脉冲电源开关模式及电路形式研究

侯防录

[摘要]对几种有效的开关模式进行分析比较，并对脉冲电路形式的选择和驱动电路的可靠性进行研究。

[关键词]开关模式脉冲电源

中图分类号：TN7文献标识码：A文章编号：1671-7597(2009)0610045-01

过去二十年，电力电子技术特别是开关器件制造水平的提高、高压脉冲电容储能密度的大幅度提高、控制技术的发展、计算机技术的广泛应用为脉冲电源技术的发展提供了基础，在大量的民用和军用领域提出了较高的要求。开关元件是脉冲系统的核心元件之一，在大功率转换条件下，对开关的重复工作性能、动作可靠性和稳定性提出了很高的要求。脉冲电源在选择高压开关模式上应具有低开关阻抗、高速电压升降时间、大尖峰电流处理以及高dI／dt能力的性质。以下开关模式可满足要求。

一、真空电子开关管

诸如三极管等栅极真空开关管可作为脉冲调制器的串联开关以方便获得高压脉冲。该方法主要有三个缺陷：(1)开关管自身电流的限制；(2)管子自身大的压降，占开关电压的20％甚至更高；(3)电弧降低了管子寿命，进而要求复杂的调节系统，以及电弧检测和短路保护系统。

二、PFN

典型的PFN由大量的电感和电容组成，其能向所匹配的负载提供固定脉宽的脉冲。通常PFN通过氢闸流管或其他快速关断开关等负载电路放电。该类电路经常采用带有固定负载阻抗和脉宽的射频粒子加速器。但PFN具有脉宽固定、驱动PFN的闸流管寿命有限、电弧存在时一个脉冲期间闸流管只能作为关断开关不能控制开启、驱动PFN的直流电源通常要求输出电压是工作电压的两倍(除非采用升压脉冲转换器)等缺点。

三、固态开关

最近，在固态功率电子设备方面已研制出高电压大电流的固态脉冲调制器。这些脉冲调制器中的固态开关如IGBT开关可采用串联或并联结构，可达到极高的电压(1-200kV)和电流(10A-5kA)。它们开关可控，脉宽任意调节并有着快速的故障保护功能。唯一缺点是在小平均功率下固态开关元件比真空电子管或PFN元件贵得多。但是从整体的脉冲电源系统考虑时，固态开关可阻实现合理成本与高性能的统一，而且当考虑到电源和冷却系统的额外费用时，固态开关的成本与性能就更具吸引力了。另外，在脉冲调制器中采用固态开关元件还具有任意脉宽输出、高功率和直流电源的冷却系统的费用低、高可靠性、无x射线的优势。

目前，生产和实验中常用的开关管主要有以下几种，应用于不同场合。

GTO是电流控制型功率器件，驱动电路复杂，工作频率较低(最高1kHz)。

大功率达林顿管在大电流工作时可以有很小的通态电阻，从而使其有较强的负载能力，也就可以减少在功放电路中使用的大功率管的数量，但另一个方面，大功率达林顿管却仍需功率激励，因激励不足而使脉冲电源特性不良的现象在维修实践中并不少见。

VMOS大功率管具有高开关速度、电压激励和无二次击穿等优点，因而在电火花线切割机脉冲电源中获得广泛的应用。但普通VMOS管有一个很大的缺陷，即在高压大电流工作时通态电阻较大，器件本身的功耗很大，发热严重，致使输出效率下降。因此，实际应用时常使用多只甚至多达十多只VMOS管并联使用，从而增加了脉冲电源的体积和成本，并使其可靠性下降。

新型脉冲电源多选用绝缘栅双极型晶体管(Insulated Gate Bipolar Transistor，简称IGBT)作为功率开关器件。IGBT主要特点既具有VMOS大功率管电压激励的特性，又具有大功率达林顿管低通态电阻的特性，并具有高速、高可靠、低开关损耗、低脉冲拖尾电流、对温度不敏感，以及驱动电路简单，电流控制能力强等优点，适于在高压、大电流、脉冲等条件下工作，因此非常适于在高频大功率逆变器中使用。例如，IGBT作开关元件，采用高频电磁材料，研制成的IGBT逆变型脉冲电源频率高达(10～20)kHz，灭弧更加迅速、可靠，还省去了体积庞大的工频变压器，功率器件模块化，大大减小了整机体积和重量，并节约电能和材料。

本文电路基本结构为三相电源、升压整流、斩波电路、调节模块。PWM电路和驱动电路六部分。基本结构确定后，要解决的是高压脉冲形成电路的形式的问题。

频率和占空比均可调节的高压脉冲通常是用高压固态开关(由多个半导体开关器件串联构成)直接对直流高压斩波获得。这种方法的优点是能够得到具有高速前后沿的高质量的矩形波高压脉冲。但它要求多个串联半导体开关器件的参数基本一致，并且要采取严格的同步驱动措施、均压措施以及低电感化的同轴结构形式，这在一般实验技术条件下很难做到，造价也较高。

以下拟采用的高压脉冲形成电路是由多个脉冲分量形成的电路串联构成，脉冲的频率和占空比直接在高压侧调节。高压脉冲是由脉冲分量形成电路的输出脉冲串联形成，每个脉冲分量形成电路均由桥式整流单元、储能电容器、IGBT开关器件和旁路二极管等形成的闭合电路组成。其特点是：每个IGBT开关时间的差异不会增加IGBT承受的电压，即IGBT不会因它们之间参数和驱动条件的差异而损坏。因此这种产生高压脉冲的方法特别适用在一般实验条件下实现。为了使高压脉冲形成电路可靠工作和输出高质量的高压脉冲，必须解决驱动电路的高压隔离和同步驱动技术问题。实际上影响IGBT推广使用的主要问题之一就是IGBT驱动电路的合理选择和正确设计。

光电耦合驱动器的最大特点是双侧都是有源的，由它提供的正向脉冲及负向封锁脉冲的宽度可以不受限制，而且可以较容易地通过检测IGBT通态集电极电压实现各种情况下的过流及短路保护，并对外送出过流信号。目前国内外都趋向把其做成厚膜电路的形式，具有使用方便，一致性及稳定性较好的优点。如具有集成保护功能的直接光控晶闸管(LTT)得到了广泛应用。这种晶闸管是为高压直流输电而开发的。通过改进门极结构，光控晶闸管也可用于大功率脉冲电源上。由于采用了直接光触发，LTT特别适用于串联应用。缺点是需较多的工作电源。一旦IGBT烧坏，驱动器通常也随之烧毁，从而增加了维修的复杂性及费用。变压器耦台驱动器的特点是不必专设工作电源，输入输出间耐压可做得较高，电路结构简单，成本较低。缺点是不能自动实现过流保护，不能实现任意脉宽输出，对变压器的绕制要求严格，必须尽可能改善初、次级的耦合，否则效果不好。