高壓變頻器應(yīng)用中的若干問(wèn)題及對(duì)策

1 引言

　　目前，在大功率、高頻率、窄脈沖的應(yīng)用領(lǐng)域中利用的基本都是真空管，如：二次電子發(fā)射管、放電間隙開(kāi)關(guān)、觸發(fā)管、氫閘管等。主要研究方向是如何提高電真空器件的開(kāi)關(guān)速度，減小其觸發(fā)晃動(dòng)，研制與其相配的高速高壓驅(qū)動(dòng)電路。但是真空電子管這類器件存在損耗大、驅(qū)動(dòng)電路龐大、冷卻麻煩等缺點(diǎn)；同時(shí)，為了在速調(diào)管打火時(shí)對(duì)其進(jìn)行快速保護(hù)，還經(jīng)常需要在調(diào)制器中設(shè)置復(fù)雜的撬棒管及其觸發(fā)電路，這些問(wèn)題直接影響調(diào)制器的效率和可靠性［1］。近年來(lái)，由于半導(dǎo)體器件的電壓和功率等級(jí)不斷提升，相關(guān)技術(shù)也在逐步完善，為解決上述問(wèn)題創(chuàng)造了條件?；谠擁?xiàng)技術(shù)發(fā)展趨勢(shì)，本文設(shè)計(jì)了一種新型高壓快脈沖發(fā)生器。

2 輸出指標(biāo)和基本結(jié)構(gòu)

　　高電壓、快脈沖和高重復(fù)率是脈沖功率裝置的發(fā)展方向。高頻化是減小系統(tǒng)體積的一個(gè)有效途徑。本設(shè)計(jì)采用igbt做為主開(kāi)關(guān)器件，輸出脈沖電壓峰峰值為±5kv，頻率為1khz～10khz可調(diào)，脈沖前沿為200ns。

　　本高壓脈沖發(fā)生器的設(shè)計(jì)主要分為三部分：

　　（1）可調(diào)高壓直流發(fā)生器：我們使用工頻交流電為電源，在低壓部分經(jīng)過(guò)整流、逆變電路產(chǎn)生低壓脈沖，經(jīng)脈沖變壓器升壓，成為高壓脈沖再經(jīng)不可控整流為高壓直流。我們將其作為高壓直流電源提供給最后的高壓脈沖發(fā)生部分?？烧{(diào)高壓直流脈沖發(fā)生器結(jié)構(gòu)如圖1所示。

　　（2）高壓脈沖發(fā)生部分：將高壓直流電源提供的直流高壓送入可控開(kāi)關(guān)器件，產(chǎn)生我們所需要的高壓脈沖。

　?。?）高壓逆變控制和驅(qū)動(dòng)部分：控制高壓逆變過(guò)程中的開(kāi)關(guān)器件的開(kāi)通與關(guān)斷。在控制方面我們采用基于pwm控制方法的芯片sg3525。在驅(qū)動(dòng)電路方面，采用三菱公司的igbt專用驅(qū)動(dòng)芯片m57962l。

3 可調(diào)直流電壓發(fā)生電路的設(shè)計(jì)

　　3.1 低壓整流、逆變電路的設(shè)計(jì)

　　首先我們將工頻交流電整流，拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)選用的是半控橋式整流電路，開(kāi)關(guān)器件選用的是雙向晶閘管bta20。單相半控橋式整流電路整流電壓平均值公式如式（1）所示［5］：

　　ud=0.45×u2×（cosα+1） （1）

　　根據(jù)該公式，采用相位控制方式，即通過(guò)對(duì)低壓整流部分使用的晶閘管的開(kāi)通角進(jìn)行控制，得到幅值可調(diào)的直流低壓?？刂菩酒x用siemens公司的tca785相位控制專用芯片。同時(shí)，為了準(zhǔn)確的識(shí)別交流電壓零點(diǎn)，設(shè)計(jì)了零點(diǎn)識(shí)別電路。低壓整流及控制電路原理圖如圖2所示。

　　低壓逆變電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)采用半橋逆變電路，開(kāi)關(guān)器件選用電力場(chǎng)效應(yīng)管mosfet，型號(hào)為irf840。mosfet的快速關(guān)斷過(guò)程中，線路中由于配線等原因產(chǎn)生的電感中積蓄能量的釋放和輔助回路中續(xù)流二極管反向恢復(fù)而產(chǎn)生很高的浪涌電壓。我們采取加緩沖電路的形式抑制或減小浪涌電壓的幅值。本設(shè)計(jì)中緩沖電路為rcd關(guān)斷緩沖電路，用于吸收器件的關(guān)斷過(guò)電壓和換向過(guò)電壓，抑制du/dt，減小關(guān)斷損耗。

