高压强脉冲电源的设计

高压强脉冲电源的设计摘要：本文提出了一种强脉冲发生器电源的设计方案，应用此方案设计了高压电源、IGBT控制充电、可控硅控制放电，可以自动运行的脉冲磁场发生设备。最大直流电压达到3KV且连续可调，放电脉冲电流高达10000A。该设备由一片AT89C52单片机控制，可实现与计算机的连接。关键词：高压电源；IGBT；可控硅TheDesignofHighVoltagePulsedPowerSupplyAbstract:Thispaperpresentsastrongpulsegeneratorpowersupplydesign,applicationsforthisprogramdesignedhigh-voltagepowersupply,IGBTcontrolthechargingandSCRcontrolleddischarge,canberunautomaticallypulsemagneticfieldequipment.MaximumDCvoltage3KVandcontinuouslyadjustabledischargepulsecurrentsupto10000A.ThedeviceiscontrolledbyanAT89C52microcontrollercanberealizedwiththecomputer.Keywords:highvoltagepowersupply；IGBT；SCR，引言：强脉冲磁场对工业装置及医疗的作用［1］，强脉冲磁场对金属形成时的影响［2］以及脉冲磁场刺激对生物体的效应等已经越来越引起人们的关注。目前国内的脉冲磁场设备，一般电压较低，频率也较低。特别是高压充电部分采用调压器调压［3］，这样体积太大也显笨重。要产生更高的磁场强度，可以改变脉冲磁场频率的自动运行的磁场发生设备实现起来有一定难度，为此设计一个磁场运行频率为0.1〜100Hz可调,脉冲电流达到10000A的低频强脉冲磁场发生设备。一、高压电源的设计本高压充电电源采用开关电源,开关电源作为一种高频、高效电力电子技术,随着电子元器件、产品的不断更新,大功率器件的更新换代,大功率开关电源技术得到了发展。由于本电源功率高达15KW所以采用全桥谐振PWM调制方式,大功率器件采用先进的IGBT模块及先进的可靠的驱动电路,使得电源的整体性能良好,稳定度好,并且具有各种保护功能。1电源电路组成及原理电路有以下几部分组成：1）电网滤波器,2）整流滤波,3）全桥变换器,4）高压变压器,5）高压整流滤波,6）脉宽调制与控制电路,7）驱动电路,8）保护电路等。工作原理：将50HZ三相380V通过电网滤波器，经整流及滤波得到500多伏的直流电压,供给串联谐振变换器。如图1T所示，QI、Q4与Q2、Q3,轮流通断，从而将直流电变换成高频矩形波交流电。R1和R2是泻放电路。T1是高频变压，在开关电源设计中，高压变压器的绕法也很重要，我们采用了一些特殊的设计方法。由于本电源输出高达功率15KW,为了减轻变压器的设计难度以及减小高压整流二极管的电流值、提高电源的可靠性。在材料上选用超微晶合金，绕制成型铁心，次级高压线包每边各分两段。这样设计的高压变压器漏感小，温升小。控制电路采用SG1525PWM集成脉宽调制器（如图1-2）,外接元件少，

