CN103036469A

CN103036469A - 高压脉冲电源

Info

Publication number: CN103036469A
Application number: CN2012105317593A
Authority: CN
Inventors: 王剑平; 江婷婷; 余琳; 黄康; 王海军; 盖玲
Original assignee: Zhejiang University ZJU
Current assignee: Zhejiang University ZJU
Priority date: 2012-12-07
Filing date: 2012-12-07
Publication date: 2013-04-10
Anticipated expiration: 2032-12-07
Also published as: CN103036469B

Abstract

本发明公开了一种高压脉冲电源。包括高压直流电源、储能电容、STC89C52单片机、MOSFET开关电路、多个IGBT串联电路、与IGBT相等个数的电流互感器、与IGBT相等个数的IGBT驱动电路和与IGBT相等个数的IGBT保护电路。本发明利用STC89C52单片机输出的PWM信号作为控制信号，调节PWM的占空比和频率，实现对IGBT通断中脉宽和频率的调节；与IGBT相等个数的电流互感器都具有一个初级和两个次级，采用初级串联连接、次级独立输出的连接方式，两个次级的输出分别作为IGBT驱动芯片EXB841的驱动信号和供电电压，既可实现对每个驱动芯片的独立驱动，又可实现低压侧和高压侧的电隔离。

Description

高压脉冲电源

技术领域

本发明涉及一种高压脉冲电源，特别是适用于液态食品杀菌用的一种高压脉冲电源。

背景技术

工业化的食品杀菌技术自诞生以来，一直以热力杀菌为主，但这种方法会使一些热敏性的营养素和风味物质受到破坏。为了改进热力杀菌的不足之处，保持食品的新鲜和原味，近年来国内外出现了非热杀菌技术。目前研究中的非热杀菌技术有：超高压（High Pressure）技术、高压脉冲电场（High-voltage Pulsed Electric Fields）技术、辐照技术、超声波技术、脉冲磁场技术、臭氧杀菌技术等。

在众多的非热杀菌技术中，高压脉冲电场( High-voltage Pulsed Electric Fields) 灭菌技术因安全无害，具有传递均匀、处理时间短、能耗低等特点，在果汁等液态食品的加工中已显示出特有的优越性，具有良好的商业化前景。

脉冲形成网络由高压脉冲发生器和处理室组成，通过不同的负载匹配，可以产生不同的杀菌脉冲波形，目前较为普遍的有指数波和方波。而指数波有一部分电压下降缓慢且无杀菌作用，却会使电极和食品的温度升高，因此通常采用方波的脉冲输出形式。而陡前沿、窄脉冲（<10us）的方波对液体杀菌的效果更好。

20世纪80年代出现的半导体电力开关器件——绝缘栅双极型晶体管IGBT（Insulated Gate Bipolar Transistor）是一种复合器件，它的输入控制部分为MOSFET，输出级为双极结型晶体管，兼有MOSFET和电力晶体管快速响应、易于驱动、高输入阻抗和载流能力强的优点。但是IGBT的缺点在于单个IGBT的电压、电流允许值很难再提高，为了应用于高电压、大功率的领域，通常采用IGBT串联的方法。

IGBT串联使用作为一种有效提高IGBT耐压的方法，是一项电力电子在高压电气设备中应用的重要技术。在IGBT的串联过程中，由于个体结构的差异性以及触发装置的误差，实际应用中会产生串联器件之间电压分布不均的问题，这将大大影响器件的使用寿命和电路的工作效率，严重时会造成设备的损坏。因此，如何使串联的IGBT同时通断，是实现IGBT串联的关键技术。

IGBT伏安特性的差异会使串联IGBT工作在阻断状态时产生静态电压不均衡现象，而在IGBT的开通和关断瞬间，由于IGBT的栅极电荷和输出电容的不同，则会造成IGBT串联运行的动态电压不均衡。所以在IGBT串联使用中必须采取有效的静态和动态均压措施，这样才能最大程度地利用其耐压值，发挥其优势。

