一種基于IGBT為核心器件的大功率高頻高壓直流電源技術(shù)

何峰

摘 要 目前，用于大功率電子槍供電的電源基本采用可控硅調(diào)壓，工頻變壓器升壓后并整流輸出的方式，該類電源有著柜體笨重、制造成本高、輸出電壓紋波大、電能轉(zhuǎn)換效率低、動(dòng)態(tài)性能差等多項(xiàng)缺點(diǎn)和不足。本文介紹了一種基于IGBT為功率器件的大功率高頻高壓直流電源技術(shù)，其具有體積小、重量輕、控制精度高、穩(wěn)定性好、紋波系數(shù)低、檢測(cè)響應(yīng)與保護(hù)速度快等優(yōu)點(diǎn)。

關(guān)鍵詞 IGBT；核心器件；大功率；電源技術(shù)

中圖分類號(hào) TM7 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼 A 文章編號(hào) 2095-6363（2017）16-0087-03

電子束冷床熔煉爐（簡(jiǎn)稱EB爐）是一種利用大功率電子束轟擊金屬材料產(chǎn)生高溫而達(dá)到冶煉目的特殊真空冶金設(shè)備，其中的電子槍和高壓直流電源是其最核心的組成部分。電子槍的高壓直流電源形成電子束加速電源，并在陰極提供源源不斷用以加速的電子形成高速電子束。

目前，用于電子槍供電的電源均是采用可控硅調(diào)壓后，工頻變壓器升壓后整流輸出的方式，該電源有著體積笨重、成本高、輸出電壓紋波大、轉(zhuǎn)換效率低、動(dòng)態(tài)性能差等多項(xiàng)缺點(diǎn)和不足。隨著IGBT功率器件運(yùn)用技術(shù)的日益成熟，高頻開(kāi)關(guān)電源替代傳統(tǒng)的工頻硅整流電源已經(jīng)成為電源設(shè)計(jì)的一種發(fā)展趨勢(shì)。針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)中的傳統(tǒng)可控硅式高壓線性直流電源所存在的不足之處，可以采用IGBT作為核心功率器件研發(fā)一種全新的大功率高頻高壓大功率直流電源。

該電子槍高頻高壓直流電源主回路采用IGBT全橋逆變及多模塊串聯(lián)均壓技術(shù)，提高電源的控制響應(yīng)速度，實(shí)現(xiàn)電源的高電壓、大功率輸出；通過(guò)對(duì)高壓升壓變壓器的寄生參數(shù)進(jìn)行諧振，降低高壓升壓變壓器的制作難度、實(shí)現(xiàn)開(kāi)關(guān)管的軟開(kāi)關(guān)，使電源的轉(zhuǎn)換效率高達(dá)95%；利用錯(cuò)相的控制方法，減少輸出大電容、電感的濾波，使電源的輸出紋波低于1%，有效解決轉(zhuǎn)換效率低、輸出紋波高、輸出穩(wěn)定性低等技術(shù)問(wèn)題。

1 技術(shù)原理概述

大功率高頻高壓直流電源主要由前級(jí)EMI濾波、整流后經(jīng)四路諧振變換器、高頻升壓變壓器升壓、整流后串聯(lián)輸出高壓直流。系統(tǒng)的工作方式為連續(xù)工作，其工作原理為：電網(wǎng)的3AC380V交流電經(jīng)EMI濾波器和三相交流電抗器，可以有效濾除電網(wǎng)側(cè)的高次諧波對(duì)高壓直流電源的干擾，同時(shí)也能阻止高壓電源高頻開(kāi)關(guān)斬波產(chǎn)生的高次諧波干擾同電網(wǎng)下的其他用電設(shè)備。整流回路將三相交流電整流輸出300Hz的脈動(dòng)直流，整流后接四路改進(jìn)型諧振變換器，每路諧振變換器都配有LC濾波、IGBT全橋逆變器、串聯(lián)諧振回路。四路串聯(lián)諧振變換器受主控制板統(tǒng)一控制其PWM的觸發(fā)相位，多路PWM波錯(cuò)相觸發(fā)技術(shù)的應(yīng)用有效的降低高壓直流電源的輸出紋波。四路諧振變換器后接高頻升壓變壓器升壓，低漏感、大功率、高隔離電壓的高頻升壓變壓器升壓后接整流回路。高頻高壓大功率直流電源系統(tǒng)如圖1所示。

