高壓強(qiáng)脈沖電源的設(shè)計(jì)

高壓強(qiáng)脈沖電源的設(shè)計(jì)摘要：本文提出了一種強(qiáng)脈沖發(fā)生器電源的設(shè)計(jì)方案，應(yīng)用此方案設(shè)計(jì)了高壓電源、IGBT控制充電、可控硅控制放電，可以自動(dòng)運(yùn)行的脈沖磁場(chǎng)發(fā)生設(shè)備。最大直流電壓達(dá)到3KV且連續(xù)可調(diào)，放電脈沖電流高達(dá)10000A。該設(shè)備由一片AT89C52單片機(jī)控制，可實(shí)現(xiàn)與計(jì)算機(jī)的連接。關(guān)鍵詞：高壓電源；IGBT；可控硅TheDesignofHighVoltagePulsedPowerSupplyAbstract:Thispaperpresentsastrongpulsegeneratorpowersupplydesign,applicationsforthisprogramdesignedhigh-voltagepowersupply,IGBTcontrolthechargingandSCRcontrolleddischarge,canberunautomaticallypulsemagneticfieldequipment.MaximumDCvoltage3KVandcontinuouslyadjustabledischargepulsecurrentsupto10000A.ThedeviceiscontrolledbyanAT89C52microcontrollercanberealizedwiththecomputer.Keywords:highvoltagepowersupply；IGBT；SCR，引言：強(qiáng)脈沖磁場(chǎng)對(duì)工業(yè)裝置及醫(yī)療的作用［1］，強(qiáng)脈沖磁場(chǎng)對(duì)金屬形成時(shí)的影響［2］以及脈沖磁場(chǎng)刺激對(duì)生物體的效應(yīng)等已經(jīng)越來(lái)越引起人們的關(guān)注。目前國(guó)內(nèi)的脈沖磁場(chǎng)設(shè)備，一般電壓較低，頻率也較低。特別是高壓充電部分采用調(diào)壓器調(diào)壓［3］，這樣體積太大也顯笨重。要產(chǎn)生更高的磁場(chǎng)強(qiáng)度，可以改變脈沖磁場(chǎng)頻率的自動(dòng)運(yùn)行的磁場(chǎng)發(fā)生設(shè)備實(shí)現(xiàn)起來(lái)有一定難度，為此設(shè)計(jì)一個(gè)磁場(chǎng)運(yùn)行頻率為0.1?100Hz可調(diào),脈沖電流達(dá)到10000A的低頻強(qiáng)脈沖磁場(chǎng)發(fā)生設(shè)備。一、高壓電源的設(shè)計(jì)本高壓充電電源采用開(kāi)關(guān)電源,開(kāi)關(guān)電源作為一種高頻、高效電力電子技術(shù),隨著電子元器件、產(chǎn)品的不斷更新,大功率器件的更新?lián)Q代,大功率開(kāi)關(guān)電源技術(shù)得到了發(fā)展。由于本電源功率高達(dá)15KW所以采用全橋諧振PWM調(diào)制方式,大功率器件采用先進(jìn)的IGBT模塊及先進(jìn)的可靠的驅(qū)動(dòng)電路,使得電源的整體性能良好,穩(wěn)定度好,并且具有各種保護(hù)功能。1電源電路組成及原理電路有以下幾部分組成：1）電網(wǎng)濾波器,2）整流濾波,3）全橋變換器,4）高壓變壓器,5）高壓整流濾波,6）脈寬調(diào)制與控制電路,7）驅(qū)動(dòng)電路,8）保護(hù)電路等。工作原理：將50HZ三相380V通過(guò)電網(wǎng)濾波器，經(jīng)整流及濾波得到500多伏的直流電壓,供給串聯(lián)諧振變換器。如圖1T所示，QI、Q4與Q2、Q3,輪流通斷，從而將直流電變換成高頻矩形波交流電。R1和R2是瀉放電路。T1是高頻變壓，在開(kāi)關(guān)電源設(shè)計(jì)中，高壓變壓器的繞法也很重要，我們采用了一些特殊的設(shè)計(jì)方法。由于本電源輸出高達(dá)功率15KW,為了減輕變壓器的設(shè)計(jì)難度以及減小高壓整流二極管的電流值、提高電源的可靠性。在材料上選用超微晶合金，繞制成型鐵心，次級(jí)高壓線包每邊各分兩段。這樣設(shè)計(jì)的高壓變壓器漏感小，溫升小?？刂齐娐凡捎肧G1525PWM集成脈寬調(diào)制器（如圖1-2）,外接元件少，