4　高壓脈沖形成電路的設(shè)計(jì)

　　高壓逆變電路的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)選擇電壓型半橋式逆變電路。由于經(jīng)過(guò)高壓整流后的直流電壓為10kv，所以電路中開(kāi)關(guān)管的每個(gè)橋臂耐壓等級(jí)都要在10kv以上，因此開(kāi)關(guān)器件要選擇耐壓高，動(dòng)作快的器件。目前，在高壓應(yīng)用中，igbt無(wú)疑是最好的選擇。盡管igbt的耐壓級(jí)別比mosfet要高很多，但是目前商用igbt的最大耐壓也不超過(guò)6500v，仍然也無(wú)法滿足我們的需要，同時(shí)igbt管隨著單管耐壓的提高，開(kāi)關(guān)損耗也增大，開(kāi)關(guān)速度也隨之下降，所以開(kāi)關(guān)橋臂決定采用串聯(lián)igbt以達(dá)到耐壓要求。最后我們選擇fuji公司的igbt作為主電路的開(kāi)關(guān)，型號(hào)為1mbh60-170，其最大關(guān)斷電壓為1700v，額定工作電流60a，飽和壓降vge（sat）為3.2v。在實(shí)際電路中，我們會(huì)在每個(gè)橋臂上個(gè)串聯(lián)上10個(gè)該型號(hào)的igbt。高壓逆變電路結(jié)構(gòu)圖如圖3所示。

　　igbt串聯(lián)使用的是一種較為有效的提高耐壓的方法，理論上在igbt器件參數(shù)、觸發(fā)時(shí)間相同的情況下，根據(jù)相應(yīng)的耐壓值，可以將任意多的器件進(jìn)行串聯(lián)使用以滿足實(shí)際需要，但在igbt串聯(lián)提高耐壓的同時(shí)也帶來(lái)了相應(yīng)的問(wèn)題。當(dāng)igbt處于關(guān)斷狀態(tài)時(shí)，漏電流較大的igbt的漏電阻較小，相應(yīng)承擔(dān)比較小的電壓，反之具有較高漏電阻的igbt將承受較大的電壓。這樣就導(dǎo)致斷態(tài)時(shí)igbt串聯(lián)組單元的電壓分配不均，有可能導(dǎo)致斷態(tài)時(shí)漏電阻較低igbt還未發(fā)揮其耐壓能力，而漏電阻較高的igbt則由于過(guò)電壓而毀壞。

　　igbt靜態(tài)均壓的目的是在阻斷狀態(tài)下，確保igbt串聯(lián)組單元的電壓均衡，我們采用在每個(gè)igbt單元兩端并聯(lián)電阻的方式實(shí)現(xiàn)。即若igbt兩端并聯(lián)的電阻r遠(yuǎn)小于igbt單元的漏電阻，則串聯(lián)igbt的電壓分配就主要取決于并聯(lián)電阻r的值。但是r值取得過(guò)小的話，流過(guò)電阻的電流就比較過(guò)大，導(dǎo)致電阻上消耗功率增大，所以r值取得又不能過(guò)小。選取合適均壓電阻r后，各igbt兩端電壓達(dá)到均衡，實(shí)現(xiàn)串聯(lián)igbt靜態(tài)均壓的目的［3］。

　　在igbt關(guān)斷的瞬間，由于igbt柵極電荷和輸出電容的不同，導(dǎo)致igbt的關(guān)斷速度有差異。柵極電荷少、輸出電容小的igbt容易關(guān)斷且關(guān)斷時(shí)間比較短，反之就比較長(zhǎng)。因此，最先關(guān)斷的igbt必然承受最高的動(dòng)態(tài)電壓，這就有可能導(dǎo)致igbt的過(guò)電壓毀壞。開(kāi)通時(shí)刻，因?yàn)橛|發(fā)裝置的誤差等原因，igbt串聯(lián)組單元的開(kāi)通時(shí)間也不可能完全一致，最后開(kāi)通的igbt必然承受最高的動(dòng)態(tài)電壓，這也可能導(dǎo)致igbt的過(guò)電壓毀壞。

