CN103199730A

CN103199730A - 基于555定时器控制的高压脉冲电源

Info

Publication number: CN103199730A
Application number: CN2013101242361A
Authority: CN
Inventors: 王剑平; 江婷婷; 黄康; 王海军; 盖玲
Original assignee: Zhejiang University ZJU
Current assignee: Zhejiang University ZJU
Priority date: 2013-04-10
Filing date: 2013-04-10
Publication date: 2013-07-10
Anticipated expiration: 2033-04-10
Also published as: CN103199730B

Abstract

本发明公开了一种基于555定时器控制的高压脉冲电源。高压直流电源的正极与64个串联的IGBT电路相连，64个串联的IGBT电路与负载的一端相连，负载的另一端接到高压直流电源的负极；555定时器电路输出的脉冲信号通过PWM放大电路后，与16路IGBT驱动电路相连，每路驱动电路驱动4个串联的IGBT；16路IGBT驱动电路通过64个故障检测电路和故障反馈电路后，与555定时器电路的输出端相连。本发明利用555定时器电路输出的脉冲信号控制IGBT的通断，最后可输出40kV左右的频率和占空比都可调的高压脉冲。

Description

基于555定时器控制的高压脉冲电源

技术领域

本发明涉及一种高压脉冲电源，特别是涉及一种基于555定时器控制的高压脉冲电源。

背景技术

在食品行业中，各种液态食品的保鲜问题是困扰行业发展的难题，其中以高蛋白含量的奶制品的灭菌最为严重，如豆奶、牛奶、酸奶等。采用传统的巴氏灭菌方法，条件温和但灭菌不彻底，而且会损害食品的风味及营养。

脉冲电场灭菌技术是将待灭菌液态物料采用泵送等方式流经设置有高强脉冲电场的处理器，微生物在极短时间内受强电场力作用后，细菌结构破坏，菌体死亡。该技术具有灭菌效果好，杀菌时间短、杀菌温度低、能耗小、对环境无污染等独到优点。

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。其中以陡前沿、窄脉冲（<10us）的方波对液体杀菌的效果较好。

随着电力电子技术的发展，一些新型的半导体开关被逐渐应用到脉冲功率技术中，绝缘栅极双晶体管（Insulated Gate Bipolar Transistor--IGBT）就是其中一种。IGBT是一种电压驱动型功率半导体器件，具有驱动方式简单，开关速度快，电压、电流容量高等优点。但是在电压高达数千至数十千伏的脉冲功率技术应用中，即使是目前电压等级最高的6500V IGBT也无法满足，因此需将IGBT串联连接，以满足不同高压设备的需要。

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。

555集成定时器是美国Signetics公司于1972年研制的用于取代机械式定时器的双极型中规模集成电路。外接适当的电阻、电容能方便地构成多谐振荡器、单稳态触发器和施密特触发器等，应用十分广泛。

发明内容

本发明的目的在于提供一种基于555定时器控制的高压脉冲电源发生电路，该电路能够以较简单的方式产生频率和脉宽均可调的PWM信号，实现对64个相互串联的IGBT的控制，最后产生40kV左右、频率和脉宽均可调的单极性高压脉冲，应用于液体食品杀菌能够满足非热杀菌的要求。

为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

本发明包括高压直流电源、储能电容、555定时器电路、PWM放大电路、16路IGBT驱动电路、64个串联的IGBT电路、64个IGBT缓冲电路、64个故障检测电路和故障反馈电路；高压直流电源与储能电容并联；高压直流电源的正极与64个串联的IGBT电路中的第一个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，前一个IGBT的发射极与后一个IGBT的集电极相连，第64个IGBT的发射极与负载的一端相连，负载的另一端接到高压直流电源的负极；555定时器电路输出的脉冲信号通过PWM放大电路后，与16路IGBT驱动电路相连；每路IGBT驱动电路与各自4个串联的IGBT电路、各自4个故障检测电路相连；每个IGBT器件都设有IGBT缓冲电路；16路IGBT驱动电路与64个串联的IGBT电路、64个故障检测电路相连，64个故障检测电路与故障反馈电路相连，故障反馈电路的输出与555定时器电路的输出端相连。

