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IGBT的固态高压脉冲临汾变压器的设计原理

2018-11-21 点击量:233
IGBT的固态高压脉冲临汾变压器的设计原理

  由于脉冲临汾变压器有断续供电的特性,在很多领域都获得了广泛的应用,其中高压脉冲临汾变压器是系统的核心组成部分。为了获取高重复频率、陡前沿高压脉冲临汾变压器,文中提出了一种基于IGBT的高压脉冲临汾变压器,系统主要由高压充电临汾变压器和脉冲形成电路两部分组成,由DSP作为主控制芯片,控制IGBT的触发和实现软技术,并用仿真AppPSIM对高压脉冲临汾变压器进行仿真分析,验证了设计思想的正确性。

  由于脉冲临汾变压器有断续供电的特性,在很多领域都获得了广泛的应用。比如说高能量物理、粒子加速器、金属材料的加工处理、食品的杀菌消毒、环境的除尘除菌等方面,都需要这样一种脉冲能量--可靠、高能量、脉宽和频率可调、双极性、平顶的电压波形。无论将此高功率脉冲临汾变压器用于何种用途,高压脉冲临汾变压器均是其设计的核心部分。传统的高功率脉冲临汾变压器一般采用工频临汾变压器,然后采用磁压缩或者旋转火花隙来获取高压脉冲,因而大都比较笨重,且获得的脉冲频率范围有限,其重复频率难以调节,脉冲波形易变化,可靠性较低,控制较困难,成本较高。文中采用固态电器--IGBT来获取高压脉冲波形。将IGBT作为获取高压脉冲的电子,利用IGBT构成LCC串并联谐振变换器作为高压脉冲临汾变压器的充电临汾变压器,同时利用IGBT构成全桥组成脉冲形成电路,输出双极性高压脉冲波形。文中给出了系统结构、系统各个部分功能说明,通过仿真电力电子仿真AppPSIM对LCC充电过程和脉冲形成电路进行仿真分析。

  1 高压脉冲临汾变压器系统结构

  1.1 高压脉冲临汾变压器的拓扑结构

  高压脉冲临汾变压器常用的主电路拓扑可以归纳为两类:电容充放电式和高压临汾变压器加脉冲生成的两级式两种。电容充放电式是通过长时间充电、瞬间放电,即通过控制充放电的时间比例,达到能量压缩、输出高压脉冲的目的。优点是可以输出的脉冲功率和电压等级较高,脉冲上升沿较陡;但是,输出脉冲的精度难以控制,而且重复频率低,因而应用范围比较有限,主要应用在核电磁物理研究、烟气除尘、污水处理、液体杀菌等场合。两级式结构为高压临汾变压器级加上脉冲形成级的结构。文中采用这种两级式拓扑结构,临汾变压器系统结构框图如图1所示。两级式有脉冲稳定、可控性好、精度高、重复频率变化范围大等特点,因而适用范围较广,通用性较好。

  

图1 高压脉冲临汾变压器系统结构框图

  1.2 临汾变压器主电路结构和工作原理

  临汾变压器主电路原理图如图2所示,电路由工频交流输入、整流滤波、LCC串并联谐振变换器、电容充电储能、电感的缓冲隔离、IGBT全桥逆变、脉冲临汾变压器等单元构成。电lcjyg.com/路工作过程:220 V交流通过整流滤波后得到低压输出,通过LCC串并联谐振逆变经后向储能电容C充电,经过IGBT全桥逆变拓扑结构实现双极性脉冲输出。

  

图2 主电路原理图

  图2中LCC串并联谐振变换器是此高压脉冲临汾变压器充电电路的核心部分,由4个功率管IGBT与谐振电感Ls、串联谐振电容Cs、并联谐振电容Cp组成,工作原理是:利用电感、电容等谐振元件的作用,使功率管的电流或电压波形变为正弦波、准正弦波或局部正弦波,这样能使功率管在零电压或零电流条件下导通或关断,减少管开通和关断时的损耗,同时提高频率,减小噪声,降低EMI干扰和应力。