IGBT属电压驱动器件，具有2.5V~5V的阈值电压，当栅极和发射极之间电压(也称栅极电压)大于阈值电压时，IGBT处于正向导通状态，当栅极电压为零或者为负压时，IGBT处于关断状态。IGBT的栅极驱动电路影响其通态压降、开关时间、开关损耗、承受短路电流的能力等。

栅极电阻Rg和栅射电阻Rge也影响着IGBT的通断。Rg可以改善输入脉冲的前后沿陡度和防止震荡，增大Rg会延长IGBT的通断时间，增加通断损耗，而减少Rg会使di/dt增加，可能引起误导通。因此，Rg应根据开关频率和电流电压额定值选择，一般为几十至几百欧姆。当IGBT集射极间有高压时，很容易受外界干扰使栅极电压超过阈值电压引起器件误导通，在栅射极并接一栅射电阻Rge，可以避免这类情况发生。

脉冲宽度调制(PWM)是利用微处理器的数字输出来对模拟电路进行控制的一种非常有效的技术，广泛应用在从测量、通信到功率控制与变换的许多领域中。 STC89C52是一种低功耗、高性能的CMOS8位微控制器，拥有灵巧的8位CPU 和在系统可编程Flash，因此能够为众多嵌入式控制应用系统提供高灵活、有效的解决方案，通过合理的程序设计，可输出较为理想的PWM波形。

EXB系列模块是日本富士公司开发的针对IGBT的专用混合集成驱动电路，有高速型和标准型两种，其中高速型的驱动信号延迟时间最大为1.5us。内部有2500V高隔离电压的光耦合器，有过流保护电路和过流保护信号输出端子，同时采用单电源供电模式，使用方便。EXB841可大大简化IGBT驱动和保护电路的设计，同时也提高了可靠性。

当IGBT集射极间电压变化率dv/dt过高时，会引起IGBT发生动态锁定效应，甚至可能被击穿。另外，由于IGBT极间等效电容的存在，dv/dt过大还可能导致器件误导通，因此应合理设计关断缓冲放电电路。

为了防止过电压，主要措施：一是通过合理布线使引线电感降至最小；二是设置RCD吸收保护网络。在工作电流较大的情况下，为了减小关断过电压，应尽量减小主电路的布线电感；吸收电容器应采用低感型。大电感负载下，IGBT 的开关时间不能过短，以防止产生过高的尖峰感应电压，损坏IGBT。

发明内容

本发明的目的在于提供一种高压脉冲电源，该电源可以实现多个IGBT的串联，调节STC89C52单片机输出的PWM信号的频率和占空比，可以实现对输出高压脉冲脉宽和频率的调节，应用于液态食品杀菌能够满足非热杀菌的要求。

为实现上述目的，本发明采用的技术方案如下：

本发明包括高压直流电源、储能电容、STC89C52单片机、MOSFET开关电路、多个IGBT串联电路、与IGBT相等个数的电流互感器、与IGBT相等个数的IGBT驱动电路和与IGBT相等个数的IGBT保护电路；高压直流电源提供的电压，经与其并联的储能电容储能后，其正极与负载的一端相连，负载的另一端与第一个IGBT的集电极相连，第一个IGBT的发射极与第二个IGBT的集电极相连，以此类推，最后一个IGBT的发射极再接到高压直流电源的负极；STC89C52单片机输出的PWM信号依次与MOSFET开关电路和与IGBT相等个数的电流互感器相连；每个电流互感器都是由一个初级和两个独立的次级组成，并且采用初级串联连接，两个次级独立输出的连接方式，两个次级的输出都和与IGBT相等个数的各自驱动电路相连；每个IGBT的驱动电路均有三个输出端，第一个输出端与各自IGBT的集电极相连，第二个输出端与各自IGBT的栅极相连，第三个输出端与各自IGBT的发射极相连；与IGBT相等个数的保护电路的两端分别接到各自IGBT的集电极和发射极。

