全固态开关型高压脉冲放电电源的设计

全固态开关型高压脉冲放电电源的设计

0电容储能脉冲功率发生装置低温离子技术是21世纪环境科学的四大技术之一。它在净化、污染处理、杀菌消毒、静电消毒、材料表面改造和氧气生成等领域具有广阔的应用前景。放电等离子体法处理烟气和汽车尾气有经济高效、同时处理多种污染物、无二次污染等优点,成为研究热点。电容储能脉冲功率发生装置常采用单电容充电、MARX发生器、脉冲形成线、脉冲传输线等利用开关闭合放电的结构,体积较大。电感储能密度比电容高1～2个数量级,故相应脉冲功率发生装置可以小型和轻量化,在汽车、舰船、飞机、武器等运动装置的应用场合具有潜在的优势。为发展汽车尾气放电等离子体处理技术,本文设计了一种基于电感储能、结合固态开关和脉冲变压器作为脉冲成形回路的脉冲功率发生装置,并分析和仿真研究了电源电路动态工作过程,给出主电路设计和元件参数选取方法,进行变负载输出特性仿真分析,给出电路与负载匹配参数的选取依据。1初始状态监控系统主电路简化后如图1所示,充电电源US采用车载蓄电池,比如12V36Ah的铅酸蓄电池。固态开关S1动作,将前级电感L1储能转换为电容C1上的储能,多次开关S1,可泵升C1上的电压;后级电感为脉冲变压器,通过C1的能量传输,在储能(初级电感L2电流)最大时刻固态开关S2受控断路将能量以次级高压脉冲的形式向负载释放,断路开关的动作再次实现了能量在时间上的压缩。电路过程:初始状态S1和S2断路,电路处于直流稳态,UC1=US;先导通S1,电源US为L1充电到稳态值;然后关断S1,L1的能量经D1转移至C1,当C1电压达到极大值时,L1的能量除电阻消耗外全部转移至C1,C1储能达到最大值;导通S2,电流通路为C1-L2-S2-C1,实现C1电场能和L2磁场能的转移;当L2电流达到最大值时,断开S2,升压脉冲变压器初级电流通路被切断,据磁动势的平衡关系和能量守恒法则,初级线圈储能绝大部分经变压器次级释放,从而在反应器负载上得到陡前沿高压脉冲。2脉冲变压器激发能力的计算初始条件,S1、S2断路,直流稳态下UC1=US。模态一,S1导通,US向L1充电,等效为下式描述的一阶电路:{L1diL1/dt+R1iL1=US；iL1(0+)=iL1(0-)=US/R1。解之得L1上的电流iL1(t)=US(1-e-t/τ)/R1,0<t≤t1。(1)式中,τ=L1/R1,取t1=(3～4)τ,近似为L1储能达到稳态值的时刻。模态二,t=t1时S1关断,L1经快恢复二极管D1向电容C1放电,电路等效为RLC串联二阶电路,参数的选择使它工作在欠阻尼状态。考虑到D1单向导通的作用,当L1的储能都转移到C1以后,C1上的能量会维持该值。回路的微分方程及初始条件为{L1C1d2uC1/dt2+R1C1duC1/dt+uC1=US;iL1=C1duC1/dt;uC1(t1+)=uC1(t1-)=US;iL1(t1+)=iL1(t1-)=C1duC1/dt|t=t1+=US/R1。解之得L1中电流iL1(t)、C1上电压UC1(t)及其达到最大值的时刻t2为{iL1(t)=-(ω01/ω1)iL1(t1)e-δ1(t-t1)sin(ω1t-β1),t1<t≤t2;uC1(t)=US+(iL1(t1)/ω1C1)e-δ1(t-t1)sin(ω1(t-t1)),t1<t≤t2;t2=t1+arctan(ω1/δ1)/ω1。(2)(3)(4)式中,ω01=1/√L1C1,δ1=R1/2L1‚ω1=√ω201-δ21‚β1=arctan(ω1/δ1)。模态三,t=t2,C1上的储能达到最大值,S2开通,C1给L2充电,电路进入另一个过渡过程,回路的微分方程及初始条件为{L2C1d2uC1/dt2+R2C1duC1/dt+uC1=0;iL2=C1duC1/dt;uC1(t2+)=uC1(t2-)=uC1(t2);iL2(t2+)=iL2(t2-)=C1duC1/dt|t=t2+=0。解得此期间C1上电压uC1(t)、L2上电流iL2(t)及其达到最大值的时刻t3为{uC1(t)=ω02ω2uC1(t2)e-δ2(t-t2)sin(ω2(t-t2)+β2),t2<t≤t3;iL2(t)=ω202C1ω2uC1(t2)e-δ2(t-t2)sin(ω2(t-t2)),t2<t≤t3;t3=t2+arctan(ω2/δ2)/ω2。(5)(6)(7)式中,ω02=1/√L2C1;ω2=√ω202-δ22;δ2=R2/2L2;β2=arctan(ω2/δ2)。模态四,t=t3,L2上的储能达到最大值,S2断路,储能由脉冲变压器次级向负载释放。若负载为纯阻性RL,据固态断路开关的关断特性曲线和脉冲变压器耦合电路模型,得到负载RL上的电压、电流{uRL(t)=ΜiL2(t3)RLΔt(R3+RL)(1-e-(R3+RL)t/(L3-Μ)),t3<t<t4;iRL(t)=ΜiL2(t3)Δt(R3+RL)(1-e-(R3+RL)t/(L3-Μ)),t3<t<t4。