交流高压电源

高压强脉冲电源的设计

摘要：本文提出了一种强脉冲发生器电源的设计方案，应用此方案设

计了高压电源、IGBT控制充电、可控硅控制放电，可以自动运行的

脉冲磁场发生设备。最大直流电压达到3KV且连续可调，放电脉冲电

流高达10000A。该设备由一片AT89C52单片机控制，可实现与计算

机的连接。

关键词：高压电源；IGBT；可控硅

TheDesignofHighVoltagePuldPowerSupply

Abstract:Thispaperprentsastrongpulgeneratorpower

supplydesign,applicationsforthisprogramdesigned

high-voltagepowersupply,IGBTcontrolthechargingandSCR

controlleddischarge,canberunautomaticallypulmagnetic

mDCvoltage3KVandcontinuously

ice

iscontrolledbyanAT89C52microcontrollercanberealized

withthecomputer.

Keywords:highvoltagepowersupply；IGBT；SCR，

引言：强脉冲磁场对工业装置及医疗的作用［1］，强脉冲磁场对金属

形成时的影响［2］以及脉冲磁场刺激对生物体的效应等已经越来越

引起人们的关注。目前国内的脉冲磁场设备，一般电压较低，频率也

较低。特别是高压充电部分采用调压器调压［3］，这样体积太大也显

笨重。要产生更高的磁场强度，可以改变脉冲磁场频率的自动运行的

磁场发生设备实现起来有一定难度，为此设计一个磁场运行频率为

0.1～100Hz可调，脉冲电流达到10000A的低频强脉冲磁场发生设备。

一、高压电源的设计

本高压充电电源采用开关电源，开关电源作为一种高频、高效

电力电子技术，随着电子元器件、产品的不断更新，大功率器件

的更新换代，大功率开关电源技术得到了发展。由于本电源功率

高达15KW所以采用全桥谐振PWM调制方式，大功率器件采用先

进的IGBT模块及先进的可靠的驱动电路，使得电源的整体性能

良好，稳定度好，并且具有各种保护功能。

1电源电路组成及原理

电路有以下几部分组成：1）电网滤波器,2)整流滤波,3）全桥

变换器,4）高压变压器,5）高压整流滤波,6）脉宽调制与控制电路,7）

驱动电路,8）保护电路等。

工作原理：将50HZ三相380V通过电网滤波器,经整流及滤波得到

500多伏的直流电压,供给串联谐振变换器。如图1-1所示，Q1、Q4与

Q2、Q3，轮流通断，从而将直流电变换成高频矩形波交流电。R1和R2

是泻放电路。T1是高频变压，在开关电源设计中，高压变压器的绕法

也很重要，我们采用了一些特殊的设计方法。由于本电源输出高达功

率15KW，为了减轻变压器的设计难度以及减小高压整流二极管的电流

值、提高电源的可靠性。在材料上选用超微晶合金，绕制成C型铁心，

次级高压线包每边各分两段。这样设计的高压变压器漏感小，温升小。

控制电路采用SG1525PWM集成脉宽调制器（如图1-2），外接元件少，

性能好，具有外同步，软启动，“死区”调节，欠压锁定，误差放大

以及关闭输出驱动信号等功能。其原理框图如图1-3及图1-4所示。

A

B

C

D1

C1

L1

R1

Q1

D4

D2

D5

D3

D6

C2

R2

Q2

Q3

Q4

T1

AC50Hz380V

图1-1

RP1

D1

C3

R7

C2

C4

C6C5+

C7

C1

R9

R4

R8

R6

R1R2

R5

R14

R3

V1

RP2

R12

R11

R13

R10

15

16

2

3

9

1

5

7

8

6

12

10

