高频高压脉冲电源充电软开关技术

高频高压脉冲电源充电软开关技术

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邱剑，刘克富，肖后秀，胡琼

华中科技大学电气与电子工程学院(430074)

本文提出了一种用于高频高压脉冲电源充电系统中的软开关技术，该技术能够解决传统高频高压脉冲电源充摘 要：

电过程中出现的半导体开关器件过流、过压的问题。

关键词：脉冲电源 软开关 IGBT

Abstract： A soft switching technique for high frequency and high voltage pulse power supply is given in this paper,

such technique can solve the overcurrent and overvoltage problem of semiconductor switch which usually

appear in the charging course of traditional high frequency and high voltage pulse power supply

Key words：pulse power supply soft switch IGBT

1 前言

开关是脉冲功率设备中的关键部件，脉冲功率设备的性能受开关性能的制约，如工作电压、峰值电流、工作频率的、寿命等。目前在高频高压脉冲电源充电系统中，半导体开关器件的过流和过压问题严重影响了整个电源系统的效率和稳定性。

近几年来，国外谐振型开关电源的发展很快。谐振型开关电源技术是在正弦波的零电压或零电流处开通或关断开关管（即软开关，Soft Switch），其开关功率理论上为零，实际上也极小。这就降低了开关损耗，也降低了开关应力要求。由于软开关能产生一个大大降低谐波的谐振正弦波，故其能降低电磁干扰和射频干扰，从而有利于开关电源向高频化发展[1]。因此研究开关器件在脉冲电源充电中的软开关技术对于发展高重复频率的脉冲电源有着深远的意义。

2 软开关技术简介

软开关是在PWM技术的基础上提出来的一种在零电压或零电流下进行开关转换的新技术。这种所谓的软开关转换，理论上开关损耗为零，因此与硬件开关电路相比，在采用同一类开关器件的条件下，软开关电路可以在高一个数量级的开关频率下工作[2]。

谐振软开关电路中，零电压和零电流条件是由辅助的谐振电路所创造的。也可以利用感性负载和电容创造的。因此，谐振软开关也就是一个半导体开关S和辅助的谐振元件LC组成的子电路或槽电路。在这里我们是利用感性负载（即变压器的漏感）来形成谐振条件，选择半导体开关器件在零电流下关

图1 零电流型谐振开关 ∗本文工作得到国家自然科学基金资助（90305002）。

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断，这样可以减小开关器件的开关损耗，抑制开关关断时产生的过压，延长开关器件的使用寿命。图1是零电流型谐振软开关的原理图。图中电容C具有初始能量，当开关S闭合后整个回路开始谐振，谐振电流开始增大，当电容C两端电压降为零时，谐振电流达到最大。此后谐振电流开始减小，当谐振电流降为零时开关S断开，这样便创造了开关断开时零电流转换（ZCT）的条件。

3 单级高频高压脉冲电源充电装置

图2 单级高频高压脉冲电源充电装置

如图2所示为单级充电电路。其中C0为储能电容，电路的前端为L-C谐振恒流充电电路。它是利用理想情况下L和C谐振时变换器输出电流与负载无关的原理来保持在充电过程中充电电流IC的大小不变，从而省去了充电限流电阻和充分利用隔离变压器的T的容量，提高充电的速度并减少充电损耗，提高了效率[3]。

整个系统的工作流程是：储能电容C0经过恒流充电后，由开关器件控制电路的开断来使能量重 复的传输到高频变压器TX的副方，这样高频变压器的副方输出的是如图3所示的脉冲波形，这样高频变压器副方的电容是由脉冲波来进行充电的，这样做主要是便于控制副方充电的速率，达到弱电控制强电的目的。

2000

1500

1000

500

-500

-1000

-1.5-1.0-0.50.00.5

t/ms

图3 高频变压器TX副方输出电压波形

在整个过程中，开关器件都处在硬开关的工作状态下，而硬开关存在如下的缺点：

① 开关损耗大，限制了开关元件的工作频率。由于是在全额电压电流下进行开关转换，因而装换过程的瞬态功率损耗是很大的，且与元件的开关时间成正比。因此，开关损耗限制了元件的开关工作频率。

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② 方波工作方式，产生较大的电磁干扰，电路存在着较大的动态电压、电流应力，即电流和电压的变化率很大。

③ 在开关过程中，要求开关元件有较大的安全工作区。

在实验过程中，我们所取的开关频率为1kHz，结果发现开关损耗很大，发热严重；变压器原方的续流回路的功耗也很大，这主要是因为开关在关断时电流较大，因此续流回路的电流也大了；为了吸收IGBT两端的浪涌过压，我们还在IGBT两端并联了RCD尖峰吸收回路，但效果仍然不理想，并且吸收回路也存在发热现象。整个系统的效率不高，同时也抑制了功率的提高，而且开关存在着严重的过流、过压问题。为此，我们希望利用L-C谐振原理实现开关的零电流关断。

