基于IGBT的固態高壓脈沖電源的研究與設計

    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。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，然后采用磁壓縮開關或者旋轉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，利用IGBT構成LCC串并聯諧振變換器作為高壓脈沖電源的充電電源，同時利用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、系統各個部分功能說明，通過仿真電力電子仿真軟件PSIM對LCC充電過程和脈沖形成電路進行仿真分析。

    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：電容充放電式和高壓直流開關電源加脈沖生成的兩級式兩種。電容充放電式是通過長時間充電、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。優點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、液體殺菌等場合。兩級式結構為高壓直流開關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，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 主電路原理圖

    圖2中LCC串并聯諧振變換器是此高壓脈沖電源充電電路的核心部分，由4個功率開關管IGBT與諧振電感Ls、串聯諧振電容Cs、并聯諧振電容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。