所述STC89C52单片机、MOSFET开关电路和与IGBT相等个数的电流互感器串联电路： STC89C52单片机输出的PWM信号通过电阻R1接到型号为TLP250的光耦U1的输入端2脚，光耦U1的输出端6脚通过栅极电阻R3与MOSFET的栅极相连；与IGBT相等个数的电流互感器都是由一个初级和两个独立的次级组成，并且采取初级用耐高压的硅橡胶线串联连接，两个次级独立输出的连接方式；初级串联的电流互感器的一端通过两个电阻R4、R5与MOSFET的漏极相连，并接到直流电源VDD的正极，另一端与MOSFET的源极相连，并接到直流电源VDD的负极；每个电流互感器的次级电路连接方法相同，其中：第一个电流互感器的一个次级与电阻R6、稳压二极管VS1和电容C4组成一个回路，并将稳压二极管VS1两端的电压作为IGBT驱动芯片EXB841的驱动信号，稳压二极管VS1的阴极通过一个电阻R12与IGBT驱动芯片EXB841的15脚相连，稳压二极管VS1的阳极与IGBT驱动芯片EXB841的14脚相连，另一个次级的输出与全桥整流电路、LC滤波电路相连，再和可变电阻R8和定值电阻R10相连，定值电阻R10与稳压二极管VS3并联，此稳压二极管VS3两端的电压作为IGBT驱动芯片EXB841的供电电压，稳压二极管VS3的阴极与IGBT驱动芯片EXB841的2脚相连，稳压二极管VS3的阳极与9脚相连。

所述与IGBT相等个数的IGBT驱动电路：均采用EXB841作为IGBT的驱动芯片，具有三个输出端，第一个输出端是芯片EXB841的6脚，通过过流检测电路与IGBT的集电极相连，第二个输出端是芯片EXB841的3脚，通过栅极保护电路与IGBT的栅极相连，第三个输出端是芯片EXB841的1脚，直接与IGBT的发射极相连，IGBT的栅极通过栅压限幅电路与发射极相连。

所述与IGBT相等个数的IGBT保护电路：均包括压敏电阻、缓冲电路、静态均压电路和动态均压电路；压敏电阻R17的两端分别与IGBT的集电极和发射极相连；缓冲电路由电阻R14、二极管VD3和电容C9组成；静态均压电路由静态分压电阻R15、R16组成；动态均压电路由动态均压电容C10、C11组成。

本发明具有的有益效果是：

1、利用STC89C52单片机输出的PWM信号作为控制信号，通过调节此信号的占空比和频率，可以实现对IGBT通断过程中脉宽和频率的调节。

2、使用具有一个初级和两个独立次级的电流互感器，并采取用耐高压的硅橡胶线将与IGBT相等个数的电流互感器初级串联连接、次级独立输出的连接方式，分别把两个次级输出的信号作为IGBT驱动芯片EXB841的驱动信号和供电电压，既可以实现对每个驱动芯片的独立驱动，以减少干扰，又可以有效地实现低压侧和高压侧的电隔离。