性能好，具有外同步，软启动，“死区”调节，欠压锁定，误差放大以及关闭输出驱动信号等功能。其原理框图如图1-3及图1-4所示。50Hz三相380V电网滤波器整流50Hz三相380V电网滤波器整流及滤-波 全桥变换器图1-3功率变换部分原理框图图1-4高压部分电路原理框图2对开关电源开关（IGBT）的选择由于本电源输入电压为AC380V50Hz，由电网滤波经整流滤波，得到电压可达DC540V，考虑到高频变压器的漏感以及漏极回路中引线电感的影响，在开关关断瞬间会引起较大的反尖峰刺。其尖峰假设为稳态值的50%，另外考虑到电网波动为±10%时的影响，所以开关承受的电压为1.5X1.1X540=891V。由于IGBT的工作特性包括静态和动态两类：．静态特性IGBT的静态特性主要有伏安特性、转移特性和开关特性。IGBT的伏安特性是指以栅源电压Ugs为参变量时，漏极电流与栅极电压之间的关系曲线。输出漏极电流比受栅源电压Ugs的控制，Ugs越高，Id越大。其输出特性．也可分为饱和区、放大区和击穿特性3部分。在截止状态下的IGBT，正向电压由J2结承担，反向电压由J1结承担。如果无N+缓冲区，则正反向阻断电压可以做到同样水平，加入N+缓冲区后，反向关断电压只能达到几十伏水平，因此限制了IGBT的某些应用范围。IGBT的转移特性是指输出漏极电流Id与栅源电压Ugs之间的关系曲线。它与MOSFET的转移特性相同，当栅源电压小于开启电压Ugs(th)时，IGBT处于关断状态。在IGBT导通后的大部分漏极电流范围内，Id与Ugs呈线性关系。最高栅源电压受最大漏极电流限制，其最佳值一般取为15V左右。IGBT的开关特性是指漏极电流与漏源电压之间的关系。IGBT处于导通态时，由于它的PNP晶体管为宽基区晶体管，所以其B值极低。尽管等效电路为达林顿结构，但流过MOSFET的电流成为IGBT总电流的主要部分。此时，通态电压Uds(on)可用下式表示Uds(on)=Ujl+Udr+IdRoh式中Ujl——JI结的正向电压，其值为0.7〜IV；Udr——扩展电阻Rdr上的压降；Roh——沟道电阻。通态电流Ids可用下式表示：Ids=(1+Bpnp)Imos式中Imos——流过M0SFET的电流。由于N+区存在电导调制效应，所以IGBT的通态压降降低，通态压降为2〜3VoIGBT处于断态时，只有很小的泄漏电流存在。．动态特性IGBT在开通过程中，大部分时间是作为MOSFET来运行的，只是在漏源电压Uds下降过程后期，PNP晶体管由放大区至饱和，又增加了一段延迟时间。td(on)为开通延迟时间，tri为电流上升时间。实际应用中常给出的漏极电流开通时间ton即为td(on)tri之和。漏源电压的下降时间由tfel和tfe2组成。IGBT的触发和关断要求给其栅极和基极之间加上正向电压和负向电压，栅极电压可由不同的驱动电路产生。当选择这些驱动电路时，必须基于以下的参数来进行：器件关断偏置的要求、栅极电荷的要求、耐固性要求和电源的情况。因为IGBT栅极-发射极阻抗大，故可使用M0SFET驱动技术进行触发，不过由于IGBT的输入电容较MOSFET为大，故IGBT的关断偏压应该比许多MOSFET驱动电路提供的偏压更高。IGBT在关断过程中，漏极电流的波形变为两段。因为MOSFET关断后，PNP晶体管的存储电荷难以迅速消除，造成漏极电流较长的尾部时间，td(off)为关断延迟时间，trv为电压Uds(f)的上升时间。实际应用中常常给出的漏极电流的下降时间Tf由图中的t(f1)和t(f2)两段组成，而漏极电流的关断时间t(off)二td(off)+trv十t(f)式中，td(off)与trv之和又称为存储时间。IGBT的开关速度低于M0SFET，但明显高于GTR。IGBT在关断时不需要负栅压来减少关断时间，但关断时间随栅极和发射极并联电阻的增加而增加。IGBT的开启电压约3〜4V,和M0SFET相当。IGBT导通时的饱和压降比M0SFET低而和GTR接近，饱和压降随栅极电压的增加而降低。所以IGBT模块的集电极电流增大时，vce㈠上升，所产生的额定损耗亦变大。开关损耗增大，原件发热加剧。