  分析LCC串并联谐振充电电路时,假设:1)所有器件和二极管均为理想器件;2)临汾变压器分布电容为0;3)n2C》Cs;4)器件工作在全软状态。

  根据频率fs与基本谐振频率fr的关系,LCC谐振变换器有3种工作方式:1)fs<0.5fr的电流断续模式(DCM),管工作在零电流/零电压关断、零电流开通状态,反并联二极管自然开通、自然关断;2)fr>fs>0.5fr的电流连续模式(CCM),管为零电流/零电压关断、硬开通,反并联二极管自然开通但关断时二极管有反向恢复电流,电路损耗较大;3)fs>fr仍然为电流连续模式(CCM),与2)的区别是管为零电流/零电压开通、硬关断,电路损耗同样较大。谐振频率为:

  

  其中Lr为谐振电感,

  

  为谐振电容,视工作状况不同,由串联电容Cs与并联电容Cp共同决定。

  在此设计中,选用合理的逆变设计参数,使LCC串并联谐振变换器工作在DCM模式下,结合软技术,使损耗达到***小。

  1.3 高压脉冲形成电路

  高压脉冲的形成是利用IGBT构成的全桥拓扑结构对前级产生的高电压进行控制从而实现双极性脉冲输出,如图2所示。

  Q5、Q7与Q6、Q8分别在正负半周期交替导通,得到双极性的脉冲输出。改变两组的切换频率,即可改变输出双极性脉冲的频率,控制管的导通时间即可调节输出脉冲的占空比,得到脉宽与频率均可调的双极性高压脉冲波。

  1.4 高压脉冲临汾变压器的控制

  整个系统的控制由TMS320F2812 DSP芯片和IGBT驱动器来实现,主要通过恒定导通时间-恒频控制的方法实现LCC串并联谐振充电电路的软,减少损耗,调节输出电压;及利用变频变宽的控制方法实现后级脉冲形成电路的输出脉冲控制和IGBT同步触发等。

  TMS320F2812开发板,内部集成了16路12位A/D转换器、两个事件管理器、一个高性能CPLD器件XC95144XL,可实现过压、过流保护在内的临汾变压器系统运行全数字控制,提高输出电压的精度和稳定度。且采用App编程实现控制算法,使得系统升级、修改更为灵活方便。

  1)过压保护

  通过降压互感器检测脉冲临汾变压器原边电压得到电压信号Ui,将Ui作为过压保护电路的输入电压,将过压保护电路的输出信号接到DSPF2812的

  

  引脚,这样迫使系统重变压器厂家/新启动,实现过压保护的目的,以达到保护负载的安全。

  

图3 过压保护电路

  2)过流保护

  当负载电流超过设定值或发生短路时,需对临汾变压器本身提供保护,系统的过流保护在系统的安全性方面占有重要的地位。过流保护电路与过压保护电路相似,如图4所示。将转换的电压信号输入到F2812的

  

  ,启动保护程序,故障锁存器置位,系统复位重新启动。

  

图4 过流保护电路

  2 电路的仿真分析

  令k=Cp/Cs,图5(a)为k=0.25谐振电流和谐振电压波形。选择母线电压Vin=300 V,频率fs=25 kHz,脉宽tw=10μs,Lr=50 μH,Cs=0.2μF,谐振频率kHz,即满足fs<1/2fr,LCC串并联谐振变换器工作在DCM模式下,临汾变压器变比为1:4.高压脉冲形成电路中,脉冲临汾变压器变比为1:12,双极性脉冲仿真波形如图5(b)所示。

  

图5 仿真波形图

  3 结论

  本文设计了一种基于IGBT的高压脉冲临汾变压器,分析了临汾变压器的各个组成部分及功能,并由DSP产生控制IGBT的触发信号,实现过压、过流保护,实现临汾变压器的数字化控制,可精确控制输出脉冲电压、输出脉冲宽度、频率和输出脉冲数等,且利用LCC串并联谐振充电电路作为对中间储能电容充电的结构,有利于实现装置的快速充电和小型化。

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