反饋處理、主控制板和模塊控制板組成系統(tǒng)控制回路，反饋處理隔離采集高壓輸出的電壓、電流信號(hào)并輸出模擬信號(hào)到主控制板，為主控制板的閉環(huán)控制提供實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)。主控制板通過(guò)光纖通信和模塊控制板交換信號(hào)，統(tǒng)一控制模塊控制板的工作狀態(tài)；主控制板發(fā)出的錯(cuò)相PWM波采用光纖方式傳送，可靠性大大提高。

1.1 模塊主回路拓?fù)?/p>

從上述整機(jī)方案可知，各模塊共用直流母線，經(jīng)獨(dú)立的LC濾波，降低300Hz紋波提高輸出電壓穩(wěn)定度，降低輸出電壓紋波為IGBT逆變橋提供穩(wěn)定的直流電源。為適應(yīng)電子槍電源的要求，采用IGBT高頻逆變技術(shù)具有工作頻率高，可以快速的調(diào)節(jié)輸出，響應(yīng)快的優(yōu)點(diǎn)。

如圖2所示，輸入直流經(jīng)整流、濾波后，得到平滑直流電，經(jīng)IGBT轉(zhuǎn)換為高頻交流，經(jīng)高壓變壓器隔離后，由高壓整流二極管整流，再濾波可得到高壓輸出。根據(jù)輸出功率的不同，調(diào)節(jié)IGBT導(dǎo)通/關(guān)斷時(shí)間比，即可穩(wěn)定輸出電壓。

模塊由直流熔斷器、直流電抗器、濾波電容、IGBT、變壓器、高壓整流二極管、高壓濾波電容等組成。每個(gè)模塊獨(dú)立供電，當(dāng)任意模塊出現(xiàn)故障時(shí)，有交流熔斷器進(jìn)行隔離保護(hù)，可將故障點(diǎn)限制在單個(gè)模塊內(nèi)，確保系統(tǒng)安全。

1.2 模塊主回路軟開(kāi)關(guān)原理

由于單模塊電源輸出功率大、輸出電壓高、電流大，若采用傳統(tǒng)的變換器，開(kāi)關(guān)管工作在硬開(kāi)關(guān)狀態(tài)，存在開(kāi)關(guān)損耗，即開(kāi)關(guān)時(shí)有開(kāi)通損耗和關(guān)斷損耗。如圖3所示，開(kāi)關(guān)電源的開(kāi)關(guān)管開(kāi)通過(guò)程中，開(kāi)關(guān)管兩端電壓下降與流過(guò)其上電流存在一疊加區(qū)域，他們的交叉面積就是能量損耗，由此產(chǎn)生了開(kāi)通損耗；同理，在開(kāi)關(guān)管兩端電壓和電流也存在一交疊過(guò)程，使開(kāi)關(guān)管同樣存在關(guān)斷損耗。

由于開(kāi)關(guān)損耗在每次開(kāi)關(guān)過(guò)程中均存在，隨著電源工作頻率提高，總的開(kāi)關(guān)損耗就越大，電源的效率就越低。而且由于開(kāi)關(guān)過(guò)程中電壓的變化率du/dt和電流的變化率di/dt很大，會(huì)產(chǎn)生很大的開(kāi)關(guān)噪聲，而產(chǎn)生電磁干擾，使系統(tǒng)正常運(yùn)行受到影響。在硬開(kāi)關(guān)工作狀態(tài)下，受高頻高壓升壓變壓器的漏感、分布電容對(duì)變換器工作的影響非常大，甚至使電源不能工作，因此硬開(kāi)關(guān)不適合高壓直流電源的需求。