(8)(9)式中,M为互感;Δt为固态开关S2的关断时间;t4是放电结束时刻。在选定电路参数情况下,电源应工作在最高能量传输效率、最高连续工作频率的控制时序下,显然在电路各储能元件能量首次达到峰值时进行切换传输效率最高最省时。实际电路通过对C1电压和L2电流进行检测,在它们依次达到峰值时输出控制信号驱动开关管导通/关断,实现所要求的时序控制。基于建立的解析模型,利用Matlab进行仿真。仿真中取一组设计参数值为US=12V,R1=1Ω,L1=10mH,C1=1mF,R2=0.5Ω,L2=1mH,L3=100mH,RL=1kΩ。图2为一个周期内电路工作的波形,显然这是理想工作状态下的波形,主要是因为忽略了开关管通断时间特性的影响。波形表明,从t1时刻S1断路形成电容C1上的脉冲电压,到t2时刻S2导通形成L2中的脉冲电流,再到t3时刻S2断路,在脉冲变压器次级负载上得到了最终被时间压缩的高功率高压脉冲。该组电路参数的选取,使t3时刻电容C1上的电压高于电源电压US的值,这说明后续周期的工作将以此为初始状态值。3s1关断方案通用电路仿真软件PSpice配有不断更新的器件模型库,使仿真波形更接近实际,对电路分析和设计更有参考价值。取一组电路参数:R1=0.4Ω,L1=100μH,C1=2μF,R2=0.1Ω,L2=5μH,脉冲变压器匝数比1:30,S2采用400A、1700V的IGBT功率模块CM400HA-34H,反应器等效负载阻抗为静态电容30pF和1MΩ电阻的并联。令t=0时S1开通,t1=3.2L1/R1=800μs时L1储能近似达到最大,S1关断;将电路参数代入式(4)和(7)可确定在t2=821.8μs时(uC1达最大)S2开通,在t3=826.69μs时(iL2达最大)关断。图3给出了一个周期的主要工作波形,(a)表明开通S1后电感L1充电储能,关断S1后储能释放,uC1达到最大时S2开通,在C1上产生脉冲。(b)表明S2开通L2电流上升,达到最大值时S2关断,实现了对电压脉冲uC1的压缩,得到更窄的脉冲iL2。(c)表明S2关断后在升压脉冲变压器次级阻容负载侧产生了高达30kV的脉冲电压,由时序可知脉冲重复频率将大于1kHz。固态开关S1关断时,由于二极管D1的钳位,S1上承受的最大电压为电容C1电压最大值:uS1max=uC1(t2)=US+(iL1(t1)/ω1C1)e-δ1(t2-t1)·sin(ω1(t2-t1))。(10)据电路参数可算得uS1max≈206V。iL2最大时S2关断,S2上主要承受L2的反电势(uC1与之相比可忽略)。已知CM400HA-34H的关断时间Δt=600ns,设其关断电流随时间线性变化,可得S2承受的最大关断电压、电流为{uS2max=L2diL2/dt=L2iL2(max)/Δt;iL2max=iL2(t3)=(ω202C1/ω2)uC1(t2)e-δ2(t3-t2)⋅sin(ω2(t3-t2))。(11)据电路参数可算得uS2max≈1033V,iL2max≈124A。uS2max将使S2面临击穿的威胁,故相关参数的选取要有一定的裕量。4电容对电压脉冲幅值的影响电源在不同性质负载下的输出脉冲峰值UP、IP特性,以及上升时间tr、tUr、tIr和50%脉宽tw、tUw、tIw特性示于图4。图4(a)～(b)表明阻性负载时各特性的变化是单调的,当RL<100kΩ变化较剧烈,RL>100kΩ时变化较小或基本不变。图4(c)～(d)表明感性负载的特性与负载中阻、感分量的比例有关,从脉冲幅值特性可见,电阻分量不变时,电压幅值基本上随电感增加而增大,而电流幅值随电感增加而先增后减,且在某些阻感比例下有最大值。脉冲的时间特性表明,减小电感能显著缩短电压脉冲前沿上升时间,电流脉冲则相反。由图4(e)～(f),假定容性负载的等效并联电阻为10MΩ不变,则电容值减小,电压脉冲幅值增大,电流脉冲幅值在某个电容值下取得最大,这显然与阻容参数的谐振有关;电压电流脉宽和上升时间都随着电容值的减小而减小。在容性反应器负载状况下(见图5),电容值不变(如10pF)则电阻减小阻尼减小,电压脉冲前沿变陡;电阻值不变(如1MΩ)电容减小电压脉冲幅值、频率都提高,前沿变陡、脉宽减小。10pF、1MΩ负载时可获得前沿200ns、脉宽1μs、幅值30kV的电压脉冲。采用针—针、线—线电极反应器容易获得小的等效电容值,有利于产生陡前沿高幅值的窄脉冲。5电源及组织单元的设计a)所设计电源采用两级脉冲压缩和脉冲变压器升压实现了直流低压车载电源供电下功率脉冲的形成,可构造小型轻量化便携式脉冲功率电源。b)据所给出的解析分析结果可调整电路设计参数使电源工作在所要求的连续运行频率和输出脉冲参数下,并可通过前级电路多次泵升实现电源在更高输出功率下工作,代价是输出脉冲频率降低。c)PSpice仿真考虑了真实器件的影响,可快速确认设计的合理性,所给出的输出特性分析结果既能用