所述的555定时器电路由两个型号均为NE555N的定时器U1、U2组成，定时器U1工作在多谐振荡状态，并将输出电压作为定时器U2的低电平触发信号，使定时器U2构成单稳态触发电路，通过调节电阻R1、R3的阻值，定时器U2的3脚输出频率和占空比都可调的窄脉冲信号Uo。

所述的PWM放大电路由三级放大电路组成；第一级放大电路由型号为TLP250的光耦U4完成，555定时器电路输出的窄脉冲信号Uo通过一个与门芯片U3后输出的PWM信号经电阻R4与光耦U4的2脚相连，光耦U4的6脚输出第一级放大后的PWM信号；第二级放大电路由两个型号均为TLP250的光耦U5、光耦U6组成，光耦U4的6脚经电阻R5与光耦U5的2脚相连，光耦U5的3脚与光耦U6的2脚相连，光耦U6的3脚与光耦U4的5脚相连；通过第二级放大电路后有两个PWM信号输出，分别由光耦U5的6脚和光耦U6的6脚输出；第三级放大电路由16个型号均为TLP250的光耦U7、光耦U8至光耦U22组成；光耦U5的6脚经电阻R6与光耦U7的2脚相连，光耦U7的3脚与光耦U8的2脚相连，前一个光耦的3脚与后一个光耦的2脚相连，光耦U14的3脚与光耦U5的5脚相连；光耦U6的6脚经电阻R7与光耦U15的2脚相连，光耦U15的3脚与光耦U16的2脚相连，前一个光耦的3脚与后一个光耦的2脚相连，光耦U22的3脚与光耦U6的5脚相连；通过第三级放大电路后输出16路相互独立的PWM信号，分别为PWM1、PWM2至PWM16，分别由光耦U7、光耦U8至光耦U22的6脚输出。

所述的16路IGBT驱动电路由16路相互独立的IGBT驱动电路组成，输入信号分别为PWM1、PWM2至PWM16；16路相互独立的IGBT驱动电路具有相同的电路结构，每路驱动电路用来驱动各自4个相互串联的IGBT；第一路驱动电路由型号均为EXB841的4个驱动芯片U24、U26、U28、U30及其外围电路组成，由PWM1信号控制；PWM1信号经电阻R9与驱动芯片U24的15脚相连，驱动芯片U24的14脚与驱动芯片U26的15脚相连，驱动芯片U26的14脚与驱动芯片U28的15脚相连，驱动芯片U28的14脚与驱动芯片U30的15脚相连，驱动芯片U30的14脚与光耦U7的5脚相连；每个驱动芯片EXB841都有三个输出端，第一个输出端是芯片的6脚，通过过流检测电路与相应IGBT的集电极相连，第二个输出端是芯片的3脚，通过栅极保护电路与相应IGBT的栅极相连，第三个输出是芯片的1脚，与相应IGBT的发射极相连。

所述的64个故障检测电路和故障反馈电路，作为IGBT的保护电路；其中64个故障检测电路由64个型号均为6N137的光耦组成；驱动芯片EXB841的故障检测端5脚与相应的光耦6N137的3脚相连，检测到的信号由光耦6N137的6脚输出；故障反馈电路由11个型号均为74HC21的与门芯片U31、U32至U41和型号为74HC08的与门芯片U3组成；64个光耦6N137的6脚输出的信号分别作为8个与门芯片U31，U32至U38的输入信号，8个与门芯片U31、U32至U38的输出信号分别作为两个与门芯片U39、U40的输入信号，两个与门芯片U39、U40的输出信号作为与门芯片U41其中一个与门电路的输入信号，与门芯片U41的输出信号和555定时器U2输出的脉冲信号Uo分别作为与门芯片U3的输入信号。