根据额定损耗，开关损耗所产生的热量，控制器件结温(tj)在150oc以下(通常为安全起见，以125oc以下为宜)，使用的集电流以下为宜。特别是用作高频开关时，开关损耗增大，发热也加剧。要将集电极电流的最大值控制在直流额定电流以下使用。由此我们选取Vces二1200V，而电流则为Ie二100A留有很大的余量，因此可不加缓冲器，使回路设计简单，功耗小。着重要提的是由于此电源功率较大而体积要求小，传统型的IGBT开关导通压降大，发热量高，长时间工作会由于温升太高而不可逆的损坏。由此我们选择了IGBT第五代已成熟产品，它的导通压降小，发热量小，导通压降仅有1.6〜1.8V。经测试IGBT温度达到合适范围。对高压变压器的设计设计高频高压变压器首先应该从磁芯开始。开关电源变压器磁芯多是在低磁场下使用的软磁材料，它有较高磁导率，低的矫顽力，高的电阻率。磁导率高，在一定线圈匝数时，通过不大的激磁电流就能承受较高的外加电压，因此，在输出一定功率要求下，可减轻磁芯体积。磁芯矫顽力低，磁滞面积小，则铁耗也少。高的电阻率，则涡流小，铁耗小。由此我们选择超微晶铁芯（FeCuNbSiB）具有咼饱和磁感应强度、高导磁率、低矫顽力、低损耗及良好的稳定性。它的物理性能：饱和磁感应强度Bs：1.25T居里温度Tc：560°C晶化温度Tx：510°C硬度Hv：880kg／mm2饱和磁致伸缩系数：2x10-6密度d：7.2g／cm3电阻率：130muOhm.cm它的典型磁性能：（无磁场退火）初始导磁率（Gs/Oe）：>8x104

最大导磁率（Gs/Oe）：>45x104剩余磁感应强度（Bs）：0.6T矫顽力：V0.8A/m铁损P（20kHz,0.5T）：V25W/kg铁损P（100kHz,0.3T）：<150W/kg铁损变化率（-55〜125°C）：<15%由以上考虑制作时绕制成C型铁心，次级高压线包每边各分两段这样设计的高压变压器漏感小,温升小,不需要用油箱散热固态即可二、充电储能及放电部分的设计1、 充电储能部分控制主要包括IGBT及其控制电路和储能电容（如图1-5）。因为要求放电频率0.1-100HZ可调这就要求该开关要可靠，性能稳定可控性高。所以选择IGBT作为充电开关。由于电压高达3KV,加上开关尖刺峰值，我们选择耐压在1200V的IGBT。四个管子串联。C1、R1,组成阻容吸收电路。C2为储能电容，L是刺激线圈的电感量，R2是放电回路的总电阻值。2、 控制放电的可控硅选择双向可控硅（如图1-5中的Q5），这样可控硅在交变负载时，由于储存在电容器中的过剩的无功功率能够自动返回，可以避免危险的过电压。可控硅的选择除了耐压之外，还应考虑开关延迟时间、di/dt及i峰值电流。脉冲电流的形态决定了空ts间磁场的强度与波形。进而决定磁刺激感生电流的强度与波形，放电回路的电路方程为：d2id2idtdtc3、充放电部分驱动电路本系统中的IGBT驱动电路主要由专用模块来实现。这里采用EXB841，它是高速系列的IGBT集成驱动电路，工作频率可达40Kz[4]。其内装隔离高电压的光电耦合器，隔离电压可达2500VA。具有过流保护和低速过流切断电路，保护信号可输出供控制电路用。单电源供电，内部电路可将+20V的单电源转换为+15V的开栅压和-5V的关栅压。可控硅的驱动采用隔离驱动变压器.由于单片机有限的驱动能力，控制信号从单片机出来后经过功率放大后以驱动IGBT及可控硅。如图1-6和1-7。15VN1R2R1 o来自单片机如图1-615VN1R2R1 o来自单片机如图1-6一CZ>去EXB841的15脚C1去EXB841的14脚三、结论按以上方案设计的强脉冲电源，充电电压可从03KV可调。放电频率从0.1〜100Hz可调。且放电脉宽50150us可调。在充电电压为3KV时，放电频率为100Hz时,脉冲电流高达10000A。