4

13

11

14

采样

SG1525

图1-2

图1-3功率变换部分原理框图

图1-4高压部分电路原理框图

2对开关电源开关（IGBT）的选择

由于本电源输入电压为AC380V50Hz，由电网滤波经整流滤波，

得到电压可达DC540V，考虑到高频变压器的漏感以及漏极回路中引

电网

滤波

器

整流

及滤

波

保护电路

采样电路

全桥变换器

驱动电路

控制电路

基准

50Hz

三相

380V

高压

变压器

整流

滤波

电压

反馈

高压指

示采样

电流采样

-22.5KV

线电感的影响，在开关关断瞬间会引起较大的反尖峰刺。其尖峰假设

为稳态值的50%，另外考虑到电网波动为±10%时的影响，所以开关

承受的电压为1.5×1.1×540=891V。由于IGBT的工作特性包括静

态和动态两类：

1．静态特性

IGBT的静态特性主要有伏安特性、转移特性和开关特性。

IGBT的伏安特性是指以栅源电压Ugs为参变量时，漏极电

流与栅极电压之间的关系曲线。输出漏极电流比受栅源电压Ugs

的控制，Ugs越高，Id越大。其输出特性．也可分为饱和区、

放大区和击穿特性3部分。在截止状态下的IGBT，正向电压

由

J2结承担，反向电压由J1结承担。如果无N+缓冲区，则正反

向阻断电压可以做到同样水平，加入N+缓冲区后，反向关断电压

只能达到几十伏水平，因此限制了IGBT的某些应用范围。

IGBT的转移特性是指输出漏极电流Id与栅源电压Ugs之

间的关系曲线。它与MOSFET的转移特性相同，当栅源电压小于

开启电压Ugs(th)时，IGBT处于关断状态。在IGBT导通后的

大部分漏极电流范围内，Id与Ugs呈线性关系。最高栅源电压

受最大漏极电流限制，其最佳值一般取为15V左右。

IGBT的开关特性是指漏极电流与漏源电压之间的关系。IGB

T处于导通态时，由于它的PNP晶体管为宽基区晶体管，所以其

B值极低。尽管等效电路为达林顿结构，但流过MOSFET的电流

成为IGBT总电流的主要部分。此时，通态电压Uds(on)可用下

式表示

Uds(on)＝Uj1＋Udr＋IdRoh

式中Uj1——JI结的正向电压，其值为0.7～1V；Udr

——扩展电阻Rdr上的压降；Roh——沟道电阻。

通态电流Ids可用下式表示：

Ids=(1+Bpnp)Imos

式中Imos——流过MOSFET的电流。

由于N+区存在电导调制效应，所以IGBT的通态压降降低，

通态压降为2～3V。IGBT处于断态时，只有很小的泄漏电流

存在。

2．动态特性

IGBT在开通过程中，大部分时间是作为MOSFET来运行的，

只是在漏源电压Uds下降过程后期，PNP晶体管由放大区至饱

和，又增加了一段延迟时间。td(on)为开通延迟时间，tri为

电流上升时间。实际应用中常给出的漏极电流开通时间ton即为

td(on)tri之和。漏源电压的下降时间由tfe1和tfe2组成。

IGBT的触发和关断要求给其栅极和基极之间加上正向电压

和负向电压，栅极电压可由不同的驱动电路产生。当选择这些驱

动电路时，必须基于以下的参数来进行：器件关断偏置的要求、

栅极电荷的要求、耐固性要求和电源的情况。因为IGBT栅极-

发射极阻抗大，故可使用MOSFET驱动技术进行触发，不过由于I

GBT的输入电容较MOSFET为大，故IGBT的关断偏压应该比许多M

OSFET驱动电路提供的偏压更高。

IGBT在关断过程中，漏极电流的波形变为两段。因为MOSFE

T关断后，PNP晶体管的存储电荷难以迅速消除，造成漏极电流较

长的尾部时间，td(off)为关断延迟时间，trv为电压Uds(f)的上

升时间。实际应用中常常给出的漏极电流的下降时间Tf由图中的

t(f1)和t(f2)两段组成，而漏极电流的关断时间

t(off)=td(off)+trv十t(f)