本发明具有的有益效果是：

1、利用555定时器作为本电路的控制器，具有成本低，电路简单，工作可靠的优点。

2、利用两个555定时器分别工作在多谐振荡状态和单稳态触发状态，可以输出频率和占空比均可调的PWM信号，以此实现对IGBT通断过程中脉宽和频率的调节。

3、采用多个TLP250组成的三级放大电路来放大PWM控制信号，能使放大后的PWM控制信号保持较好的同步性。

4、故障检测电路能实时采集各个IGBT的过压、过流信号，并通过故障反馈电路快速反馈回PWM放大电路的输入端，一旦出现故障，16路PWM输出信号都将中断，关断所有的IGBT，以保护系统。

附图说明

图1是本发明的系统结构框图。

图2是本发明的555定时器电路图。

图3是本发明的PWM放大电路图。

图4是本发明的第一路的IGBT驱动电路、IGBT串联电路、IGBT缓冲电路和故障检测电路图。

图5是本发明的故障反馈电路图。

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，本发明包括高压直流电源、储能电容、555定时器电路、PWM放大电路、16路IGBT驱动电路、64个串联的IGBT电路、64个IGBT缓冲电路、64个故障检测电路和故障反馈电路；高压直流电源与储能电容并联；高压直流电源的正极与64个串联的IGBT电路中的第一个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，前一个IGBT的发射极与后一个IGBT的集电极相连，第64个IGBT的发射极与负载的一端相连，负载的另一端接到高压直流电源的负极；555定时器电路输出的脉冲信号通过PWM放大电路后，与16路IGBT驱动电路相连；每路IGBT驱动电路与各自4个串联的IGBT电路、各自4个故障检测电路相连；每个IGBT器件都设有IGBT缓冲电路；16路IGBT驱动电路与64个串联的IGBT电路、64个故障检测电路相连，64个故障检测电路与故障反馈电路相连，故障反馈电路的输出与555定时器电路的输出端相连。

如图2所示，555定时器电路由两个型号均为NE555N的定时器U1、U2组成，定时器U1工作在多谐振荡状态，并将输出电压作为定时器U2的低电平触发信号，使定时器U2构成单稳态触发电路，通过调节电阻R1、R3的阻值，定时器U2的3脚输出频率和占空比都可调的窄脉冲信号Uo。

如图2所示，第一个NE555N定时器U1工作在多谐振荡状态，输出周期性的矩形脉冲。矩形脉冲的频率f1大小为1.43/((R1+2R2)C2)，脉冲宽度为t1=0.7*(R1+R2)*C2。定时器U1的3脚输出的矩形脉冲作为第二个NE555N定时器U2的低电平触发信号，使U2构成单稳态触发器，U2的3脚输出周期性的窄脉冲信号Uo，脉冲信号Uo的频率f2与f1相等，脉冲宽度为t2=1.1*R3*C4，通过调节电阻R1的阻值，可调节脉冲信号Uo的频率，调节电阻R3的阻值，可调节脉冲信号Uo的脉冲宽度。

