基于移相控制的全固态高压脉冲电源设计

唐朝　赵龙章　龚嫒雯

摘 要： 针对传统高压脉冲的功率器件耐压值有限，电压等级难以提升，效率低的缺陷，提出了一种基于移相控制技术的全固态高压脉冲电源。充电电源部分采用移相控制ZVS PWM全桥变换电路，减小开关损耗；高压脉冲电路以全固态IGBT作为主开关器件，不仅能提升电压等级，还能对脉冲宽度和频率进行调节。实验结果表明，输出脉冲电压最大值为10 kV，具有纳秒级陡峭前沿，且频率、脉宽均可调。

关键词： 移相控制； 高压脉冲电源； IGBT； 纳秒级陡峭前沿； Marx发生器

中图分类号： TN911?34 文献标识码： A 文章编号： 1004?373X（2017）22?0172?04

Abstract： Since the traditional high?voltage pulse power device has the defects of limited withstand voltage value and low efficiency， and is difficult to improve voltage level， an all?solid?state high?voltage pulse power supply based on phase?shifting control technology is put forward. The phase?shifting control ZVS PWM full?bridge conversion circuit is used in the charging power supply to reduce the switching loss. The high?voltage pulse circuit taking all?solid?state IGBT as its main switching device can improve the voltage level， and adjust the pulse width and frequency. The experimental results show that the all?solid?state high?voltage pulse power supply has maximum output pulse voltage of 10 kV， possesses the nanosecond steep rise， and its frequency and pulse width can be adjusted.

Keywords： phase?shifting control； high?voltage pulse power supply； IGBT； nanosecond steep rise； Marx generator

0 引 言

脉冲功率技术是一种电物理技术，是将较长时间内存储起来的能量在极短的时间内向负载输出功率密度极高的能量，实现输出功率对输入功率的压缩。目前，脉冲功率技术的应用正逐渐发展到工业、民用科技领域，如环境保护中处理烟气、生命科学领域中强脉冲电场对人体的影响等[1]。这些都对脉冲功率技术的发展作出了更高的要求，使得脉冲功率技术成为当时最为活跃的研究领域之一[2]。

全固态高压脉冲电源前级选用移相控制ZVS全桥变换电路作为其主电路拓扑，与传统的整流滤波相比，不仅能够获得可控电压，降低开关损耗，还能使充电电压稳定，进行快速充电，提高脉冲频率。后级电路使用大功率半导体开关代替传统电路中的气体开关，并用二极管取代充电电阻。采用串联全固态Marx电路的方法，基于“并联充电，串联放电”的基本工作方式[3]，不使用任何脉冲变压器也不需要很高的输入电压，通过脉冲高压叠加获得脉冲电压输出倍增。根据以上理论，本文设计了一种10 kV高压脉冲电源，其脉冲宽度可调，且具有纳秒级快脉冲前沿。

1 高压脉冲电源系统总体设计

脉冲生成纳秒级高压脉冲电源系统总体结构如图1所示。三相交流电经过整流滤波以后变为直流电，经过DC/DC变换电路后为高压脉冲电路提供400 V直流输入。本文的DC/DC变换器选取移相全桥PWM变换作为其主电路拓扑，能够有效的降低开关损耗，使开关频率大幅度提高，减小变压器。高压脉冲电路选取集中式限流电感隔离的Marx发生器，使用IGBT作为主开关，并将其设计为正脉冲输出。

2 DC/DC变换电路

全桥逆变电路由四个功率开关管组成[4]，Q1和Q3组成超前桥壁，Q2和Q4组成滞后桥臂，每个桥臂的两个开关管180°互补导通，两个桥臂的导通相差一个移相角[5]。输出电压脉冲宽度的调节则是通过调节移向角的大小来实现。传统的移相全桥变换器的输出整流二极管存在反向恢复过程，会引起寄生振荡，二极管上存在很高的尖峰电压，需增加阻容吸收回路进行抑制[6]。因此，在电路中加入二极管D11，D22两个箝位二极管。DR1～DR4构成全桥整流电路，滤除副边输出中的交流部分。

2.1 高频变压器的设计

设计中考虑到小型化和低损耗，应使变压器在要求的输出电压及输出负载范围内不饱和，同时其损耗最低。一般铁氧体磁性材料的饱和磁通为0.3～0.4 T之间[7]，本文中选定工作磁通密度Bw=0.15 T，金属叠片铁芯，电流密度比例系数Kj=366 A/cm3。用面积乘积（AP）法公式进行估算，选取磁性材料编号。

