的除尘除菌等方面，都需要这样一种脉冲能量--可靠、高能量、脉宽和频率可调、双极性、平顶的电压波形。无论将此高功率脉冲电源用于何种用途，高压脉冲电源均是其设计的核心部分。传统的高功率脉冲电源一般采用工频变压器升压，然后采用磁压缩开关或者旋转火花隙来获取高压脉冲，因而大都比较笨重，且获得的脉冲频率范围有限，其重复频率难以调节，脉冲波形易变化，可靠性较低，控制较困难，成本较高。文中采用固态电器--IGBT来获取高压脉冲波形。将IGBT作为获取高压脉冲的电子开关，利用IGBT构成LCC串并联谐振变换器作为高压脉冲电源的充电电源，同时利用IGBT构成全桥组成脉冲形成电路，输出双极性高压脉冲波形。文中给出了系统结构、系统各个部分功能说明，通过仿真电力电子仿真软件PSIM对LCC充电过程和脉冲形成电路进行仿真分析。

1、高压脉冲电源系统结构

1.1  高压脉冲电源的拓扑结构

　　高压脉冲电源常用的主电路拓扑可以归纳为两类：电容充放电式和高压直流开关电源加脉冲生成的两级式两种。电容充放电式是通过长时间充电、瞬间放电，即通过控制充放电的时间比例，达到能量压缩、输出高压大功率脉冲的目的。优点是可以输出的脉冲功率和电压等级较高，脉冲上升沿较陡；但是，输出脉冲的精度难以控制，而且重复频率低，因而应用范围比较有限，主要应用在核电磁物理研究、烟气除尘、污水处理、液体杀菌等场合。两级式结构为高压直流开关电源级加上脉冲形成级的结构。文中采用这种两级式拓扑结构，电源系统结构框图如图1所示。两级式有脉冲稳定、可控性好、精度高、重复频率变化范围大等特点，因而适用范围较广，通用性较好。

                                                                     图1高压脉冲电源系统结构框图

1.2   电源主电路结构和工作原理

　　电源主电路原理图如图2所示，电路由工频交流输入、整流滤波、LCC串并联谐振变换器、电容充电储能、电感的缓冲隔离、IGBT全桥逆变、脉冲升压变压器等单元构成。电路工作过程：220V交流通过整流滤波后得到低压直流输出，通过LCC串并联谐振逆变经高频升压后向储能电容C充电，经过IGBT全桥逆变拓扑结构实现双极性脉冲输出。

图2主电路原理图

　　图2中LCC串并联谐振变换器是此高压脉冲电源充电电路的核心部分，由4个功率开关管IGBT与谐振电感Ls、串联谐振电容Cs、并联谐振电容Cp组成，工作原理是：利用电感、电容等谐振元件的作用，使功率开关管的电流或电压波形变为正弦波、准正弦波或局部正弦波，这样能使功率开关管在零电压或零电流条件下导通或关断，减少开关管开通和关断时的损耗，同时提高开关频率，减小开关噪声，降低EMI干扰和开关应力。

　　分析LCC串并联谐振充电电路时，假设：1）所有开关器件和二极管均为理想器件；2）变压器分布电容为0;3）n2C》Cs;4）开关器件工作在全软开关状态。

　　根据开关频率fs与基本谐振频率fr的关系，LCC谐振变换器有3种工作方式：1）fs<0.5fr的电流断续模式（DCM），开关管工作在零电流/零电压关断、零电流开通状态，反并联二极管自然开通、自然关断；2）fr>fs>0.5fr的电流连续模式（CCM），开关管为零电流/零电压关断、硬开通，反并联二极管自然开通但关断时二极管有反向恢复电流，电路开关损耗较大；3）fs>fr仍然为电流连续模式（CCM），与2）的区别是开关管为零电流/零电压开通、硬关断，电路开关损耗同样较大。谐振频率为：

　其中Lr为谐振电感，为谐振电容，视工作状况不同，由串联电容Cs与并联电容Cp共同决定。

　在此设计中，选用合理的逆变设计参数，使LCC串并联谐振变换器工作在DCM模式下，结合软开关技术，使开关损耗达到最小。