如图3所示，PWM放大电路由三级放大电路组成；第一级放大电路由型号为TLP250的光耦U4完成，555定时器电路输出的窄脉冲信号Uo通过一个与门芯片U3后输出的PWM信号经电阻R4与光耦U4的2脚相连，光耦U4的6脚输出第一级放大后的PWM信号；第二级放大电路由两个型号均为TLP250的光耦U5、光耦U6组成，光耦U4的6脚经电阻R5与光耦U5的2脚相连，光耦U5的3脚与光耦U6的2脚相连，光耦U6的3脚与光耦U4的5脚相连；通过第二级放大电路后有两个PWM信号输出，分别由光耦U5的6脚和光耦U6的6脚输出；第三级放大电路由16个型号均为TLP250的光耦U7、光耦U8至光耦U22组成；光耦U5的6脚经电阻R6与光耦U7的2脚相连，光耦U7的3脚与光耦U8的2脚相连，前一个光耦的3脚与后一个光耦的2脚相连，光耦U14的3脚与光耦U5的5脚相连；光耦U6的6脚经电阻R7与光耦U15的2脚相连，光耦U15的3脚与光耦U16的2脚相连，前一个光耦的3脚与后一个光耦的2脚相连，光耦U22的3脚与光耦U6的5脚相连；通过第三级放大电路后输出16路相互独立的PWM信号，分别为PWM1、PWM2至PWM16，分别由光耦U7、光耦U8至光耦U22的6脚输出。

如图4所示，第一路的IGBT驱动电路由型号均为EXB841的4个驱动芯片U24、U26、U28、U30及其外围电路组成，由PWM1信号控制；PWM1信号经电阻R9与驱动芯片U24的15脚相连，驱动芯片U24的14脚与驱动芯片U26的15脚相连，驱动芯片U26的14脚与驱动芯片U28的15脚相连，驱动芯片U28的14脚与驱动芯片U30的15脚相连，驱动芯片U30的14脚与光耦U7的5脚相连；驱动芯片U24的5脚与型号为6N137的光耦U23的3脚相连，驱动芯片U24的6脚通过稳压二极管ZD1和快恢复二极管VD1、VD2组成的过流检测电路与第一个IGBTQ1的发射极相连，驱动芯片U24的3脚通过电阻R11、二极管VD3和电阻R12组成的栅极保护电路与IGBTQ1的栅极相连，驱动芯片U24的1脚与IGBTQ1的发射极相连。

如图4所示，栅极保护电路采用不对称的开启和关断方法。在IGBT开通时，U24的3脚提供+15V的电压，电阻R11经二极管VD3和R12并联使栅极电阻值较小。关断时，栅极电阻为R12，增大了栅极电阻阻值，可以增大关断时间，减小过电压。由稳压二极管ZD2、ZD3和电阻R13组成的栅压限幅电路可保护IGBT免受外界干扰而引起的器件误导通。U24的4脚和5脚间接一个可调电阻R7，可调节软关断时间。

如图4所示，故障信号由芯片EXB841的5脚输出，作为型号为6N137的光耦的输入信号，与光耦的3脚相连，检测到的信号由光耦的6脚输出；当IGBT正常工作时，相应的驱动芯片EXB841的5脚输出高电平，相应的光耦6N137截止，6脚输出高电平，当IGBT出现故障时，相应的驱动芯片EXB841的5脚输出低电平，相应的光耦工作，6脚输出低电平；64个故障检测电路输出的信号Out1、Out2至Out64均由64个型号为6N137的光耦的6脚输出。

如图5所示，故障反馈电路由11个型号均为74HC21的四输入与门芯片U31、U32至U41和型号为74HC08的二输入与门芯片U3组成；74HC21内有两个四输入的与门电路，第一个与门电路的输入端是芯片的1脚、2脚、4脚、5脚，输出端是芯片的6脚，第二个与门电路的输入端是芯片的9脚、10脚、12脚、13脚，输出端是芯片的8脚；74HC08内有四个二输入的与门电路，第一个与门电路的输入端是芯片的1脚、2脚，输出端是芯片的3脚，第二个与门电路的输入端是芯片的4脚、5脚，输出端是芯片的6脚，第三个与门电路的输入端是芯片的9脚、10脚，输出端是芯片的8脚；第四个与门电路的输入端是芯片的12脚、13脚，输出端是芯片的11脚。