附图说明

图1是本发明的硬件系统结构框图。

图2是本发明的控制单元图。

图3是本发明的电流互感器连接方式图。

图4是本发明的IGBT驱动电路图。

图5是本发明的IGBT保护电路图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步的说明。

如图1、图3所示，本发明包括高压直流电源、储能电容、STC89C52单片机、MOSFET开关电路、多个IGBT串联电路、与IGBT相等个数的电流互感器、与IGBT相等个数的IGBT驱动电路和与IGBT相等个数的IGBT保护电路；高压直流电源提供的电压，经与其并联的储能电容储能后，其正极与负载的一端相连，负载的另一端与第一个IGBT的集电极相连，第一个IGBT的发射极与第二个IGBT的集电极相连，以此类推，最后一个IGBT的发射极再接到高压直流电源的负极；STC89C52单片机输出的PWM信号依次与MOSFET开关电路和与IGBT相等个数的电流互感器相连；每个电流互感器都是由一个初级和两个独立的次级组成，并且采用初级串联连接，两个次级独立输出的连接方式，两个次级的输出都和与IGBT相等个数的各自驱动电路相连；每个IGBT的驱动电路均有三个输出端，第一个输出端与各自IGBT的集电极相连，第二个输出端与各自IGBT的栅极相连，第三个输出端与各自IGBT的发射极相连；与IGBT相等个数的保护电路的两端分别接到各自IGBT的集电极和发射极。

如图2所示，所述控制单元：包括STC89C52单片机、MOSFET开关电路和与IGBT相等个数的电流互感器串联电路，STC89C52单片机输出的PWM信号通过电阻R1接到型号为TLP250的光耦U1的输入端2脚，光耦U1的输出端6脚通过栅极电阻R3与MOSFET的栅极相连；与IGBT相等个数的电流互感器都是由一个初级和两个独立的次级组成，并且采取初级用耐高压的硅橡胶线串联连接，两个次级独立输出的连接方式；初级串联的电流互感器的一端通过两个电阻R4、R5与MOSFET的漏极相连，并接到直流电源VDD的正极，另一端与MOSFET的源极相连，并接到直流电源VDD的负极；每个电流互感器的次级电路连接方法相同，其中：第一个电流互感器的一个次级与电阻R6、稳压二极管VS1和电容C4组成一个回路，并将稳压二极管VS1两端的电压作为IGBT驱动芯片EXB841的驱动信号，稳压二极管VS1的阴极通过一个电阻R12与IGBT驱动芯片EXB841的15脚相连，稳压二极管VS1的阳极与IGBT驱动芯片EXB841的14脚相连，另一个次级的输出与全桥整流电路、LC滤波电路相连，再和可变电阻R8和定值电阻R10相连，定值电阻R10与稳压二极管VS3并联，此稳压二极管VS3两端的电压作为IGBT驱动芯片EXB841的供电电压，稳压二极管VS3的阴极与IGBT驱动芯片EXB841的2脚相连，稳压二极管VS3的阳极与9脚相连。

如图4所示，所述与IGBT相等个数的IGBT驱动电路：均采用EXB841作为IGBT的驱动芯片，具有三个输出端，第一个输出端是芯片EXB841的6脚，通过过流检测电路与IGBT的集电极相连，第二个输出端是芯片EXB841的3脚，通过栅极保护电路与IGBT的栅极相连，第三个输出端是芯片EXB841的1脚，直接与IGBT的发射极相连，IGBT的栅极通过栅压限幅电路与发射极相连。

为解决EXB841存在保护盲区的问题，本发明采用一个过流检测电路，由超快恢复二极管VD1和稳压二极管ZD1组成。将EXB841的6脚接导通压降大一点的超快速恢复二极管ERA34-10，即图中所示的VD1，其导通电压为3V，并串联一个稳压二极管ZD1，可使实际过载电流小于EXB841的极限过载电流，并且可以通过检测IGBT集电极和发射极之间电压的高低来判断是否发生短路，若发生短路，通过内部电路使EXB841的3脚电压逐步下降，关断IGBT。

本发明的栅极保护电路采用不对称的开启和关断方法。在IGBT开通时，EXB841的3脚提供+15V的电压，电阻Rg2经二极管VD2和Rg1并联使Rg值较小。关断时，EXB841提供-5V电压，Rg=Rg1，此时Rg值较大，可以增大关断时间，减小过电压。

