高精度的IGBT开关脉冲直流稳流电源
高精度开关电源的设计
高精度开关电源的设计李亮; 陈广来【期刊名称】《《天津理工大学学报》》【年(卷),期】2019(035)005【总页数】6页(P23-28)【关键词】开关电源; Buck电路; 低功耗; 低纹波率; 稳压【作者】李亮; 陈广来【作者单位】天津理工大学机械工程学院天津市先进机电系统设计与智能控制重点实验室天津300384【正文语种】中文【中图分类】TN86开关电源是在电力电子技术的基础上，通过调节开关管的占空比使其输出稳定电压的一种电源[1].DC-DC 的降压方式有两种，第一种是线性降压（LDO）电路，第二种是Buck 电路.根据线性降压式电源，负载功率越大，效率越低；负载功率越小，效率越高[2]；自身承担多余的电压实现降压的特点，针对大功率的工况下线性降压电压功耗大，发热量大，因此在工业控制领域以及电子技术领域，开关电源得到了广泛应用.例如，作为基准源以及给元器件提供精准稳定的电压[3]；在该场合下，电路设计中需要输出稳定、低功耗的电压源作为基准电源使用.为满足上述设计要求，本设计以Buck 拓扑结构电路为基础，通过该电路的核心器件电感实现能量的搬运，实现输入24 V 电压到12 V 的稳定输出.1 原理分析Buck 拓扑结构电路，主要由开关S、电感L、电容C 和二极管D 组成，Buck 拓扑结构电路的原理图如图1所示.由于电感L 是阻碍电流变化的器件，电感上的电流变化会产生感应电动势.当开关S 闭合时，电感上的电流发生改变会产生感应电动势，此时输入电压通过电感L 对电容C 进行充电，电感上的电流持续增加，电容C 上的电压维持输出电压稳定，最终负载RZ 上的电压等于电容C 两端的电压.当开关S 断开时，电感L 上的电流发生改变，电感L 上会产生与原电感极性相反的感应电动势，电感上的电压通过负载RZ 和续流二极管D 回到电感自身，当负载RZ 发生变化时，所需的电流变大，电容通过放电来维持负载RZ 的电流稳定.图1 Buck 拓扑结构电路Fig.1 Buck topological circuit通过开关S 的闭合与关断，使Buck 电路工作在稳定状态[4]，电感工作在连续模式[5-6]下，电感L 上的电流IL 波形如图2所示.由于电感上的电流不能激变，当开关S 闭合时，电感上的电流以一定的变化速率来维持电感L 上感应电压的不变，此时电感上的电流一直增加到Imax；当开关S 断开时，电感上的电流以一定的变化速率来维持电感L 上感应电压的不变，此时电感上的电流一直减小到Imin，再闭合开关S，当电感L 上的电流增加到Imax，再断开开关S 直到电感L 上的电流减小到Imin，往复进行.当开关S 闭合时，电源通过电感给电容充电，给负载提供能量；当开关S 断开时，电感上的能量还会继续给电容和负载提供能量，当电感L 上的能量为零时，负载上的能量需要电容来维持，保证输出稳定，这样负载上的纹波小.图2 电感工作在连续模式下电感上的电流波形图和对应的占空比Fig.2 Current waveform and duty cycle of inductor operating in continuous mode根据伏秒法则[7]，当开关S 闭合时，其中，占空比为即其中：Von 为开关闭合加在电感两端的电压；ton 为电感的导通时间；toff 为电感的关断时间；VL 为开关闭合时电感两端电压；Vin 为输入电压；Vout 为输出电压；VD 为二极管两端电压；Voff为开关关断时电感两端电压.2 电路设计该系统主要由驱动电路、Buck 电路、PWM 波产生电路、过压保护电路、过流保护电路组成，电路的总体设计框图如图3所示.其中PWM 波产生电路模块包括软启动电路和三角波发生电路，该模块能够实现占空比可调，电平电位可调，PWM 波的频率为20 kHz.