性能好，具有外同步，軟啟動(dòng)，“死區(qū)”調(diào)節(jié)，欠壓鎖定，誤差放大以及關(guān)閉輸出驅(qū)動(dòng)信號(hào)等功能。其原理框圖如圖1-3及圖1-4所示。50Hz三相380V電網(wǎng)濾波器整流50Hz三相380V電網(wǎng)濾波器整流及濾-波 全橋變換器圖1-3功率變換部分原理框圖圖1-4高壓部分電路原理框圖2對(duì)開(kāi)關(guān)電源開(kāi)關(guān)（IGBT）的選擇由于本電源輸入電壓為AC380V50Hz，由電網(wǎng)濾波經(jīng)整流濾波，得到電壓可達(dá)DC540V，考慮到高頻變壓器的漏感以及漏極回路中引線電感的影響，在開(kāi)關(guān)關(guān)斷瞬間會(huì)引起較大的反尖峰刺。其尖峰假設(shè)為穩(wěn)態(tài)值的50%，另外考慮到電網(wǎng)波動(dòng)為±10%時(shí)的影響，所以開(kāi)關(guān)承受的電壓為1.5X1.1X540=891V。由于IGBT的工作特性包括靜態(tài)和動(dòng)態(tài)兩類(lèi)：．靜態(tài)特性IGBT的靜態(tài)特性主要有伏安特性、轉(zhuǎn)移特性和開(kāi)關(guān)特性。IGBT的伏安特性是指以柵源電壓Ugs為參變量時(shí)，漏極電流與柵極電壓之間的關(guān)系曲線。輸出漏極電流比受柵源電壓Ugs的控制，Ugs越高，Id越大。其輸出特性．也可分為飽和區(qū)、放大區(qū)和擊穿特性3部分。在截止?fàn)顟B(tài)下的IGBT，正向電壓由J2結(jié)承擔(dān)，反向電壓由J1結(jié)承擔(dān)。如果無(wú)N+緩沖區(qū)，則正反向阻斷電壓可以做到同樣水平，加入N+緩沖區(qū)后，反向關(guān)斷電壓只能達(dá)到幾十伏水平，因此限制了IGBT的某些應(yīng)用范圍。IGBT的轉(zhuǎn)移特性是指輸出漏極電流Id與柵源電壓Ugs之間的關(guān)系曲線。它與MOSFET的轉(zhuǎn)移特性相同，當(dāng)柵源電壓小于開(kāi)啟電壓Ugs(th)時(shí)，IGBT處于關(guān)斷狀態(tài)。在IGBT導(dǎo)通后的大部分漏極電流范圍內(nèi)，Id與Ugs呈線性關(guān)系。最高柵源電壓受最大漏極電流限制，其最佳值一般取為15V左右。IGBT的開(kāi)關(guān)特性是指漏極電流與漏源電壓之間的關(guān)系。IGBT處于導(dǎo)通態(tài)時(shí)，由于它的PNP晶體管為寬基區(qū)晶體管，所以其B值極低。盡管等效電路為達(dá)林頓結(jié)構(gòu)，但流過(guò)MOSFET的電流成為IGBT總電流的主要部分。此時(shí)，通態(tài)電壓Uds(on)可用下式表示Uds(on)=Ujl+Udr+IdRoh式中Ujl——JI結(jié)的正向電壓，其值為0.7?IV；Udr——擴(kuò)展電阻Rdr上的壓降；Roh——溝道電阻。通態(tài)電流Ids可用下式表示：Ids=(1+Bpnp)Imos式中Imos——流過(guò)M0SFET的電流。由于N+區(qū)存在電導(dǎo)調(diào)制效應(yīng)，所以IGBT的通態(tài)壓降降低，通態(tài)壓降為2?3VoIGBT處于斷態(tài)時(shí)，只有很小的泄漏電流存在。．