本发明的栅压限幅电路由电阻Rge、稳压二极管ZD2、ZD3组成。当IGBT集射极间有高压时，很容易受外界干扰，引起器件误导通。为避免这类情况发生，通常、在栅射极并接一电阻Rge，通常大小为五千至十千欧姆，而且放在离栅射极最近处为宜，另外在栅射极间并接2只反向串联的稳压二级管ZD2、ZD3组成限幅器，可以防止栅射极出现电压尖峰。　

为了提高EXB841软开关的可靠性，在EXB841的4脚和5脚直接接一个可调电阻R13，可调节软关断时间，同时在4脚和14脚直接接一个电容C6，可避免过高的di/dt产生的电压尖峰。

图中C7、C8的取值相同，对于EXB850和EXB840来说，取值为33uF，对于EXB851和EXB841来说，取值为47uF，该电容用来吸收由电源接线阻抗而引起的供电电压变化。

如图5所示，所述与IGBT相等个数的IGBT保护电路：均包括压敏电阻、缓冲电路、静态均压电路和动态均压电路；压敏电阻R17的两端分别与IGBT的集电极和发射极相连；缓冲电路由电阻R14、二极管VD3和电容C9组成；静态均压电路由静态分压电阻R15、R16组成；动态均压电路由动态均压电容C10、C11组成。

缓冲电阻R14的选取要满足两个方面的要求，一方面电阻值要足够大，以防止缓冲电容和寄生电感之间出现振荡；另一方面，电阻值要小，以保证电容上积累的电荷在一个开关周期内可泄放90% 以上。

缓冲二极管VD3应当选用过渡正向电压低、反向恢复时间短、反向恢复特性较软的规格。

动态电压的均衡由栅极条件及器件和电路的结构决定。在开通和关断瞬态，栅极辅助电路对先关断和后开通IGBT的栅极电荷进行了调节和控制，从而达到了均压的目的。

为了检测过电压，在IGBT开关瞬间，动态均压电容C10上的电压应保持基本不变，而动态均压电容C11上的电压应尽快跟随IGBT端电压的变化，因而动态均压电容C10的取值应远大于动态均压电容C11，取值大一百倍以上。

本发明的工作过程如下：

高压直流电源（50kV）提供的电压，经与其并联的储能电容储能后，其正极与负载的一端相连，负载的另一端与第一个IGBT的集电极相连，第一个IGBT的发射极与第二个IGBT的集电极相连，以此类推，最后一个IGBT的发射极再接到高压直流电源的负极；STC89C52单片机输出的PWM信号通过一个电阻R1接到光耦TLP250的输入端，将此信号进行隔离放大之后通过栅极电阻R3与MOSFET的栅极相连，以控制MOSFET的通断，此时MOSFET的开关频率与单片机输出的PWM信号的频率相等；直流电源VDD(500V)在MOSFET的开关作用下会相应地在与IGBT相等个数的电流互感器初级的两端产生大小相等、频率与MOSFET开关频率也即STC89C52单片机输出的PWM信号相等的方波；每个电流互感器都是由一个初级和两个独立的次级组成，因此每个电流互感器的两个次级都能产生一定大小、频率与初级频率相等的方波，其中一个次级输出的方波信号经过电阻降压和稳压二极管稳压后输出大小和频率稳定的PWM信号，此信号作为驱动芯片EXB841的驱动信号，多个串联的IGBT在此信号作用下同时开通和关断；另一个次级输出的信号通过一个全桥整流电路和滤波电路之后，可产生恒定大小的直流电压，此电压作为驱动芯片EXB841的供电电压；本发明最后可产生幅值与高压直流电源电压相当的高压脉冲电压（35kV），高压脉冲的正极由多个串联IGBT中最后一个IGBT的发射极发出，负极由储能电容的负极发出。

用EXB841驱动IGBT时，芯片6脚通过VD1和ZD1组成的过流检测电路与IGBT的集电极相连。通常IGBT在通过额定电流时导通压降为3.5V，一般而言，当导通压降大于3.5V时，已超过额定电流，EXB841的内部电路将使3脚的电压逐步下降，关断IGBT，从而保证IGBT的正常工作。