軟開(kāi)關(guān)技術(shù)可以減小開(kāi)關(guān)變換器中的開(kāi)關(guān)器件在開(kāi)通和關(guān)斷過(guò)程中的開(kāi)關(guān)損耗，提高變換器的效率，減小EMI電磁干擾，減小開(kāi)關(guān)器件散熱裝置的體積和重量，提高變換器的工作可靠性，減小變壓器寄生參數(shù)對(duì)系統(tǒng)的影響。為此，在變換器中采用了軟開(kāi)關(guān)技術(shù)，利用高壓變壓器的寄生參數(shù)進(jìn)行諧振，實(shí)現(xiàn)了電源的高電壓大功率輸出和開(kāi)關(guān)管的軟開(kāi)關(guān)，提高系統(tǒng)的效率和運(yùn)行可靠性，軟開(kāi)關(guān)控制脈沖和電流電壓波形見(jiàn)圖4。

在一個(gè)PWM周期內(nèi)Q1、Q2、Q3、Q4的開(kāi)關(guān)損耗如表1所示：

從表1可以看到出，在一個(gè)PWM周期內(nèi)Q1、Q2、Q3、Q4的4次開(kāi)通和4次關(guān)斷過(guò)程中只有2次關(guān)斷為硬關(guān)斷，其他都是軟關(guān)斷或軟開(kāi)通，和普通的開(kāi)關(guān)電源拓?fù)湎啾葮O大的減少開(kāi)關(guān)損耗，提高整機(jī)轉(zhuǎn)換

效率。

2 技術(shù)指標(biāo)對(duì)比及特點(diǎn)

2.1 諧波endprint

高壓直流線性電源方案中為了穩(wěn)定輸出電壓，工頻升壓變壓器在設(shè)計(jì)時(shí)通常留有較大余量，可控硅在調(diào)節(jié)輸出時(shí)的強(qiáng)制關(guān)斷使電壓、電流諧波高達(dá)70%；而高壓直流電源方案采用IGBT作為核心功率器件，前級(jí)的二極管整流在其輸入電壓的過(guò)零點(diǎn)自然關(guān)斷和導(dǎo)通，減少電網(wǎng)電壓、電流波形的畸變。

2.2 率因數(shù)、轉(zhuǎn)換效率

高壓直流線性電源為了穩(wěn)定輸出電壓，工頻升壓變壓器在設(shè)計(jì)時(shí)通常留有較大余量，可控硅在調(diào)節(jié)輸出時(shí)的強(qiáng)制關(guān)斷，使得每個(gè)工頻周期都有一部分電能未能做功，對(duì)電網(wǎng)的利用率很低，功率因數(shù)甚致低于0.7，轉(zhuǎn)換效率低于70%；而高壓直流電源方案采用IGBT作為核心功率器件，每個(gè)周期對(duì)電網(wǎng)的利用率幾乎達(dá)到了100%，轉(zhuǎn)換效率高達(dá)93%。

2.3 輸出電壓紋波

高壓直流線性電源中變壓器升壓后工頻整流的300Hz紋波需要很大的濾波電感、電容才能有效抑制，而高耐壓的濾波電感、電容制作困難、體積龐大，這些因數(shù)使得最終的輸出電壓紋波高達(dá)8%以上；而高壓直流電源所采用諧振變換器的開(kāi)關(guān)頻率達(dá)到11kHz，通過(guò)在前端電感電容對(duì)300HZ進(jìn)行濾波后，采用先進(jìn)的PWM錯(cuò)相觸發(fā)移，升壓后整流輸出的紋波頻率達(dá)到88kHz，可以用很小的濾波電感、電容就達(dá)到很好的濾波效果，這些措施使得最終的輸出電壓紋波優(yōu)

于1%。

2.4 打火響應(yīng)能力

高壓直流線性電源采用的可控硅調(diào)壓方式，其開(kāi)關(guān)頻率低，一個(gè)工頻周期內(nèi)只開(kāi)通關(guān)斷一次，當(dāng)出現(xiàn)打火時(shí)，不能立即關(guān)斷，要到該周期的自然過(guò)零點(diǎn)時(shí)才能關(guān)斷，持續(xù)的能量輸出容易使設(shè)備及電源本身?yè)p壞；而高壓直流電源采用的諧振變換器方式，其開(kāi)關(guān)頻率高達(dá)11kHz，當(dāng)出現(xiàn)打火時(shí)，原邊的逆變回路可在2us內(nèi)將IGBT關(guān)斷，電源系統(tǒng)可在55us內(nèi)控制打火電流和輸出功率，將電源本身和用電設(shè)備的損壞可能降到