图3 电路的总体设计Fig.3 Overall design of circuit2.1 驱动电路和Buck电路MOS 管具有开关速度快，导通电流大，耐压高，功耗低的优点，故采用MOS 管做为开关管.为了加快MOS 管的开通速度和关断速度来降低开关损耗[8]，故在开关管的前级加上驱动电路实现MOS 管的快速开关，如图4所示.比较器是OC 输出需要接上拉电阻R9，比较器输出为PWM 波，当比较器输出端的电压为高电平时三极管Q2 导通，大电流流经三极管Q2 和电阻R10，MOS 管快速开启.当比较器输出低电平时，三极管Q3 导通，MOS 管GS 之间的电压通过电阻R10，在三极管Q3 上产生大电流使MOS 管迅速关断.MOS 管的GS 之间可能会存在静电故在上电之前通过电阻R12 进行放电，避免上电过程中GS 之间的电压值过高影响MOS 管的寿命.在没有上电前比较器输出端是高阻态，假设比较器输出端电压为高电平时，三极管Q2 导通，通过限流电阻R10，使MOS 管的GS 间产生电压，该电压通过电阻R12 释放MOS 管GS 之间的电压.图4 Buck 电路和驱动电路Fig.4 Buck circuit and drive circuit当MOS 管开通24 V 电压通过电感时，由于电感的自感效应，电感上的电流持续增加，对电容充电，并为负载供电.当MOS 管关断时，由于电感的自感效应，电感上的电压通过负载和二极管会产生续流作用，保证负载上的电流稳定输出.如此反复进行，能够使负载上的电压和电流维持在稳定状态.2.1.1 电感参数的计算电感上的电流纹波率为γ=ΔI/IL，如图2所示，电感上的感应电压由电感上的电流变化率引起的，根据该特性对电感参数的计算进行了详细的推导和计算说明，推导过程见公式（5）.其中，γ 为电感上电流纹波率；IL 为电感上的电流；L为电感量；ΔIoff 为开关关断时电感上电流变化量；toff为电感的关断时间；T 为开关电源的周期；f 为开关电源的频率；Vc 为电容两端电压；VO 为输出电压.根据电感的计算公式（6）可以看出，电感量与开关电源的频率，占空比，输出电压，输出电流以及电感上的电流纹波率有关；为了保证输出电压的高精度，既要考虑实际MOS 管存在米勒效应，还要考虑电感上的电流纹波率的取值问题.当占空比一定的情况下，如果开关电源的频率越高，MOS 管的开通和关断的次数越多，MOS 管发热大，随着温度的升高，MOS 管导通，电流下降，负载电流仍然很大，会造成MOS 管损坏，温度更高处于极温下，寿命降低以及米勒效应的存在都会引起电感上的纹波率变大；当开关电源的频率过低时，MOS 管的开通和关断的次数低，这会直接引起电感上的电流纹波率变大；故开关电源的频率取为20 kHz，电感上电流的纹波率取0.1，电感上的电流纹波率小，保证电压输出电压纹波率低.输出电压为Vo=12 V，电感上电流纹波率γ=0.1，占空比D=0.5，输出最大电流IO=200 mA，开关电源频率f=20 kHz.计算得电感量L=15 mH，实际取值需要将电感量放1.2 倍的余量.电感上额定电流最小值IL=IO×（1+γ/2）=0.21 A，故电感取值L=60 mH，电感上额定电流取值IL=250 mA.2.1.2 输出电容参数的计算Buck 结构拓扑电路，输出电容上的电压纹波主要是由ESR 引起的，纹波率越大，发热越大，选择低ESR 成本高，体积大；低纹波率电容大，成本高；根据电源滤波输出波纹系数公式（7）[9]计算输出电容值.还要考虑输出电容的电流耐受能力，输出电容可以采用多个电容进行并联，这样既可以得到较小的ESR，还可以承受更大的纹波电流.