4 两级高频高压脉冲电源充电装置

图4 两级高频高压脉冲电源充电装置

如图4所示为两级充电电路。两级充电电路是在单级充电电路的基础上加了一个缓冲级，如图所示缓冲级是由一个电感L1、快恢复二极管D1和缓冲电容C1组成。其中L1的作用是隔离缓冲电容C1 的充放电过程，图5给出了缓冲电容C1的充放电等效电路。图中Lo为高频变压器TX的等效漏感值，CL为高频变压器副方折算到原方的等效电容。在该等效电路中电容C1的值远小于储能电容C0的值，此时储能电容C0可以看成一个恒压源。当L1的值远大于高频变压器TX的等效漏感值Lo时，由于L1与C1构成的谐振槽电路的谐振频率远小于Lo与C1构成的谐振电路的谐振频率，所以当开关S闭合后，C1通过高频变压器放电的过程可以忽略前端储能电容C0对C1的充电影响。当C1放电完毕，Id过零的时候开关S关断，由图1知缓冲电容C1和等效电容CL与变压器的漏感构成了辅助的谐振元

图5 缓冲电容C1的充放电等效电路

件，电感中电流即是谐振电流。当开关S断开后，储能电容C0开始对缓冲电容C1充电，当电压达到最大值时处于等待状态，直到开关S导通完成第二次放电。二极管在这里与电感L1构成了一个倍压电路，因为充电回路谐振时，在谐振1/2个周期后，使电容C1上的电压变为C0上电压的两倍，此时由于二极管的单向导电性C1的电压最终保持在C0电压的两倍值。这里充放电的时间之和限制了开关

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的频率，因此缓冲电容C1和电感L1的值需要根据需要来取。

图6给出了两级充电结构中IGBT两端的实测电压波形，图7为单级充电结构中IGBT两端的实测 电压波形。从图7中可以看到开关两端出现了较高的尖峰过电压，这对于开关器件是十分有害的。

图6 两级充电时IGBT两端的电压波形 图7 单级充电时IGBT两端电压波形

与图7比较后可以清楚的发现：两级充电结构中IGBT没有了关断过压，缓冲电容C1充电和放电情况一目了然：电压下降曲线对应C1放电过程，电压上升曲线对应C1充电过程。从图中也可以看到充电时间大大超过了放电时间，因此电感L1和二极管D1起到了隔离效果。

为了能够使开关在零电流的时候关断，我们必须根据放电回路中的电流波形来调节驱动信号的占空比。具体的做法是：首先根据回路参数估算充放电时间之和，然后取其1.5倍作为正脉宽，这是因为当放电电流Id过零后将反向，由于与IGBT并联有反向二极管，所以当放电电流反向后，电流直接经过该反向二极管，此时二极管将IGBT旁路了，直到Id再次反向。所以只要IGBT的关断时间在Id两次过零之间就可以了，也就是在充放电时间和的一倍至两倍之间，该期间的任意一点关断IGBT都可以。调好正脉宽后，可以根据电流波形来检测IGBT是否在零电流时关断。

5 保护措施

尽管两级充电电路解决了开关器件的过流、过压问题。但为了防止意外发生，仍然应该将过流和过压保护作为后备保护。在此，以IGBT为例来阐述开关器件的保护措施。

图8 缓冲电容C1的过压保护电路

首先，由于对储能电容的充电方式为恒流充电，所以当回路中出现开路故障或IGBT

的驱动电路出现故障或过流封锁时。储能电容C0和缓冲电容C1的电压会以很快的速率上升，这不仅直接危害到IGBT等开关器件的安全，还有可能超出电容的耐压值，从而使之发生爆炸。最直接的办法是在缓冲电容C1两端并联一个可控硅，在可控硅的门极和阴极之间接一个压敏电阻，压敏电阻的810

标称电压应略小于IGBT最大耐压值。如图8所示，其中Rc限流电阻，用以限制可控硅导通后的短路电流；Ry为压敏电阻。在实验中，我们所选用的是最大集射极电压为1200V的IGBT模块，因此所选的压敏电阻的标称电压为1000V。经过实验测试，当缓冲电容C1的电压超过压敏电阻标称电压时，压敏电阻阻值迅速变小，门极与阴极之间电流迅速上升使得可控硅导通，这样储能电容C0和缓冲电容C1的电压迅速降低，IGBT得到保护。该保护也可用于前端的恒流充电电路和储能电容上。

对于IGBT的过流保护，可以在IGBT的驱动电路上实现。我们使用由三菱公司生产的IGBT驱动芯片M57959L，该驱动芯片由光电耦合电路、接口电路、保护电路（短路检测、复位及栅极关断）和驱动级四部分组成[4]。其保护电路能够有效的抑制IGBT过流的发生。但是，当IGBT发生过流的时候，该芯片发出封锁信号，IGBT处于关断状态，这时便会出现如前面所述的过压问题，因此加装过压保护电路是十分有必要的。

6 结论

该套高频高压脉冲充电系统结构十分简单，操作方便；采用两级充电系统后，整个电路的损耗很低，能量传输效率很高；由于开关器件的过流、过压问题得到解决，最终能够得到频率为几Hz到几kHz、电压最高为30kV的脉冲电压波。随着系统参数的改变，开关的频率和输出电压可以进一步提高。该装置经过多次试验，证明工作稳定可靠。

参考文献

[1] 毕强. PWM正激式零电压软开关及电源. 电力电子技术，1994，（4）：10-13

[2] 贾正春，马志源. 电力电子学. 中国电力出版社，2002

[3] 郭志刚，韩渂，王黎明. 100kV强流重复脉冲放电装置. 电工电能新技术，1998，（2）：

37-40

[4] 华伟. IGBT驱动及短路保护电路M57959L研究. 电力电子技术，1998，32（1）：88-91

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