CN103178743B

CN103178743B - 两次升压式的高压脉冲电源

Info

Publication number: CN103178743B
Application number: CN201310124227.2A
Authority: CN
Inventors: 王剑平; 江婷婷; 王海军; 黄康; 盖玲
Original assignee: Zhejiang University ZJU
Current assignee: Zhejiang University ZJU
Priority date: 2013-04-10
Filing date: 2013-04-10
Publication date: 2015-06-10
Anticipated expiration: 2033-04-10
Also published as: CN103178743A

Abstract

本发明公开了一种两次升压式的高压脉冲电源。包括主电路和控制电路；其中：主电路中的220V交流电依次与整流电路、滤波电路、Boost电路、逆变电路、脉冲变压器和脉冲整流电路连接，最后由脉冲整流电路输出高压脉冲；控制电路中的DSP系统发出的三路PWM信号，通过各自的PWM放大电路后与三个驱动电路相连，一路PWM信号用于控制Boost 电路中的IGBT，另外两路PWM信号用于控制逆变电路中的IGBT；Boost电路和逆变电路还设有IGBT保护电路，当IGBT出现故障时，通过IGBT保护电路将故障信号输入DSP，DSP立即中断PWM信号的发出，使IGBT处于关断状态，从而保护整个系统。

Description

两次升压式的高压脉冲电源

技术领域

本发明涉及一种高压脉冲电源，尤其是涉及一种两次升压式的高压脉冲电源。

背景技术

脉冲功率具有这样的特点：它将储存的能量以电能的形式，用单脉冲或重复频率的短脉冲方式加到负载上。脉冲功率技术被成功地应用于很多领域的原因是它能够获得其他方法所不能达到或很难达到的效果。

第二次大战以后，脉冲功率技术在军事应用需求的推动下不断取得进展，主要在于脉冲功率武器的研制和模拟与诊断工具的开发。近年来的脉冲功率技术广泛应用在雷达发射机、高压脉冲电场杀菌、绝缘材料电脉冲破碎等一系列军工、能源、材料、生物领域。

目前大部分高压脉冲设备都是采用脉冲变压器升压的方法实现，电路结构基本一致，难点是变压器的绕制，而且带负载后的脉冲波形不是很理想。这种方法具有它的局限性：脉宽受磁滞限制，功率受磁芯发热限制，因此功率普遍较小，脉宽可调范围窄。

纳米晶、非晶软磁磁芯，具有高磁感应强度、高磁导率、低铁芯损耗和高频特性好等优良综合磁电特性，比铁氧体、硅钢和坡莫合金等常规软磁材料具有更高的性能价格比，广泛用于现代通讯、电力电子、电磁兼容、传感器等高新产业以及各种工业磁器件产品的更新换代，特别适用于电感和变压器产品的小型化、高频化和高效化设计，具有非常良好的发展前景。

型号为TMS320F28335的DSP系统是TI公司的一款TMS320C28X系列浮点DSP控制器。与以往的定点DSP相比，该器件的精度高，成本低，功耗小，性能高，外设集成度高，数据以及程序存储量大，A/D转换更精确快速等，而且该型号的DSP系统的浮点控制器与TI前代领先数字信号控制器相比，性能平均提高50%，与作用相当的32位定点技术相比，快速傅立叶转换（FFT）等复杂计算算法采用新技术后性能提升了一倍之多。

发明内容

本发明的目的在于提供一种两次升压式的高压脉冲电源发生电路，该电路可以实现电压的两次升压，最后输出40kV左右的单极性高压脉冲。

为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

本发明包括主电路和控制电路，其中：

1）主电路：包括整流电路、滤波电路、Boost电路、逆变电路、缓冲电路、脉冲变压器和脉冲整流电路；220V交流电依次与整流电路、滤波电路、Boost电路、逆变电路、脉冲变压器和脉冲整流电路连接，最后由脉冲整流电路输出高压脉冲，逆变电路还与缓冲电路连接；