動(dòng)態(tài)特性IGBT在開(kāi)通過(guò)程中，大部分時(shí)間是作為MOSFET來(lái)運(yùn)行的，只是在漏源電壓Uds下降過(guò)程后期，PNP晶體管由放大區(qū)至飽和，又增加了一段延遲時(shí)間。td(on)為開(kāi)通延遲時(shí)間，tri為電流上升時(shí)間。實(shí)際應(yīng)用中常給出的漏極電流開(kāi)通時(shí)間ton即為td(on)tri之和。漏源電壓的下降時(shí)間由tfel和tfe2組成。IGBT的觸發(fā)和關(guān)斷要求給其柵極和基極之間加上正向電壓和負(fù)向電壓，柵極電壓可由不同的驅(qū)動(dòng)電路產(chǎn)生。當(dāng)選擇這些驅(qū)動(dòng)電路時(shí)，必須基于以下的參數(shù)來(lái)進(jìn)行：器件關(guān)斷偏置的要求、柵極電荷的要求、耐固性要求和電源的情況。因?yàn)镮GBT柵極-發(fā)射極阻抗大，故可使用M0SFET驅(qū)動(dòng)技術(shù)進(jìn)行觸發(fā)，不過(guò)由于IGBT的輸入電容較MOSFET為大，故IGBT的關(guān)斷偏壓應(yīng)該比許多MOSFET驅(qū)動(dòng)電路提供的偏壓更高。IGBT在關(guān)斷過(guò)程中，漏極電流的波形變?yōu)閮啥?。因?yàn)镸OSFET關(guān)斷后，PNP晶體管的存儲(chǔ)電荷難以迅速消除，造成漏極電流較長(zhǎng)的尾部時(shí)間，td(off)為關(guān)斷延遲時(shí)間，trv為電壓Uds(f)的上升時(shí)間。實(shí)際應(yīng)用中常常給出的漏極電流的下降時(shí)間Tf由圖中的t(f1)和t(f2)兩段組成，而漏極電流的關(guān)斷時(shí)間t(off)二td(off)+trv十t(f)式中，td(off)與trv之和又稱(chēng)為存儲(chǔ)時(shí)間。IGBT的開(kāi)關(guān)速度低于M0SFET，但明顯高于GTR。IGBT在關(guān)斷時(shí)不需要負(fù)柵壓來(lái)減少關(guān)斷時(shí)間，但關(guān)斷時(shí)間隨柵極和發(fā)射極并聯(lián)電阻的增加而增加。IGBT的開(kāi)啟電壓約3?4V,和M0SFET相當(dāng)。IGBT導(dǎo)通時(shí)的飽和壓降比M0SFET低而和GTR接近，飽和壓降隨柵極電壓的增加而降低。所以IGBT模塊的集電極電流增大時(shí)，vce㈠上升，所產(chǎn)生的額定損耗亦變大。開(kāi)關(guān)損耗增大，原件發(fā)熱加劇。根據(jù)額定損耗，開(kāi)關(guān)損耗所產(chǎn)生的熱量，控制器件結(jié)溫(tj)在150oc以下(通常為安全起見(jiàn)，以125oc以下為宜)，使用的集電流以下為宜。特別是用作高頻開(kāi)關(guān)時(shí)，開(kāi)關(guān)損耗增大，發(fā)熱也加劇。要將集電極電流的最大值控制在直流額定電流以下使用。由此我們選取Vces二1200V，而電流則為Ie二100A留有很大的余量，因此可不加緩沖器，使回路設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單，功耗小。著重要提的是由于此電源功率較大而體積要求小，傳統(tǒng)型的IGBT開(kāi)關(guān)導(dǎo)通壓降大，發(fā)熱量高，長(zhǎng)時(shí)間工作會(huì)由于溫升太高而不可逆的損壞。由此我們選擇了IGBT第五代已成熟產(chǎn)品，它的導(dǎo)通壓降小，發(fā)熱量小，導(dǎo)通壓降僅有1.6?1.8V。經(jīng)測(cè)試IGBT溫度達(dá)到合適范圍。對(duì)高壓變壓器的設(shè)計(jì)設(shè)計(jì)高頻高壓變壓器首先應(yīng)該從磁芯開(kāi)始。開(kāi)關(guān)電源變壓器磁芯多是在低磁場(chǎng)下使用的軟磁材料，它有較高磁導(dǎo)率，低的矯頑力，高的電阻率。