纹波电流为纹波电压为输出电容的电容值为考虑实际情况下，系统可能出现瞬态过冲以及周围环境出现干扰，将电容值放一定的余量，将取电容值为100 μF，保证输出电压的纹波小.2.2 三角波发生电路设计三角波发生电路由OC 级输出的LM339 比较器组成，如图5所示.当比较器输出为高时，比较器正端的电压等效为R3 和R4 的串联，然后和R1 并联，再与电阻R2 串联，对电源进行分压.此时比较器正端输入电压为9V 并且电压源通过R4、R5 对电容C2 进行充电，当电容C2 两端的电压高于比较器正端电压时，比较器的输出为低，电容C2 开始放电.此时比较器正输入端的等效电压为电阻R2 和电阻R3的并联，再与电阻R1 串联，进行分压，比较器正输入端的电压为5V.通过改变电阻R1 到R5 的阻值以及电容C2 的容值，实现三角波频率可调[10].图5 三角波发生电路Fig.5 Triangular wave generating circuit2.3 软启动电路三角波发生电路电压上升速度低于电平电路的电压上升速度，比较器输出的PWM 波的占空比为100%，此过程中开关管会保持开通，导致电感上的电流持续增加，当电流过大时，会导致电感烧毁，为避免该现象的发生，故采用软启动电路[11].软启动电路如图6所示.在电路开始上电的过程中，电源通过R7 和R8 对电源进行分压，产生一个稳定的电压，其中三极管基极的电位可通过调节R7 的电阻值改变三极管基极电位，同时，电源通过电阻R6 对电容C3 进行充电[12].因此，刚开始上电的过程中，三角波电压上升速度高于电容C3 两端电压上升速度，故比较器不会输出高电平，避免了电感出现烧毁现象.由于三极管基极和发射极存在0.7 V 的压差，当电容电压上升到比三极管基极电压高0.7 V时，三极管导通，电容开始放电；当电容上的电压放到低于三极管基极电压时，三极管关断.该设计能够实现比较器正输入的电压稳定，使得比较器输出的PWM 波稳定且可调.图6 软启动电路Fig.6 Soft start circuit2.4 上电启动电路和自举充电电路上电启动电路和自举充电电路如图7所示.该电路采用MOS 管的N 管作为开关管，由于MOS 管的N 管开关速度和输出电流能力大于P 管，三极管的功耗大，IGBT 导通速度比MOS 管慢.采用悬浮电路可以大大简化MOSFET 驱动电路[13-14]，故采用悬浮设计的思路.当MOS 管导通时，MOS 管的源极S 的电压约为24 V，此时电容C5 的电压会悬浮在24 V，当稳定工作时，电容C5 两端电压维持在12 V，此时，电容C5 正极的绝对电压为36 V，电容C5 负端的绝对电压为24 V.图7 上电充电电路和自举充电电路Fig.7 Power on charging circuit and bootstrap charging circuit自举电容C5 在达到稳定工作要保持驱动电路电压为12 V，PWM 波产生电路提供稳定的电压源.当开始上电时，24 V 电压通过电阻R16 给自举电容C5 进行充电，由于三极管be 之间存在10 V 稳压管以及0.7 V 的压降，当自举电容上的电压充到11.7 V时，三极管Q5 开始导通，三极管Q5 的集极电压为11.4 V，此时电压通过电阻R14 到三极管Q4，使三极管Q4 导通，此时三极管Q4 的集电极一直保持在0.3 V，自举电容能够给驱动电路和PWM 波产生电路进行供电.刚开始上电过程中，PWM 波产生电路的速度远大于上电充电电路中自举电容电压电压下降的速度，这样可以保证开关电源稳定输出.当开关管闭合时，自举电容的绝对电压为36 V，高于12 V，由于电容C4 上的电压一直保持在绝对的12 V 不变，无法实现对自举电容充电.但是当开关管断开时，自举电容上的绝对电压值低于12 V，此时电容C4 上12 V 的电压通过二极管对自举电容充电.