2）控制电路：包括DSP系统、三个PWM放大电路、三个IGBT驱动电路和IGBT保护电路；DSP系统发出三路PWM信号，通过各自的PWM放大电路后与各自的IGBT驱动电路相连，一路PWM信号用于控制Boost电路中的IGBT，另外两路PWM信号分别用于控制逆变电路中两个桥臂上的IGBT；Boost电路和逆变电路与DSP系统之间连接IGBT保护电路。

所述的主电路中的整流电路用四个整流二极管D1～D4进行整流，再接到滤波电路；滤波电路用两个并联的电解电容C1、C2进行滤波；由此输出的直流电与Boost电路相连，进行一次升压；Boost电路中的开关管由四个串联的IGBT Q1～Q4组成；Boost电路输出的直流电连接到逆变电路作为其电源；逆变电路由8个IGBT组成，其中的4个IGBT Q5，Q6、Q9和Q10构成一个桥臂，其余的四个IGBT Q7、Q8、Q11和Q12构成另一个桥臂，逆变电路中的IGBT都设有缓冲电路；逆变电路的输出与脉冲变压器的初级相连，进行二次升压；脉冲变压器是由n个铁基纳米晶磁环串联组成，每个磁环的初级都是独立的，分别与逆变电路的输出相连，次级用耐压值为50kV的硅橡胶线串联连接；脉冲变压器次级输出的电压通过脉冲整流电路后输出单极性的高压脉冲。

所述的控制电路中的DSP系统发出的三路PWM信号，分别为PWM1、PWM2和PWM3；PWM1、PWM2和PWM3分别通过型号均为TLP250的光耦U1、U10和U19进行信号放大，再由各自的光耦6脚输出；PWM1信号作为Boost电路中四个串联的IGBTQ1、Q2、Q3和Q4的控制信号，与第一个IGBT驱动电路相连；第一个IGBT驱动电路由四个型号均为M57962L的驱动芯片U3、U5、U7和U9及其外围电路组成；驱动芯片U3的14脚通过电阻R11与光耦U1的6脚相连，驱动芯片U3的13脚与驱动芯片U5的14脚相连，驱动芯片U5的13脚与驱动芯片U7的14脚相连，驱动芯片U7的13脚与驱动芯片U9的14脚相连；驱动芯片U9的13脚与光耦U1的5脚相连；每个驱动芯片都有两个供电电源，电压大小分别为15V和10V；15V电源的负极和10V电源的正极相连，15V电源的正极接到驱动芯片的4脚，10V电源的负极接到驱动芯片的6脚；每个驱动芯片的4脚通过限流电阻与相应的型号为TLP521-1的光耦的1脚相连，驱动芯片的8脚与相应光耦的2脚相连；PWM2和PWM3信号分别作为逆变电路中两个桥臂上8个IGBT的控制信号，PWM2信号作为逆变电路中其中一个桥臂的4个IGBT Q5、Q6、Q9、Q10的控制信号，与第二个IGBT驱动电路相连，第二个驱动电路由四个型号均为M57962L的驱动芯片U12、U14、U16和U18及其外围电路组成，驱动芯片U12、U14、U16、U18的接法与驱动芯片U3、U5、U7、U9的接法相同；PWM3信号作为逆变电路中另一个桥臂的四个IGBT Q7、Q8、Q11、Q12的控制信号，与第三个IGBT驱动电路相连，第三个驱动电路由四个型号均为M57962L的驱动芯片U21、U23、U25、U27及其外围电路组成，驱动芯片U21、U23、U25、U27的接法与驱动芯片U3、U5、U7、U9的接法相同；每个驱动芯片M57962L都有三个输出端，第一个输出端是M57962L的1脚，通过稳压管和二极管与相应的IGBT的集电极相连，第二个输出端是M57962L的5脚，通过栅极电阻与相应的IGBT的栅极相连，第三个输出端是M57962L的两个供电电源连接处，与相应的IGBT的发射极相连；IGBT保护电路由型号为CD4072的四输入或门芯片U28、型号为CD4078的八输入或门芯片U29和型号为CD4071二输入或门芯片U30组成；IGBT Q1、Q2，Q3、Q4的故障信号由光耦U2、U4、U6、U8的3脚输出，分别作为四输入或门芯片U28的输入信号，IGBTQ5，Q6、Q9、Q10、Q7、Q8、Q11、Q12的故障信号分别由光耦U11、U13、U15、U17、U20、U22、U24、U26的3脚输出，分别作为八输入或门芯片U29的输入信号，或门芯片U28的1脚和或门芯片U29的1脚输出的信号分别作为二输入或门芯片U30的输入信号，或门芯片U30的3脚的输出信号接到DSP系统。