式中，td(off)与trv之和又称为存储时间。

IGBT的开关速度低于MOSFET，但明显高于GTR。IGBT在关断

时不需要负栅压来减少关断时间，但关断时间随栅极和发射极并

联电阻的增加而增加。IGBT的开启电压约3～4V，和MOSFET相当。

IGBT导通时的饱和压降比MOSFET低而和GTR接近，饱和压降随

栅极电压的增加而降低。

所以IGBT模块的集电极电流增大时，vce(-)上升，所产生的额定损

耗亦变大。开关损耗增大，原件发热加剧。根据额定损耗，开关损耗

所产生的热量，控制器件结温（tj）在150oc以下（通常为安全起

见，以125oc以下为宜），使用的集电流以下为宜。特别是用作高频

开关时，开关损耗增大，发热也加剧。要将集电极电流的最大值控制

在直流额定电流以下使用。

由此我们选取VVces1200，而电流则为AIe100留有很大的余量，

因此可不加缓冲器，使回路设计简单，功耗小。着重要提的是由于此

电源功率较大而体积要求小，传统型的IGBT开关导通压降大，发热

量高，长时间工作会由于温升太高而不可逆的损坏。由此我们选择了

IGBT第五代已成熟产品，它的导通压降小，发热量小，导通压降仅

有1.6～1.8V。经测试IGBT温度达到合适范围。

3对高压变压器的设计

设计高频高压变压器首先应该从磁芯开始。开关电源变压器磁芯

多是在低磁场下使用的软磁材料，它有较高磁导率，低的矫顽力，高

的电阻率。磁导率高，在一定线圈匝数时，通过不大的激磁电流就能

承受较高的外加电压，因此，在输出一定功率要求下，可减轻磁芯体

积。磁芯矫顽力低，磁滞面积小，则铁耗也少。高的电阻率，则涡流

小，铁耗小。由此我们选择超微晶铁芯（FeCuNbSiB）具有高饱和磁

感应强度、高导磁率、低矫顽力、低损耗及良好的稳定性。它的物理

性能：

饱和磁感应强度Bs：1.25T

居里温度Tc：560ºC

晶化温度Tx：510ºC

硬度Hv：880kg／mm2

饱和磁致伸缩系数：2×10-6

密度d：7.2g／cm3

电阻率：

它的典型磁性能：（无磁场退火）

初始导磁率（Gs／Oe）：＞8×104

最大导磁率（Gs／Oe）：＞45×104

剩余磁感应强度（Bs）：0.6T

矫顽力：＜0.8A／m

铁损P（20kHz，0.5T）：＜25W／kg

铁损P（100kHz，0.3T）：＜150W／kg

铁损变化率（-55～125ºC）：＜15％

由以上考虑制作时绕制成C型铁心，次级高压线包每边各分两段这

样设计的高压变压器漏感小，温升小，不需要用油箱散热固态即可

二、充电储能及放电部分的设计

1、充电储能部分控制主要包括IGBT及其控制电路和储能电容（如

图1-5）。因为要求放电频率0.1-100HZ可调这就要求该开关要可靠，

性能稳定可控性高。所以选择IGBT作为充电开关。由于电压高达3KV，

加上开关尖刺峰值，我们选择耐压在1200V的IGBT。四个管子串联。

C1、R1，组成阻容吸收电路。C2为储能电容，L是刺激线圈的电感量，

R2是放电回路的总电阻值。

2、控制放电的可控硅选择双向可控硅（如图1-5中的Q5），这样

可控硅在交变负载时，由于储存在电容器中的过剩的无功功率能够自

动返回，可以避免危险的过电压。可控硅的选择除了耐压之外，还应

考虑开关延迟时间、di/dt及Its

峰值电流。脉冲电流的形态决定了空

间磁场的强度与波形。进而决定磁刺激感生电流的强度与波形，放电

回路的电路方程为：

0

12

i

cdt

di

R

dt

i

L

d

。

高压电源

Q1Q2Q3Q4

C1

R1

C2

Q5

R2

L

图1-5

3、充放电部分驱动电路本系统中的IGBT驱动电路主要由专用模块

来实现。这里采用EXB841,它是高速系列的IGBT集成驱动电路，工

作频率可达40Kz［4］。其内装隔离高电压的光电耦合器，隔离电压

可达2500VA。具有过流保护和低速过流切断电路，保护信号可输出

供控制电路用。单电源供电，内部电路可将+20V的单电源转换为+15V

的开栅压和-5V的关栅压。可控硅的驱动采用隔离驱动变压器.由于

单片机有限的驱动能力，控制信号从单片机出来后经过功率放大后以

驱动IGBT及可控硅。如图1-6和1-7。

N2

N1

R1

R2

C1

15V

来自单片机

去EXB841的15脚

去EXB841的14脚

如图1-6

C1

R3

D1

N3

N2

R5

R6

R4

R1

R2

N1

T1

D2

D3

15V

来自单片机

驱动SCR

如图1-7

三、结论按以上方案设计的强脉冲电源，充电电压可从0～

3KV可调。放电频率从0.1～100Hz可调。且放电脉宽50～

150us可调。在充电电压为3KV时，放电频率为100Hz时，

脉冲电流高达10000A。此电源已经在某设备上使用，经过试

验及运行考验工作正常，且稳定可靠。

参考文献

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