图8 过压保护电路和过流保护电路Fig.8 Overvoltage protection circuit and over-current protection circuit2.5 过压保护电路和过流保护电路过压保护电路和过流保护电路如图8所示.当开关管开通时，电感上的电流持续上升，此时电感上的电流等于电阻R13 上的电流，故采用电阻R13 进行电流采样.为了降低功耗，采用2Ω 的电阻进行采样.当电阻R13 上的电流过大时，电阻R13 上的电压上升，使三极管Q7 导通，此时三极管Q7 集电极上的电压会迅速降到0.3V，使PWM 波输出为低电平，开关管断开，此时电感上的电流下降，避免电感上电流过大，导致烧毁[15].自举充电电路采用悬浮设计思想，直接检测电容C4 的电压会导致电路过于复杂.当开关管闭合时，电容C4 上的电压高于自举电容C5 上的电压值，对自举电容C5 进行充电，自举电容C5 上的电压值最终等于电容C4 上的电压值，故可以通过检测自举电容上的电压值进行过压保护.当输出电压过高时，自举电容上的电压升高，当电压值高于稳压管D4 的导通电压时，三极管Q8 导通时，集电极电压会降为0.3 V，使比较器AR2 的正输入端降低，PWM 波产生电路的输出为低电平，开关管闭合，故电容C4 上的输出电压降低[16].3 结论根据电源要满足低纹波率，高可靠性以及低功耗等应用场合，本文设计了一种基于Buck 电路的降压式开关电源.本设计由Buck 电路、驱动电路、三角波产生电路、软启动电路、自举充电电路、过压保护电路和过流保护电路组成.Buck 电路实现能量的搬运.驱动电路起到MOS 管的快速关断和开通作用.三角波电路和软启动电路实现频率和占空比可调的PWM 波.自举充电电路为驱动电路和三角波产生电路进行供电.过压保护电路为避免输出电压过高导致被供电系统出现故障.过流保护电路为避免电感上电流过大，导致电感烧毁.该开关电源电感上电流纹波率控制在10%，最终输出电压纹波率小于0.8%.输入电压为24 V，输出电压为12 V，最大输出电流在0.2 A.该开关电源具有纹波率低，稳压精度高、稳流，功耗低，成本低，体积小，重量轻，过流保护和过压保护等特点.该开关电源可以广泛应用于工业自动化控制、仪器仪表、医疗设备、通讯设备等领域.参考文献：【相关文献】［1］Luo P，Wang D，Peng X L.An adaptive voltage scaling buck converter with preset circuit［J］.Chinese Journal of Electronics，2019，28（2）： 229-236.［2］魏泰鸣，杨毅.一种高效率低纹波的Buck 电路改进方案［J］.价值工程，2018，37（22）：176-178.［3］Paul 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脉冲电源中IGBT_模块功耗及内部瞬时结温升研究
脉冲宽度、输出电压、输出电流、峰值功率以及脉冲重复频率是脉冲电源常用的几个重要技术指标，不同的应用场合对技术指标的要求不同。
脉冲电源在电除尘领域应用已有很长的历史。
在国外，丹麦FLSmidth 公司长期以来都将脉冲电源应用在电除尘领域。
在国内，随着超低排放标准实施，脉冲电源凭借其突出的节能提效优势在电除尘领域迅速推广，从2014年开始，该文提到的脉冲电源在国内应用已超过1 000台，广泛应用于电力、冶金以及建材等工业领域[1]。
开关器件是脉冲电源的核心器件，同时也是制约脉冲电源性能提高的瓶颈。
除尘用脉冲电源为了满足工业现场自动控制的需求，通常采用晶闸管或IGBT 等可控半导体器件作为开关。
在脉冲产生的过程中，开关器件在短时间内需要承受极大的电流；而在脉冲电源工作的间隙时间内，即2个脉冲之间，开关器件处于关断状态。