本发明具有的有益效果是：

1、采用两次升压的方法产生高压脉冲，在整流、滤波后利用Boost电路进行一次升压，提高了变压器初级的输入电压，可有效减少串联的脉冲变压器的个数，以减少整个系统的体积。

2、利用多个铁基纳米晶磁环次级串联连接的方式绕制的脉冲变压器，可以大大减小对变压器功率的要求，而且相较于传统的以铁氧体等常规材料作为磁芯绕制的脉冲变压器，可大大减少绕组匝数，实现变压器的小型化。

3、Boost电路和逆变电路的控制信号都由DSP系统发出，可以减少高压脉冲对PWM控制信号的干扰。

4、每个IGBT都设有保护电路，能够实时地采集各个IGBT的故障信号，并反馈回DSP系统，使DSP系统立即中断PWM信号的发出，及时关断IGBT，从而有效地保护整个高压脉冲电源系统。

5、Boost电路和逆变电路均采用多个IGBT串联连接的方式作为开关作用，可解决单个IGBT耐压值有限的问题。

附图说明

图1是本发明的系统结构框图。

图2是本发明的主电路图。

图3是本发明的脉冲变压器连接方式图。

图4是本发明控制单元中Boost电路的IGBT驱动电路图。

图5是本发明控制单元中逆变电路一个桥臂的IGBT驱动电路图。

图6是本发明控制单元中逆变电路另一个桥臂的IGBT驱动电路图。

图7是本发明控制单元中的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所示，本发明包括主电路和控制电路，其中：

1）主电路：包括整流电路、滤波电路、Boost电路、逆变电路、缓冲电路、脉冲变压器和脉冲整流电路。220V的交流电经整流和滤波后通过Boost电路进行一次升压，再依次接逆变电路和脉冲变压器的初级，进行二次升压，变压器次级的输出经过脉冲整流后产生高压脉冲。

2）控制电路：包括DSP系统、PWM放大电路、驱动电路和保护电路。DSP系统发出的三路PWM信号，通过各自的PWM放大电路后与各自的IGBT驱动电路相连，一路PWM信号用于驱动Boost 电路中的IGBT，另外两路PWM信号分别用于驱动逆变电路中两个桥臂上的IGBT；Boost电路和逆变电路与DSP系统之间连接IGBT保护电路。当Boost电路和逆变电路中的任何一个IGBT出现故障时，通过保护电路将故障信号输入DSP，DSP立即中断PWM信号的发出，使IGBT处于关断状态，从而保护整个系统。其中的IGBT为绝缘栅极双晶体管（Insulated Gate Bipolar Transistor）。

如图2所示，本发明主电路中的整流电路用四个整流二极管D1～D4进行整流，再接到滤波电路；滤波电路用两个并联的电解电容C1、C2进行滤波；由此可输出大小为300V左右的直流电压，此电压作为Boost电路的输入电压，进行一次升压；Boost电路中的开关管由4个串联的IGBT Q1、Q2，Q3、Q4组成，型号均为K40T1202；Boost电路输出的直流电连接到逆变电路作为其电源；逆变电路由8个IGBT Q5，Q6、Q7、Q8、Q9、Q10、Q11、Q12组成，其中的四个IGBT Q5，Q6、Q9、Q10构成一个桥臂，另外四个 IGBT Q7、Q8、Q11、Q12构成另一个桥臂，IGBT的型号均为G60T120，该型号的IGBT内部集成了一个二极管，可做续流用；每个IGBT都接有RCD缓冲电路，可有效抑制IGBT的过压、过流现象，并减少开关损耗；逆变电路将Boost电路的输出电压转化为正负交替的双极性脉冲，再与脉冲变压器的初级相连，进行二次升压；脉冲变压器次级输出的双极性高压脉冲，再接到脉冲整流电路，该电路由多个整流二极管D14～Dn和保护电阻R1组成，对双极性脉冲进行半波整流，最后输出40kV左右的单极性高压脉冲。