2.2 主功率开关管

通过对移相控制ZVS PWM全桥变换电路的分析，可知开关管承受的最大电压为VBus（max）=390 V。开关管中流过的最大电流为原边电流的最大值，考虑一定余量，此处选用Infineon公司的SPW47N60C3。

2.3 谐振电感设计endprint

滞后桥臂开关管零电压开通时，所需能量仅由谐振电感单独提供。为了实现滞后桥臂的软开关，开关管驱动信号的死区时间要小于或等于[14]的谐振周期[8]，设计滞后桥臂死区时间为700 ns及原边电流大于3.6 A能够实现ZVS，谐振电感值须同时满足下式：

2.4 控制电路设计

控制电路芯片选择美国TI公司生产的UCC3895。该芯片对两个半桥电路进行移相控制，其特点为4个输出端可以分别驱动两个半桥，而且都能单独通过外围元器件设置死区时间。

3 高压脉冲主电路设计

图4为n级全固态Marx发生器，每一级电路包含了IGBT管、储能电容和快恢复二极管。Marx电路工作过程分为并联充电、串联放电两个部分[9]。充电阶段，IGBT管全部关断，二极管导通，此时的储能电容C1～Cn处于并联状态，整流后的正向电源通过充电限流电感L，流向储能电容，使电容电压都达到充电电源电压Vin。放电阶段，在脉冲驱动下，所有IGBT管同时导通，因此，电容器通过IGBT开关串联在一起向负载进行高压脉冲放电，其值等于所有电容器电压之和nVin。二极管反向截止对级间以及每级电路内部进行电压隔离，相较与传统隔离电阻能减少很多热损耗。

3.1 开关管及二极管的选择

根据充电电压等级及经济性的要求[10]，本电路IGBT采用Fairchild公司生产的FGA50N60LS，其额定电压VCE为600 V，额定电流IC为100 A。

隔离二极管的选取应该考虑其可承受的最大反向电压及正向导通电流。Marx发生器主电路放电时，二极管的最高隔离电压为400 V，所以其可承受的最大反向电压应大于400 V。同时考虑Marx发生器在最大功率下的充电电流，为了保证电路的可靠性并提高充电效率，选用APT公司的APT40DQ60BG快恢复二极管。

3.2 电感值的选择

充电时，电容的充电时间tC可按下式计算：

4 实 验

实验中使用电晕等离子放电装置作为负载对电源系统进行实验，将高压脉冲电源系统分为4层，每层包含7个Marx电路。通过调整半导体开关的导通时间可以得到不同脉宽的输出脉冲电压，图6为不同脉宽的输出电压波形。

5 结 论

本文设计了一种纳秒级高压脉冲电源，采用移向控制技术，使变换器主开关管实现了ZVS，降低了整个系统的开关损耗。Marx发生器采用全固态器件，并用集中式限流电感进行隔离，电路结构紧凑。实验结果表明可输出最高幅值为10 kV、脉冲宽度500 ns～1 μs可调的高压窄脉冲，脉冲前沿时间为50 ns。

参考文献

[1] 刘克富，赵海洋，邱剑.快脉冲放电等离子体用于难降解污水处理[J].高电压技术，2009，35（1）：12?16.

[2] 吴异凡.基于全固态器件串并联技术的脉冲功率电源[D].武汉：华中科技大学，2007.

[3] 皱晓兵，朱宏林，曾乃工.纳秒级高压快脉冲发生器的研制[J].高电压技术，2011，37（3）：787?792.

[4] DAS P， PAHLEVANINEZHAD M， DROBNIK J， et al. A nonlinear controller based on a discrete energy function for an AC/DC Boost PFC converter [J]. IEEE transactions on power electronics， 2013， 28（12）： 5458?5476.

[5] 王志隆.具有功率因数校正和软开关技术开关电源设计[D].西安：西安科技大学，2009.

[6] 王英武，王俊峰，刘佑宝.DC/DC变换器小信号建模与补偿网络设计[J].电力电子技术，2009，43（3）：26?28.

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[8] 程红，王聪，王俊.开关变换器建模、控制及其控制器的数字实现[M].北京：清華大学出版社，2013.

[9] 雷宇，邱剑，刘克富.150 kV全固态高压脉冲发生器设计[J].强激光与离子束，2012，24（3）：673?677.

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