最低。

3 大功率高頻高壓電源的特點(diǎn)

1）大功率高電壓。具有大功率、高壓大電流的特點(diǎn)，電源功率可達(dá)450kW，高壓大電流可達(dá)15A以上。2）高效節(jié)能。采用ZVZCS技術(shù)，大大降低開(kāi)關(guān)管損耗，延長(zhǎng)開(kāi)關(guān)管使用壽命，整機(jī)轉(zhuǎn)換效率高達(dá)95%以上。3）高性價(jià)比。采用高頻逆變技術(shù)，提高系統(tǒng)響應(yīng)調(diào)節(jié)速度和輸出穩(wěn)定性。極大地減少了升壓變壓器的成本和體積，節(jié)省高壓電源成本10%～15%，減少電源系統(tǒng)的占地面積30%～40%。4）響應(yīng)速度快。專門研發(fā)輸出電壓、電流的快速采集技術(shù)，為打火狀態(tài)的判定提供可靠的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)。高性能DSP的使用使打火保護(hù)功能可在55us內(nèi)快速響應(yīng)，打火保護(hù)后電源的重啟最短可在1ms（1～999ms可設(shè)）內(nèi)完成。5）穩(wěn)定精度高。高性能DSP控制和優(yōu)秀的控制算法，采用隔離采樣，確保系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行，穩(wěn)定精度高達(dá)0.5%。6）低紋波系數(shù)。先進(jìn)的PWM錯(cuò)相觸發(fā)技術(shù)能有效控制輸出電壓紋波，輸出紋波優(yōu)于1%。

4 與國(guó)內(nèi)外同類技術(shù)比較

經(jīng)過(guò)在國(guó)內(nèi)多方合作研制和樣機(jī)測(cè)試，與國(guó)內(nèi)、外同類高壓直流電源產(chǎn)品主要新能指標(biāo)對(duì)比見(jiàn)

表2。

與國(guó)內(nèi)外廠家的電源對(duì)比，本大功率高頻高壓直流電源全面超過(guò)了國(guó)內(nèi)傳統(tǒng)技術(shù)的可控硅式高壓直流電源，并與國(guó)外高壓直流電源的關(guān)鍵性技術(shù)指標(biāo)持平，其中輸出紋波還優(yōu)于國(guó)外

產(chǎn)品。

本技術(shù)無(wú)論從節(jié)能降耗，還是從國(guó)產(chǎn)化研發(fā)技術(shù)創(chuàng)新思路出發(fā)，都具有一定的技術(shù)優(yōu)勢(shì)，由于技術(shù)保密需要，本文也只是做了一些粗略的介紹和探討，還有更深層次的技術(shù)還需在實(shí)踐中進(jìn)一步地完善和

提升。

參考文獻(xiàn)

[1]電氣學(xué)會(huì)半導(dǎo)體電力變換系統(tǒng)調(diào)查專門委員會(huì).電力電子電路[M].北京：科學(xué)出版社，2003.

[2]劉鳳君.正弦波逆變器[M].北京：科學(xué)出版社，2002.

[3]葛中海.開(kāi)關(guān)電源實(shí)例電路測(cè)試與設(shè)計(jì)[M].北京：電子工業(yè)出版社，2015.

[4]孝正.電力電子學(xué)[M].李世新，陳君實(shí)，譯.北京：科學(xué)出版社，2001.

[5]林輝，王輝.電力電子學(xué)[M].武漢：武漢理工大學(xué)出版社，2003.

[6]陳道煉.DC-AC逆變技術(shù)及其應(yīng)用[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2003.

[7]楊潔民.高壓直流設(shè)備基礎(chǔ)[M].北京：中國(guó)電力出版社，2011.

[8]倪海東，蔣玉萍.高頻開(kāi)關(guān)電源集成控制器[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2005.

[9]劉鳳君.DELTA逆變技術(shù)及其在交流電源中的應(yīng)用[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2003.

[10]伯格丁.信號(hào)完整性和電源完整性分析[M].李玉山，譯.北京：電子工業(yè)出版社，2005.endprint