Claims

1.一种高压脉冲电源，其特征在于：包括高压直流电源、储能电容、STC89C52单片机、MOSFET开关电路、多个IGBT串联电路、与IGBT相等个数的电流互感器、与IGBT相等个数的IGBT驱动电路和与IGBT相等个数的IGBT保护电路；高压直流电源提供的电压，经与其并联的储能电容储能后，其正极与负载的一端相连，负载的另一端与第一个IGBT的集电极相连，第一个IGBT的发射极与第二个IGBT的集电极相连，以此类推，最后一个IGBT的发射极再接到高压直流电源的负极；STC89C52单片机输出的PWM信号依次与MOSFET开关电路和与IGBT相等个数的电流互感器相连；每个电流互感器都是由一个初级和两个独立的次级组成，并且采用初级串联连接，两个次级独立输出的连接方式，两个次级的输出都和与IGBT相等个数的各自驱动电路相连；每个IGBT的驱动电路均有三个输出端，第一个输出端与各自IGBT的集电极相连，第二个输出端与各自IGBT的栅极相连，第三个输出端与各自IGBT的发射极相连；与IGBT相等个数的保护电路的两端分别接到各自IGBT的集电极和发射极。

2.根据权利要求1所述的一种高压脉冲电源，其特征在于，所述STC89C52单片机、MOSFET开关电路和与IGBT相等个数的电流互感器串联电路： STC89C52单片机输出的PWM信号通过电阻R1接到型号为TLP250的光耦U1的输入端2脚，光耦U1的输出端6脚通过栅极电阻R3与MOSFET的栅极相连；与IGBT相等个数的电流互感器都是由一个初级和两个独立的次级组成，并且采取初级用耐高压的硅橡胶线串联连接，两个次级独立输出的连接方式；初级串联的电流互感器的一端通过两个电阻R4、R5与MOSFET的漏极相连，并接到直流电源VDD的正极，另一端与MOSFET的源极相连，并接到直流电源VDD的负极；每个电流互感器的次级电路连接方法相同，其中：第一个电流互感器的一个次级与电阻R6、稳压二极管VS1和电容C4组成一个回路，并将稳压二极管VS1两端的电压作为IGBT驱动芯片EXB841的驱动信号，稳压二极管VS1的阴极通过一个电阻R12与IGBT驱动芯片EXB841的15脚相连，稳压二极管VS1的阳极与IGBT驱动芯片EXB841的14脚相连，另一个次级的输出与全桥整流电路、LC滤波电路相连，再和可变电阻R8和定值电阻R10相连，定值电阻R10与稳压二极管VS3并联，此稳压二极管VS3两端的电压作为IGBT驱动芯片EXB841的供电电压，稳压二极管VS3的阴极与IGBT驱动芯片EXB841的2脚相连，稳压二极管VS3的阳极与9脚相连。

3.根据权利要求1所述的一种高压脉冲电源，其特征在于，所述与IGBT相等个数的IGBT驱动电路：均采用EXB841作为IGBT的驱动芯片，具有三个输出端，第一个输出端是芯片EXB841的6脚，通过过流检测电路与IGBT的集电极相连，第二个输出端是芯片EXB841的3脚，通过栅极保护电路与IGBT的栅极相连，第三个输出端是芯片EXB841的1脚，直接与IGBT的发射极相连，IGBT的栅极通过栅压限幅电路与发射极相连。

4.根据权利要求1所述的一种高压脉冲电源，其特征在于，所述与IGBT相等个数的IGBT保护电路：均包括压敏电阻、缓冲电路、静态均压电路和动态均压电路；压敏电阻R17的两端分别与IGBT的集电极和发射极相连；缓冲电路由电阻R14、二极管VD3和电容C9组成；静态均压电路由静态分压电阻R15、R16组成；动态均压电路由动态均压电容C10、C11组成。