由于脈沖電源有斷續供電的特性，在很多領(lǐng)域都獲得了廣泛的應用。比如說(shuō)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、雙極性、平頂的電壓波形。無(wú)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計的核心部分。傳統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(kāi)關(guān)或者旋轉火花隙來(lái)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，其重復頻率難以調節，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(lái)獲取高壓脈沖波形。將IGBT作為獲取高壓脈沖的電子開(kāi)關(guān)，利用IGBT構成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。文中給出了系統結構、系統各個(gè)部分功能說(shuō)明，通過(guò)仿真電力電子仿真軟件PSIM對LCC充電過(guò)程和脈沖形成電路進(jìn)行仿真分析。
1 高壓脈沖電源系統結構
1.1 高壓脈沖電源的拓撲結構
高壓脈沖電源常用的主電路拓撲可以歸納為兩類(lèi)：電容充放電式和高壓直流開(kāi)關(guān)電源加脈沖生成的兩級式兩種。電容充放電式是通過(guò)長(cháng)時(shí)間充電、瞬間放電，即通過(guò)控制充放電的時(shí)間比例，達到能量壓縮、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，而且重復頻率低，因而應用范圍比較有限，主要應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。兩級式結構為高壓直流開(kāi)關(guān)電源級加上脈沖形成級的結構。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 高壓脈沖電源系統結構框圖
1.2 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、電容充電儲能、電感的緩沖隔離、IGBT全橋逆變、脈沖升壓變壓器等單元構成。電路工作過(guò)程：220 V交流通過(guò)整流濾波后得到低壓直流輸出，通過(guò)LCC串并聯(lián)諧振逆變經(jīng)高頻升壓后向儲能電容C充電，經(jīng)過(guò)IGBT全橋逆變拓撲結構實(shí)現雙極性脈沖輸出。
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(kāi)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(kāi)關(guān)管的電流或電壓波形變?yōu)檎也�、準正弦波或局部正弦波，這樣能使功率開(kāi)關(guān)管在零電壓或零電流條件下導通或關(guān)斷，減少開(kāi)關(guān)管開(kāi)通和關(guān)斷時(shí)的損耗，同時(shí)提高開(kāi)關(guān)頻率，減小開(kāi)關(guān)噪聲，降低EMI干擾和開(kāi)關(guān)應力。
分析LCC串并聯(lián)諧振充電電路時(shí)，假設：1）所有開(kāi)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(kāi)關(guān)器件工作在全軟開(kāi)關(guān)狀態(tài)。
根據開(kāi)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的電流斷續模式（DCM），開(kāi)關(guān)管工作在零電流/零電壓關(guān)斷、零電流開(kāi)通狀態(tài)，反并聯(lián)二極管自然開(kāi)通、自然關(guān)斷；2）fr>fs>0.5fr的電流連續模式（CCM），開(kāi)關(guān)管為零電流/零電壓關(guān)斷、硬開(kāi)通，反并聯(lián)二極管自然開(kāi)通但關(guān)斷時(shí)二極管有反向恢復電流，電路開(kāi)關(guān)損耗較大；3）fs>fr仍然為電流連續模式（CCM），與2）的區別是開(kāi)關(guān)管為零電流/零電壓開(kāi)通、硬關(guān)斷，電路開(kāi)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。
在此設計中，選用合理的逆變設計參數，使LCC串并聯(lián)諧振變換器工作在DCM模式下，結合軟開(kāi)關(guān)技術(shù)，使開(kāi)關(guān)損耗達到最小。
1.3 高壓脈沖形成電路
高壓脈沖的形成是利用IGBT構成的全橋拓撲結構對前級產(chǎn)生的高電壓進(jìn)行開(kāi)關(guān)控制從而實(shí)現雙極性脈沖輸出，如圖2所示。
開(kāi)關(guān)Q5、Q7與開(kāi)關(guān)Q6、Q8分別在正負半周期交替導通，得到雙極性的脈沖輸出。改變兩組開(kāi)關(guān)的切換頻率，即可改變輸出雙極性脈沖的頻率，控制開(kāi)關(guān)管的導通時(shí)間即可調節輸出脈沖的占空比，得到脈寬與頻率均可調的雙極性高壓脈沖波。
1.4 高壓脈沖電源的控制
整個(gè)系統的控制由TMS320F2812 DSP芯片和IGBT驅動(dòng)器來(lái)實(shí)現，主要通過(guò)恒定導通時(shí)間-恒頻控制的方法實(shí)現LCC串并聯(lián)諧振充電電路的軟開(kāi)關(guān)，減少開(kāi)關(guān)損耗，調節輸出電壓；及利用變頻變寬的控制方法實(shí)現后級脈沖形成電路的輸出脈沖控制和IGBT同步觸發(fā)等。
TMS320F2812開(kāi)發(fā)板，內部集成了16路12位A/D轉換器、兩個(gè)事件管理器模塊、一個(gè)高性能CPLD器件XC95144XL,可實(shí)現過(guò)壓、過(guò)流保護在內的電源系統運行全數字控制，提高輸出電壓的精度和穩定度。且采用軟件編程實(shí)現控制算法，使得系統升級、修改更為靈活方便。
1）過(guò)壓保護
通過(guò)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(guò)壓保護電路的輸入電壓，將過(guò)壓保護電路的輸出信號接到DSPF2812的引腳，這樣迫使系統重新啟動(dòng)，實(shí)現過(guò)壓保護的目的，以達到保護負載的安全。
圖3 過(guò)壓保護電路
2）過(guò)流保護
當負載電流超過(guò)設定值或發(fā)生短路時(shí)，需對電源本身提供保護，系統的過(guò)流保護在系統的安全性方面占有重要的地位。過(guò)流保護電路與過(guò)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(dòng)保護程序，故障鎖存器置位，系統復位重新啟動(dòng)。
圖4 過(guò)流保護電路
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(xiàn)電壓Vin=300 V,開(kāi)關(guān)頻率fs=25 kHz,脈寬tw=10μs,Lr=50 μH,Cs=0.2μF,諧振頻率kHz,即滿(mǎn)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 結論
本文設計了一種基于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，實(shí)現過(guò)壓、過(guò)流保護，實(shí)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(lián)諧振充電電路作為對中間儲能電容充電的結構，有利于實(shí)現裝置的快速充電和小型化。
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