磁導(dǎo)率高，在一定線圈匝數(shù)時(shí)，通過(guò)不大的激磁電流就能承受較高的外加電壓，因此，在輸出一定功率要求下，可減輕磁芯體積。磁芯矯頑力低，磁滯面積小，則鐵耗也少。高的電阻率，則渦流小，鐵耗小。由此我們選擇超微晶鐵芯（FeCuNbSiB）具有咼飽和磁感應(yīng)強(qiáng)度、高導(dǎo)磁率、低矯頑力、低損耗及良好的穩(wěn)定性。它的物理性能：飽和磁感應(yīng)強(qiáng)度Bs：1.25T居里溫度Tc：560°C晶化溫度Tx：510°C硬度Hv：880kg／mm2飽和磁致伸縮系數(shù)：2x10-6密度d：7.2g／cm3電阻率：130muOhm.cm它的典型磁性能：（無(wú)磁場(chǎng)退火）初始導(dǎo)磁率（Gs/Oe）：>8x104

最大導(dǎo)磁率（Gs/Oe）：>45x104剩余磁感應(yīng)強(qiáng)度（Bs）：0.6T矯頑力：V0.8A/m鐵損P（20kHz,0.5T）：V25W/kg鐵損P（100kHz,0.3T）：<150W/kg鐵損變化率（-55?125°C）：<15%由以上考慮制作時(shí)繞制成C型鐵心，次級(jí)高壓線包每邊各分兩段這樣設(shè)計(jì)的高壓變壓器漏感小,溫升小,不需要用油箱散熱固態(tài)即可二、充電儲(chǔ)能及放電部分的設(shè)計(jì)1、 充電儲(chǔ)能部分控制主要包括IGBT及其控制電路和儲(chǔ)能電容（如圖1-5）。因?yàn)橐蠓烹婎l率0.1-100HZ可調(diào)這就要求該開(kāi)關(guān)要可靠，性能穩(wěn)定可控性高。所以選擇IGBT作為充電開(kāi)關(guān)。由于電壓高達(dá)3KV,加上開(kāi)關(guān)尖刺峰值，我們選擇耐壓在1200V的IGBT。四個(gè)管子串聯(lián)。C1、R1,組成阻容吸收電路。C2為儲(chǔ)能電容，L是刺激線圈的電感量，R2是放電回路的總電阻值。2、 控制放電的可控硅選擇雙向可控硅（如圖1-5中的Q5），這樣可控硅在交變負(fù)載時(shí)，由于儲(chǔ)存在電容器中的過(guò)剩的無(wú)功功率能夠自動(dòng)返回，可以避免危險(xiǎn)的過(guò)電壓?？煽毓璧倪x擇除了耐壓之外，還應(yīng)考慮開(kāi)關(guān)延遲時(shí)間、di/dt及i峰值電流。脈沖電流的形態(tài)決定了空ts間磁場(chǎng)的強(qiáng)度與波形。進(jìn)而決定磁刺激感生電流的強(qiáng)度與波形，放電回路的電路方程為：d2id2idtdtc3、充放電部分驅(qū)動(dòng)電路本系統(tǒng)中的IGBT驅(qū)動(dòng)電路主要由專(zhuān)用模塊來(lái)實(shí)現(xiàn)。這里采用EXB841，它是高速系列的IGBT集成驅(qū)動(dòng)電路，工作頻率可達(dá)40Kz[4]。其內(nèi)裝隔離高電壓的光電耦合器，隔離電壓可達(dá)2500VA。具有過(guò)流保護(hù)和低速過(guò)流切斷電路，保護(hù)信號(hào)可輸出供控制電路用。單電源供電，內(nèi)部電路可將+20V的單電源轉(zhuǎn)換為+15V的開(kāi)柵壓和-5V的關(guān)柵壓?？煽毓璧尿?qū)動(dòng)采用隔離驅(qū)動(dòng)變壓器.由于單片機(jī)有限的驅(qū)動(dòng)能力，控制信號(hào)從單片機(jī)出來(lái)后經(jīng)過(guò)功率放大后以驅(qū)動(dòng)IGBT及可控硅。如圖1-6和1-7。15VN1R2R1 o來(lái)自單片機(jī)如圖1-615VN1R2R1 o來(lái)自單片機(jī)如圖1-6一CZ>去EXB841的15腳C1去EXB841的14腳三、結(jié)論按以上方案設(shè)計(jì)的強(qiáng)脈沖電源，充電電壓可從03KV可調(diào)。放電頻率從0.1?100Hz可調(diào)。且放電脈寬50150us可調(diào)。在充電電壓為3KV時(shí)，放電頻率為100Hz時(shí),脈沖電流高達(dá)10000A。