　　igbt動(dòng)態(tài)均壓的目的是在igbt開(kāi)通和關(guān)斷狀態(tài)下，確保igbt串聯(lián)組單元的動(dòng)態(tài)電壓均衡。本文對(duì)于igbt動(dòng)態(tài)電壓不均衡的問(wèn)題是通過(guò)瞬態(tài)電壓抑制器，即tvs（transientvoltagesuppressor），型號(hào)為1.5ke200ca解決的。實(shí)際應(yīng)用中，我們將5個(gè)該型號(hào)的tvs串聯(lián)起來(lái)，并聯(lián)在igbt串聯(lián)組單元兩端來(lái)保證動(dòng)態(tài)電壓的均衡。加載均壓措施后的igbt串聯(lián)單元結(jié)構(gòu)如圖4所示［3］。

5 igbt的同步驅(qū)動(dòng)和高壓隔離

　　高壓脈沖發(fā)生電路中igbt是串聯(lián)應(yīng)用，所以對(duì)igbt串聯(lián)組各單元觸發(fā)信號(hào)的同步性，準(zhǔn)確性有著較高的要求。同時(shí)高壓逆變電路與控制電路的電壓級(jí)別相差很大，各個(gè)igbt單元都處于高電位，所以主電路與控制電路之間以及各個(gè)igbt驅(qū)動(dòng)電路之間必須采取相應(yīng)的隔離措施。

　　為了實(shí)現(xiàn)控制電路和主電路之間的電隔離，我們使用光纖連接器來(lái)實(shí)現(xiàn)驅(qū)動(dòng)控制信號(hào)的傳遞。整個(gè)光纖連接系統(tǒng)主要由光發(fā)射端、光接收端、光驅(qū)動(dòng)器和光纖4部分組成。其工作原理與光耦基本一致。即光發(fā)送器中的發(fā)光二極管發(fā)出的pwm光信號(hào)進(jìn)入光纖，沿著光纖到光接受端，然后由檢測(cè)器將光信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字輸出信號(hào)，從而完成信號(hào)的傳輸過(guò)程?，F(xiàn)在市場(chǎng)上的光纖收發(fā)器產(chǎn)品以安捷倫（agilent）公司的較多。通過(guò)比較，決定選用型號(hào)為hfbr-2524、hfbr-1524的光纖收發(fā)器，其1mbd的信號(hào)傳輸率足以滿足傳遞pwm信號(hào)的需要［6］?？刂婆c光纖連接電路原理圖如圖5所示。

　　針對(duì)igbt的驅(qū)動(dòng)，國(guó)外許多公司都設(shè)計(jì)制造了專用的ic芯片，通過(guò)以上對(duì)于igbt驅(qū)動(dòng)的分析，我們最終選擇三菱公司的專用芯片m57962l作為igbt驅(qū)動(dòng)芯片。m57962l驅(qū)動(dòng)器能夠通過(guò)檢測(cè)igbt的飽和管壓降來(lái)確定igbt是否處于過(guò)壓狀態(tài)來(lái)保護(hù)igbt，其共有14根引腳，其中2、3、7、9、10、11、12腳為空腳。驅(qū)動(dòng)電路如圖6所示［3］。

　　輸出脈沖前沿波形圖如圖7所示，從圖沖我們可以看出，脈沖電壓在50.10μs從0v上升，到50.25μs前上升到5kv。上升時(shí)間為150ns左右。

6 結(jié)束語(yǔ)

　　輸出脈沖電壓波形如圖8所示，脈沖電壓幅值為±5kv，頻率為10khz，占空比約為40%。本文設(shè)計(jì)的高壓陡前沿脈沖發(fā)生器經(jīng)實(shí)驗(yàn)證明，輸出脈沖幅度為±5kv，頻率為1khz至10khz可調(diào)，脈沖前沿為150ns，達(dá)到設(shè)計(jì)要求。同時(shí)igbt串聯(lián)均壓?jiǎn)栴}得到基本解決，驅(qū)動(dòng)信號(hào)同步性得到改善。本脈沖發(fā)生器結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，造價(jià)較低廉，使用簡(jiǎn)單。但在運(yùn)行的可靠性，以及igbt的驅(qū)動(dòng)信號(hào)同步性上應(yīng)在未來(lái)的研究和實(shí)驗(yàn)中進(jìn)一步探索。