如图3所示，本发明的脉冲变压器是由n个铁基纳米晶磁环串联组成，每个磁环的初级都是独立的，分别与逆变电路的输出相连，次级用耐压值为50kV的硅橡胶线串联连接。

如图4、图5、图6所示，本发明控制单元中的三个驱动电路分别为Boost电路和逆变电路中两个桥臂的驱动电路。DSP系统发出的三路PWM信号，分别为PWM1、PWM2和PWM3；PWM1信号的频率为f1，占空比为d1，经PWM放大电路后与IGBT的驱动电路相连，用于控制Boost电路中的IGBT Q1、Q2，Q3、Q4的通断，实现电路的一次升压；PWM2和PWM3的频率均为f2，占空比均为d2，PWM2和PWM3的时序差为1/(2*f2)，分别通过各自的PWM放大电路后与各自的IGBT驱动电路相连，分别用于控制逆变电路中其中一个桥臂的四个IGBT Q5，Q6、Q9、Q10和另一个桥臂的四个IGBTQ7、Q8、Q11、Q12的通断。

如图4、图5、图6所示，本发明的Boost电路和逆变电路的三个驱动电路具有相同的电路结构，每个驱动电路都是由IGBT的专用驱动芯片M57962L及其外围电路组成。PWM1信号通过光耦TLP250放大后都通过电阻R11与第一个M57962L的14脚相连，第一个M57962L的13脚与第二个M57962L的14脚相连，第二个M57962L的13脚与第三个M57962L的14脚相连，第三个M57962L的13脚与第四个M57962L的14脚相连，第四个M57962L的13脚再接到相应的TLP520的5脚，以此实现每个驱动电路中四个M57962L的串联连接；每个M57962L都采用双电源供电，大小分别为15V和10V；每个驱动芯片M57962L都有三个输出端，第一个输出端是M57962L的1脚，通过稳压管和二极管组成的过流检测电路与相应的IGBT的集电极相连，第二个输出端是M57962L的5脚，通过栅极电阻与相应的IGBT的栅极相连，第三个输出端是M57962L的两个供电电源连接处，与相应的IGBT的发射极相连。

如图6所示，IGBT保护电路由型号为CD4072的四输入或门芯片U28、型号为CD4078的八输入或门芯片U29和型号为CD4071二输入或门芯片U30组成；Q1、Q2，Q3、Q4的故障信号由光耦U2、U4、U6、U8的3脚输出，分别作为四输入或门芯片U28的输入信号，与U28的2脚、3脚、4脚、5脚相连，Q5，Q6、Q9、Q10、Q7、Q8、Q11、Q12的故障信号分别由光耦U11、U13、U15、U17、U20、U22、U24、U26的3脚输出，分别作为八输入或门芯片U29的输入信号，与U29的2脚、3脚、4脚、5脚、9脚、10脚、11脚、12脚相连，U28的1脚和U29的1脚输出的信号分别作为二输入或门芯片U30的输入信号，与U30的1脚、2脚相连，U30的3脚输出的信号接到DSP系统。当Q1、Q2，Q3、Q4、Q5，Q6、Q9、Q10、Q7、Q8、Q11、Q12都正常工作时，输入到DSP系统的为低电平，当其中的任何一个IGBT出现故障时，相应的光耦TLP521-1工作，最终输入到DSP系统的为高电平，DSP系统将立即中断三路PWM信号的发出，关掉所有的IGBT，从而保护整个电源系统。

本发明的工作过程如下：

220V的交流电通过整流滤波后变为300V左右的直流电，该直流电作为Boost电路的输入电压，通过Boost电路进行一次升压，由此得到的直流电再与逆变电路相连，作为其电源，逆变电路输出大小与Boost电路输出电压值相等的正负交替的双极性脉冲，该脉冲通过脉冲变压器进行二次升压，在脉冲变压器的次级输出大小为40kV左右的双极性高压脉冲，再通过大功率整流二极管和保护电阻进行半波整流后，最后输出40kV左右的单极性高压脉冲。