而通常脉冲电源的占空比较低，要在开关电源通流能力的可靠性与经济性之间取得平衡，就需要准确计算开关器件的发热情况，即功耗计算和热阻计算，这样既可以保证芯片结温不超过规格书规定的上限，也可以合理对器件载流能力进行选型，避免成本增加。
1 IGBT 模块功耗计算如果需要计算开关器件在单次脉冲输出过程中的功耗，就需要确定开关器件的电流以及其开通时间。
1.1 电路拓扑及峰值电流计算除尘用脉冲电源主回路原理如图1所示。
左半部分是脉冲发生单元（Pulse Unit ），负责产生80 kV 的负高压脉冲；右半部分是直流负高压输出单元（DC Unit ），产生60 kV 的基础直流负高压。
负载为电除尘器，其内部物理结构为板线式。
当计算脉冲电源参数时，可以将其简化等效为1个等效电容，其容量通常为100 nF ，该文中提到的脉冲电源的额定负载为115 nF 。
各主器件功能分别如下：扼流圈（Choke ），用于抑制一次侧直流母线电压向谐振电容C p 充电的电流；一次侧谐振电容（C p ），提供单次脉冲输出所需的能量；隔脉冲电源中IGBT模块功耗及内部瞬时结温升研究卢裕明（福建龙净环保股份有限公司，福建 龙岩 364000）摘 要：绝缘栅双极晶体管（IGBT）的结温升是考察电源的重要参数，其指标直接影响系统的可靠性。
单片机在可调直流斩波稳压电源中的应用
单片机在可调直流斩波稳压电源中的应用【摘要】基于单片机控制技术，设计出一种可调直流斩波稳压电源。
它的主电路由三相桥式不可控整流电路、采用IGBT作为开关功率管的降压斩波电路和电容滤波电路组成。
它的控制电路以AT89s52单片机为控制核心，通过反馈电压与基准电压比较来调制PWM波，PWM波作为EXB841的输入信号，实现对IGBT器件的导通关断控制，从而实现可调直流稳压。
系统软件采用混合语言编程，对系统实时性要求较高的部分采用汇编语言编程，以提高运行速度，其他部分，采用C语言编程。
实验证明，该稳压电源，性能稳定，抗干扰能力强，简单易于操作。
【关键词】稳压电源；斩波电路；单片机；PWM；IGBT直流稳压电源是一种常见的电子设备，被广泛的应用与各个领域。
目前市面上使用的直流电源大部分是线性电源，而线性直流稳压电源由分立器件组成，存在体积大、效率低、可靠性差、操作不便、故障率高等缺点。
随着电子技术的迅猛发展，各种电子设备对电源性能的要求越来越高。
稳压电源日益朝着小型化、高效率、模块化、智能化方向发展。
本文介绍了一种以单片机系统为核心的新型可调直流稳压电源的设计，他主要由斩波电路和AT89S52单片机控制系统构成。
它具有体积小、重量轻（体积和重量只有线性电源的20～30%）、效率高（一般为60～70%，而线性电源只有30～40%）、自身抗干扰性强、输出电压范围宽、模块化等优点。
而且价格低廉，操作简单。
具有较高的应用价值。
1.系统的总体设计该系统由两部分组成，即主电路和控制电路。
如图 1 所示，主电路由整流滤波电路、IGBT斩波电路、滤波电路组成；控制电路由控制电源、AT89S52单片机系统、IGBT驱动电路、ADC模数转换电路、8279键盘显示电路、检测保护电路组成。
主电路中整流滤波电路采用常用的三相桥不可控整流器，将电网的三相交流电压转换成直流，再经电容滤波得到平滑的直流电压。
稳压电路是由大功率器件IGBT实现的降压斩波电路。
igbt的固态高压脉冲电源的设计原理
IGBT的固态高压脉冲电源的设计原理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，其中高压脉冲电源是系统的核心组成部分。
