基于恒压电源的设计

王凯

摘 要：目前我国正处于电子和电信技术系统飞速发展的时代，各种电子设备都会用到各种各样的电源。恒流电源是各类电子设备和电子线路的重要组成部分。文中采用固态电器--IGBT来获取高压脉冲波形。由于脉冲电源有断续供电的特性，在很多领域都获得了广泛的应用。

关键词：恒压；电源；设计；

文章编号：1674-3520（2015）-08-00-01

一、电源的拓扑结构

电容充放电式是通过长时充电、瞬间放电，即通过控制充放电的时间比例，达到能量压缩、输出高压大功率脉冲的目的。它可以输出的脉冲功率和电压等级较高，脉冲上升沿较陡；只是输出脉冲的精度难以控制，而且重复频率低。文中采用这种两级式拓扑结构，电源系统结构框图如图1所示。两级式有脉冲稳定、可控性好、精度高、重复频率变化范围大特点，因而适用范围较广。

图1 高压脉冲电源系统结构框图

二、电源主电路结构和工作原理

电源主电路原理图如图2所示，电路工作过程：220 V交流通过整流滤波后得到低压直流输出，通过LCC串并联谐振逆变经高频升压后向储能电容C充电，经过IGBT全桥逆变拓扑结构实现双极性脉冲输出。图2中LCC串并联谐振变换器是核心部分，工作原理是：使功率开关管的电流或电压波形变为正弦波、准正弦波或局部正弦波，这样能使功率开关管在零电压或零电流条件下导通或关断，减少开关管开通和关断时的损耗，同时提高开关频率，减小开关噪声，降低EMI干扰和开关应力。

图2主电路图

LCC谐振变换器有3种工作方式：① fr>fs>0.5fr的电流连续模式（CCM），开关管为零电流/零电压关断、硬开通，反并联二极管自然开通但关断时二极管有反向恢复电流，电路开关损耗较大；② fs<0.5fr的电流断续模式（DCM），开关管工作在零电流/零电压关断、零电流开通状态，反并联二极管自然开通、自然关断； ③fs>fr仍然为电流连续模式（CCM），与②的区别是开关管为零电流/零电压开通、硬关断，电路开关损耗同样较大。谐振频率为：

三、电源的控制

主要通过恒定导通时间-恒频控制的方法实现LCC串并联谐振充电电路的软开关，减少开关损耗，调节输出电压；系统的控制由TMS320F2812 DSP芯片和IGBT驱动器来实现，及利用变频变宽的控制方法实现后级脉冲形成电路的输出脉冲控制等.TMS320F2812开发板内部集成16路12位A/D转换器、一个高性能CPLD器件XC95144XL、两个事件管理器模块，可实现过压、过流保护在内的电源系统运行，提高输出电压的精度和稳定度。

四、过流保护

当负载电流超过设定值或发生短路时，需对电源本身提供保护，系统的过流保护在系统的安全性方面占有重要的地位。过流保护电路与过压保护电路相似，如图4所示。将转换的电压信号输入到F2812的，启动保护程序，故障锁存器置位，系统复位重新启动。

五、过压保护

通过高频降压互感器检测脉冲升压变压器原边电压得到电压信号Ui，将Ui作为过压保护电路的输入电压，将过压保护电路的输出信号接到DSPF2812的引脚，使系统重新启动，实现过压保护的目的，以达到保护负载的安全。

六、仿真电路分析

令k=Cp/Cs，图5（a）为k=0.25谐振电流和谐振电压波形。选择直流母线电压Vin=300 V，开关频率fs=25 kHz，脉宽tw=10μs，Lr=50 μH，Cs=0.2μF，谐振频率kHz，即满足fs<1/2fr，LCC串并联谐振变换器工作在DCM模式下，高频升压变压器变比为1：4.高压脉冲形成电路中，脉冲升压变压器变比为1：12，双极性脉冲仿真波形如图5（b）所示。

图5 仿真波形图

七、总结

本文分析了电源的各个组成部分及功能，设计了一种基于IGBT的高压脉冲电源，并由DSP产生控制IGBT的触发信号，过流保护、实现过压，实现电源的数字化控制，可精确控制输出脉冲电压、输出脉冲宽度、频率和输出脉冲数等，且利用LCC串并联谐振充电电路作为对中间储能电容充电的结构，能更好的实现装置的急速充电和更小模块化。

参考文献：

[1]赵世强等.电子电路EDA技术.西安：西安电子科技大学出版社，2000年

[2]Franz Monsse. MicroSim PSpice with circuit analysis. 2nd ed. Prentice Hall，1998

[3]Charles K Alexander， Matthew N O Sadiku. Fundamentals of electric circuits. 影印版. 北京：清华大学出版社， 2000

[4]周守昌.电路原理.北京：高等教育出版社，1999

[5]王楚，余道衡.电路分析.北京：北京大学出版社，2000