Boost电路和逆变电路的控制信号都由型号为TMS320F28335的DSP系统发出。该DSP系统发出的三路PWM信号分别为PWM1、PWM2和PWM3，其中PWM1信号用于控制Boost电路中的IGBT的通断，PWM2和PWM3信号用于控制逆变电路中的IGBT的通断。PWM1信号的频率为f1，占空比为d1，将此信号通过TLP250放大后与Boost电路的IGBT驱动电路连接，驱动Boost电路中4个串联的IGBTQ1、Q2、Q3、Q4，Boost电路输出电压与输入电压的比值为1/(1-d1)，通过调整PWM1的占空比d1，可实现一次升压。PWM2和PWM3的频率均为f2，占空比均为d2，PWM2和PWM3的时序差为1/(2*f2)，分别用于控制逆变电路中其中一个桥臂的四个IGBT Q5，Q6、Q9、Q10和另一个桥臂的四个IGBTQ7、Q8、Q11、Q12的通断，PWM1和PWM2通过TLP250放大后分别与各自桥臂的驱动电路相连，分别驱动逆变电路中相应的IGBT，逆变电路输出大小与Boost输出电压值相等、正负脉宽为d2、频率为f2的双极性脉冲。

IGBT保护电路由型号为CD4072的四输入或门芯片U28、型号为CD4078的八输入或门芯片U29和型号为CD4071二输入或门芯片U30组成；Q1、Q2，Q3、Q4的故障信号由光耦U2、U4、U6、U8的3脚输出，作为或门芯片CD4072的输入信号，当Q1、Q2，Q3、Q4都正常工作时，相应的光耦TLP521-1不工作，3脚输出低电平，或门芯片U28的1脚输出低电平，当其中的任何一个IGBT出现故障时，相应的光耦TLP521-1开始工作，3脚输出高电平，或门芯片U28的1脚由低电平变为高电平； Q5，Q6、Q9、Q10、Q7、Q8、Q11、Q12的故障信号分别由光耦U11、U13、U15、U17、U20、U22、U24、U26的3脚输出，作为或门芯片CD4078的输入信号，当Q5，Q6、Q9、Q10、Q7、Q8、Q11、Q12都正常工作时，芯片U29的1脚输出低电平，当其中的任何一个IGBT出现故障时，相应的光耦TLP521-1开始工作，3脚输出高电平，或门芯片U29的1脚由低电平变为高电平；U28 的1脚输出的信号和U29 的1脚输出的信号作为芯片U30的输入信号， U30的输出端3脚再接到DSP系统；当Q1、Q2，Q3、Q4、Q5，Q6、Q9、Q10、Q7、Q8、Q11、Q12都正常工作时，U30输出低电平，输入到DSP系统的信号为低电平，DSP继续发出三路PWM信号，整个电源系统正常工作；当其中的任何一个IGBT出现故障时，U28和U29中至少有一个输出高电平，U30的输出将由低电平变为高电平，输入到DSP系统的信号也由低电平变为高电平，DSP系统将立即中断三路PWM信号的发出，关断所有的IGBT，从而保护整个电源系统。

Claims

1.一种两次升压式的高压脉冲电源，其特征在于，包括主电路和控制电路；其中：

2）控制电路：包括DSP系统、三个PWM放大电路、三个IGBT驱动电路和IGBT保护电路；DSP系统发出三路PWM信号，通过各自的PWM放大电路后与各自的IGBT驱动电路相连，一路PWM信号用于控制Boost电路中的IGBT，另外两路PWM信号分别用于控制逆变电路中两个桥臂上的IGBT；Boost电路和逆变电路与DSP系统之间连接IGBT保护电路；