如图5所示，64个故障检测电路输出的信号Out1、Out2至Out64分别作为8个与门芯片U31，U32至U38的输入信号，分别与每个芯片的1脚、2脚、4脚、5脚、9脚、10脚、12脚、13脚相连，与门芯片U31，U32至U38的6脚和8脚输出的16个信号分别作为与门芯片U39和U40的输入信号，与U39、U40的1脚、2脚、4脚、5脚、9脚、10脚、12脚、13脚相连，与门芯片U39、U40的6脚和8脚输出的4个信号作为与门芯片U41其中一个与门电路的输入信号，分别与U41的1脚、2脚、4脚、5脚相连，U41的6脚输出的信号和555定时器U2的3脚输出的脉冲信号Uo分别作为与门芯片U3的输入信号，与U3的1脚、2脚相连。

本发明的工作过程如下：

高压直流电源输出50kV的高压电，经过储能电容储能，其正极与64个串联的IGBT电路中的第一个IGBT的集电极相连，64个串联的IGBT在555定时器发出的PWM信号控制下同时开通和关断，产生40kV左右、频率和脉宽均可调的单极性高压脉冲；高压脉冲的正极由64个串联的IGBT中的最后一个IGBT的发射极发出，高压脉冲的负极由高压直流电源的负极发出。

555定时器电路发出幅值为5V，脉宽和频率可调的PWM信号，此信号经过由多个型号为TLP250的光耦构成的PWM放大电路后，输出16路相互独立的PWM信号，分别用作为16路IGBT驱动电路的输入信号，每路IGBT驱动电路由4个驱动芯片EXB841及其外围电路组成，用于控制相应的4个相互串联IGBT的通断。

64个IGBT的故障信号由驱动芯片EXB841的5脚输出，作为光耦6N137的输入信号；当IGBT正常工作时，相应的EXB841的5脚输出高电平，相应的光耦不工作，光耦的6脚输出高电平，当IGBT出现故障时，相应的EXB841的5脚输出低电平，相应的光耦开始工作，光耦的6脚输出低电平。64个光耦6N137的输出通过故障反馈电路后输出的信号OUT与定时器U2输出的脉冲信号Uo经过一个二输入与门电路，当64个IGBT都正常工作时，Out1、Out2至Out64均为高电平，故障反馈电路的输出信号OUT一直为高电平，与定时器U2的输出信号Uo通过与门电路后仍可输出PWM信号，IGBT正常工作，负载两端有40kV左右的高压脉冲；当64个IGBT中至少有一个出现故障时，相应的光耦6N137输出低电平，故障反馈电路输出的信号OUT由高电平变为低电平，与定时器U2的输出信号Uo通过与门电路后输出低电平，此时无PWM信号输出，16路驱动电路均无输入信号，64个IGBT都处于关断状态，无高压脉冲输出。

Claims

1.一种基于555定时器控制的高压脉冲电源，其特征在于：包括高压直流电源、储能电容、555定时器电路、PWM放大电路、16路IGBT驱动电路、64个串联的IGBT电路、64个IGBT缓冲电路、64个故障检测电路和故障反馈电路；高压直流电源与储能电容并联；高压直流电源的正极与64个串联的IGBT电路中的第一个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，前一个IGBT的发射极与后一个IGBT的集电极相连，第64个IGBT的发射极与负载的一端相连，负载的另一端接到高压直流电源的负极；555定时器电路输出的脉冲信号通过PWM放大电路后，与16路IGBT驱动电路相连；每路IGBT驱动电路与各自4个串联的IGBT电路、各自4个故障检测电路相连；每个IGBT器件都设有IGBT缓冲电路；16路IGBT驱动电路与64个串联的IGBT电路、64个故障检测电路相连，64个故障检测电路与故障反馈电路相连，故障反馈电路的输出与555定时器电路的输出端相连。

2.根据权利要求1所述的一种基于555定时器控制的高压脉冲电源，其特征在于：所述的555定时器电路由两个型号均为NE555N的定时器U1、U2组成，定时器U1工作在多谐振荡状态，并将输出电压作为定时器U2的低电平触发信号，使定时器U2构成单稳态触发电路，通过调节电阻R1、R3的阻值，定时器U2的3脚输出频率和占空比都可调的窄脉冲信号Uo。

