低频长脉宽高压脉冲电源设计

来源:真空技术网(www.chvacuum.com)核工业西南物理研究院 作者:毛振宇

  本文针对离子注入工艺的特定要求,采用buck 拓扑结构,以IGBT 为斩波器件,并结合单片机与CPLD 技术,研制了一种低频长脉宽的高压脉冲数字电源。通过离子注入试验并结合工艺研究验证了该电源的实用性和稳定性。

  传统的高压脉冲电源多采用高压电子管作为斩波器件,其稳定工作状态在6 kV 以上,而电子管也存在体积大、功耗大、发热严重、寿命短、电源利用效率低、结构脆弱 等缺陷,所以真空技术网(http://www.chvacuum.com/)经过调研发现它的绝大部分用途已经被固体器件晶体管所取代。综上考虑,本文以IGBT 为斩波器件设计了一套10 kV 以下的高压脉冲电源,弥补了该领域的空白。

1、电源指标要求

  输入电压为单相交流220 V;输出脉冲峰值电压范围为1 kV~10 kV;输出最大峰值电流为4 A;脉冲频率为1 Hz~20 Hz;脉冲宽度为1.5 ms;脉冲上升时间小于5 us。

2、电源设计原理介绍

  该脉冲电源工作于低频长脉宽高压状态,它的基本工作原理是:首先经过慢储能,使初级有足够的能量,然后向中间储能和脉冲成型系统放电,能量经过储存、压缩、形成脉冲或转化等复杂过程之后,获得高压脉冲。

3、电源方案设计

  3.1、电源主回路设计

  该电源采用的主回路原理图如图1 所示,由工频整流、电压调制、频率脉宽调制和升压四部分组成。其电能形式变化依次分为为:220 V 单相交流源、310 V 恒压直流源、30 V~280 V 可调直流电压源、280 V 以下可调脉冲源、10 kV/4 A/1.5 ms 脉冲五个环节。

脉冲电源主回路原理图

图1 脉冲电源主回路原理图

  在电压调制回路中采用的是buck 降压斩波电路,而频率脉宽调制回路中采用硬斩波方式,二者均以IGBT 作为斩波器件。变压器的连接采用的是三台变压器原边并联副边串联的方式,这样有效的减小了单台变压器的变比,防止因变比过大而导致产生较大寄生参数等问题,同时实验也证明,这种方式有效的缩短了脉冲上升时间。

  3.2、电源控制系统原理

  图2 示出该电源的控制系统组成。前级斩波(即IGBT1 斩波) 采用SG3525 芯片实现模拟信号控制;后级斩波(IGBT2 斩波)采用MCU 和CPLD配合控制,采用的芯片分别为C8051F020 和EPM1270T144C5,以数字信号控制为主。

控制系统组成方框图

图2 控制系统组成方框图

  图中TLC1543 为ADC 芯片,TLC5615 为DAC芯片,二者配合使用共同完成模拟电路与数字电路之间的信号转换。由于所选用的低成本单片机芯片在数据采集、响应速度等方面具有较大的时间延迟,不能满足过流保护的速率要求,系统中的电流反馈则通过比较器LM339 转换成同相的方波送入CD4098 或者CPLD,CD4098 在上升沿触发条件下输出具有一定宽度的脉冲信号送入SG3525实现输出脉冲的内部关断,而CPLD 则在上升沿触发下由内部逻辑元电路判断过流进而完成信号终止输出,这两种方式均有效地缩短保护动作时间,增加电源工作状态的可靠性、稳定性。

  3.3、整流回路的开通时序

  图1 所示的工频整流环节中,主回路导通采用可控硅SCR1 与SCR2 配合控制。图示电容C1与C2 选值较大,若SCR1 与SCR2 同时导通,交流220V 电源直接给C1、C2 充电,会导致该回路产生过大的充电电流。该过电流会直接导致空气开关连续跳闸以及可控硅、整流桥等器件损坏。

  SCR1 与SCR2 采用非同步导通。SCR1 在T1时刻导通后,交流电压通过R1 为C1 和C2 充电,而SCR2 需在C1、C2 充电完成后导通,即SCR2 导通时刻T2 需满足:T2≥T1+R1×(C1+C2)。导通时序的配合控制如图2 所示,由MCU 和TLC5615共同完成。

5、结论

  采用buck 拓扑电路设计脉冲电源的电压调试回路具有结构简单、理论成熟、便于调试等优点。单片机配合SG3525 的控制方式有效的降低了输出脉冲在脉宽、频率、压差等方面的误差,增加了输出精度。脉冲变压器的设计与连接方式有效降低了寄生参数的影响,使输出波形更趋近于注入要求。该电源自投入上海某研究所实验室应用之后,各状态工作正常,未出现任何故障。这表明该电源具备较高的稳定性、可靠性及实用性。

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