所述的主电路中的整流电路用四个整流二极管D1～D4进行整流，再接到滤波电路；滤波电路用两个并联的电解电容C1、C2进行滤波；由此输出的直流电与Boost电路相连，进行一次升压；Boost电路中的开关管由四个串联的IGBT Q1～Q4组成；Boost电路输出的直流电连接到逆变电路作为其电源；逆变电路由8个IGBT组成，其中的4个IGBT Q5，Q6、Q9和Q10构成一个桥臂，其余的四个IGBT Q7、Q8、Q11和Q12构成另一个桥臂，逆变电路中的IGBT都设有缓冲电路；逆变电路的输出与脉冲变压器的初级相连，进行二次升压；脉冲变压器是由n个铁基纳米晶磁环组成，每个磁环的初级都是并联的，分别与逆变电路的输出相连，次级用耐压值为50kV的硅橡胶线串联连接；脉冲变压器次级输出的电压通过脉冲整流电路后输出单极性的高压脉冲。

2. 根据权利要求1所述的一种两次升压式的高压脉冲电源，其特征在于：所述的控制电路中的DSP系统发出的三路PWM信号，分别为PWM1、PWM2和PWM3；PWM1、PWM2和PWM3分别通过型号均为TLP250的光耦U1、U10和U19进行信号放大，再由各自的光耦6脚输出；PWM1信号作为Boost电路中四个串联的IGBTQ1、Q2、Q3和Q4的控制信号，与第一个IGBT驱动电路相连；第一个IGBT驱动电路由四个型号均为M57962L的驱动芯片U3、U5、U7和U9及其外围电路组成；驱动芯片U3的14脚通过电阻R11与光耦U1的6脚相连，驱动芯片U3的13脚与驱动芯片U5的14脚相连，驱动芯片U5的13脚与驱动芯片U7的14脚相连，驱动芯片U7的13脚与驱动芯片U9的14脚相连，驱动芯片U9的13脚与光耦U1的5脚相连；每个驱动芯片都有两个供电电源，电压大小分别为15V和10V；15V电源的负极和10V电源的正极相连，15V电源的正极接到驱动芯片的4脚，10V电源的负极接到驱动芯片的6脚；每个驱动芯片的4脚通过限流电阻与相应的型号为TLP521-1的光耦的1脚相连，驱动芯片的8脚与相应光耦的2脚相连；PWM2和PWM3信号分别作为逆变电路中两个桥臂上8个IGBT的控制信号，PWM2信号作为逆变电路中其中一个桥臂的4个IGBT Q5、Q6、Q9、Q10的控制信号，与第二个IGBT驱动电路相连，第二个驱动电路由四个型号均为M57962L的驱动芯片U12、U14、U16和U18及其外围电路组成，驱动芯片U12、U14、U16、U18的接法与驱动芯片U3、U5、U7、U9的接法相同；PWM3信号作为逆变电路中另一个桥臂的四个IGBT Q7、Q8、Q11、Q12的控制信号，与第三个IGBT驱动电路相连，第三个驱动电路由四个型号均为M57962L的驱动芯片U21、U23、U25、U27及其外围电路组成，驱动芯片U21、U23、U25、U27的接法与驱动芯片U3、U5、U7、U9的接法相同；每个驱动芯片M57962L都有三个输出端，第一个输出端是M57962L的1脚，通过稳压管和二极管与相应的IGBT的集电极相连，第二个输出端是M57962L的5脚，通过栅极电阻与相应的IGBT的栅极相连，第三个输出端是M57962L的两个供电电源连接处，与相应的IGBT的发射极相连；IGBT保护电路由型号为CD4072的四输入或门芯片U28、型号为CD4078的八输入或门芯片U29和型号为CD4071二输入或门芯片U30组成；IGBT Q1、Q2，Q3、Q4的故障信号由光耦U2、U4、U6、U8的3脚输出，分别作为四输入或门芯片U28的输入信号，IGBTQ5，Q6、Q9、Q10、Q7、Q8、Q11、Q12的故障信号分别由光耦U11、U13、U15、U17、U20、U22、U24、U26的3脚输出，分别作为八输入或门芯片U29的输入信号，或门芯片U28的1脚和或门芯片U29的1脚输出的信号分别作为二输入或门芯片U30的输入信号，或门芯片U30的3脚的输出信号接到DSP系统。