3.根据权利要求1所述的一种基于555定时器控制的高压脉冲电源，其特征在于：所述的PWM放大电路由三级放大电路组成；第一级放大电路由型号为TLP250的光耦U4完成，555定时器电路输出的窄脉冲信号Uo通过一个与门芯片U3后输出的PWM信号经电阻R4与光耦U4的2脚相连，光耦U4的6脚输出第一级放大后的PWM信号；第二级放大电路由两个型号均为TLP250的光耦U5、光耦U6组成，光耦U4的6脚经电阻R5与光耦U5的2脚相连，光耦U5的3脚与光耦U6的2脚相连，光耦U6的3脚与光耦U4的5脚相连；通过第二级放大电路后有两个PWM信号输出，分别由光耦U5的6脚和光耦U6的6脚输出；第三级放大电路由16个型号均为TLP250的光耦U7、光耦U8至光耦U22组成；光耦U5的6脚经电阻R6与光耦U7的2脚相连，光耦U7的3脚与光耦U8的2脚相连，前一个光耦的3脚与后一个光耦的2脚相连，光耦U14的3脚与光耦U5的5脚相连；光耦U6的6脚经电阻R7与光耦U15的2脚相连，光耦U15的3脚与光耦U16的2脚相连，前一个光耦的3脚与后一个光耦的2脚相连，光耦U22的3脚与光耦U6的5脚相连；通过第三级放大电路后输出16路相互独立的PWM信号，分别为PWM1、PWM2至PWM16，分别由光耦U7、光耦U8至光耦U22的6脚输出。

4.根据权利要求1所述的一种基于555定时器控制的高压脉冲电源，其特征在于：所述的16路IGBT驱动电路由16路相互独立的IGBT驱动电路组成，输入信号分别为PWM1、PWM2至PWM16；16路相互独立的IGBT驱动电路具有相同的电路结构，每路驱动电路用来驱动各自4个相互串联的IGBT；第一路驱动电路由型号均为EXB841的4个驱动芯片U24、U26、U28、U30及其外围电路组成，由PWM1信号控制；PWM1信号经电阻R9与驱动芯片U24的15脚相连，驱动芯片U24的14脚与驱动芯片U26的15脚相连，驱动芯片U26的14脚与驱动芯片U28的15脚相连，驱动芯片U28的14脚与驱动芯片U30的15脚相连，驱动芯片U30的14脚与光耦U7的5脚相连；每个驱动芯片EXB841都有三个输出端，第一个输出端是芯片的6脚，通过过流检测电路与相应IGBT的集电极相连，第二个输出端是芯片的3脚，通过栅极保护电路与相应IGBT的栅极相连，第三个输出是芯片的1脚，与相应IGBT的发射极相连。

5.根据权利要求1所述的一种基于555定时器控制的高压脉冲电源，其特征在于：所述的64个故障检测电路和故障反馈电路，作为IGBT的保护电路；其中64个故障检测电路由64个型号均为6N137的光耦组成；驱动芯片EXB841的故障检测端5脚与相应的光耦6N137的3脚相连，检测到的信号由光耦6N137的6脚输出；故障反馈电路由11个型号均为74HC21的与门芯片U31、U32至U41和型号为74HC08的与门芯片U3组成；64个光耦6N137的6脚输出的信号分别作为8个与门芯片U31，U32至U38的输入信号，8个与门芯片U31、U32至U38的输出信号分别作为两个与门芯片U39、U40的输入信号，两个与门芯片U39、U40的输出信号作为与门芯片U41其中一个与门电路的输入信号，与门芯片U41的输出信号和555定时器U2输出的脉冲信号Uo分别作为与门芯片U3的输入信号。