为了获取高重复频率、陡前沿高压脉冲电源，文中提出了一种基于IGBT的高压脉冲电源，系统主要由高压直流充电电源和脉冲形成电路两部分组成，由DSP作为主控制芯片，控制IGBT的触发和实现软开关技术，并用仿真软件PSIM对高压脉冲电源进行仿真分析，验证了设计思想的正确性。
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。
比如说高能量物理、粒子加速器、金属材料的加工处理、食品的杀菌消毒、环境的除尘除菌等方面，都需要这样一种脉冲能量--可靠、高能量、脉宽和频率可调、双极性、平顶的电压波形。
无论将此高功率脉冲电源用于何种用途，高压脉冲电源均是其设计的核心部分。
传统的高功率脉冲电源一般采用工频变压器升压，然后采用磁压缩开关或者旋转火花隙来获取高压脉冲，因而大都比较笨重，且获得的脉冲频率范围有限，其重复频率难以调节，脉冲波形易变化，可靠性较低，控制较困难，成本较高。
文中采用固态电器--IGBT来获取高压脉冲波形。
将IGBT 作为获取高压脉冲的电子开关，利用IGBT构成LCC串并联谐振变换器作为高压脉冲电源的充电电源，同时利用IGBT构成全桥组成脉冲形成电路，输出双极性高压脉冲波形。
文中给出了系统结构、系统各个部分功能说明，通过仿真电力电子仿真软件PSIM对LCC充电过程和脉冲形成电路进行仿真分析。
1 高压脉冲电源系统结构1.1 高压脉冲电源的拓扑结构高压脉冲电源常用的主电路拓扑可以归纳为两类：电容充放电式和高压直流开关电源加脉冲生成的两级式两种。
电容充放电式是通过长时间充电、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。
优点是可以输出的脉冲功率和电压等级较高，脉冲上升沿较陡;但是，输出脉冲的精度难以控制，而且重复频率低，因而应用范围比较有限，主要应用在核电磁物理研究、烟气除尘、污水处理、液体杀菌等场合。
ADS1251在高精度稳流电源中的应用
ADS1251在高精度稳流电源中的应用谢小峰;郭宏林;杨永锋【摘要】ADS1251是一种高精度、宽动态范围的24位△-∑结构模数转换器.介绍了AD S1251的功能特点,并给出了ADS1251芯片在数字化高精度稳流电源中用于采集转换闭环电流反馈信号的硬件电路,与微处理器的接口方法及其时序控制.【期刊名称】《电气传动自动化》【年(卷),期】2011(033)005【总页数】5页(P37-41)【关键词】ADS1251;高精度稳流电源;串行接口;时序控制【作者】谢小峰;郭宏林;杨永锋【作者单位】南京禄口国际机场动力技术部,江苏南京210029;天水电气传动研究所有限责任公司,甘肃天水741020;甘肃烟草工业有限责任公司天水分厂,甘肃天水741020【正文语种】中文【中图分类】TN71 引言在高精度电源的控制电路中，全数字化的控制调节器已逐步取代传统的模拟控制电路。
而在数字控制器用于调节闭环的反馈回路中，负责电流及电压等模拟信号采样的模数转换器（ADC）成为影响数字调节器性能的关键硬件。
通常，在数字化高精度电源中，其数字调节器至少应包含两个调节环，即电流闭环和电压闭环。
每个调节闭环的反馈回路都需要一个能满足其精度及速度要求的A／D转换器。
一般来说，电流环和电压环对于A／D转换器的需求是不同的，电流环的带宽窄但是要求的分辨率和稳定度高；电压环的带宽比较宽，而对稳定度的要求低于电流环。
对于高精度稳流电源，电流环对输出电流信号的采集精度及稳定度提出了极高的要求。
电流闭环反馈回路中所需的模数转换器件（ADC）需要尽可能高的分辨率和稳定度。
稳流电源中，受调节器带宽的影响，电流环对速度的要求并不很高。
因此△-∑型A／D转换器是最佳的选择。
从通用的角度考虑，需要选择允许双极性输入的A／D转换器；而考虑到PCB板的设计及控制软件设计过程中，具备串行数据接口的A／D转换器相对更易于实现。
2 ADS1251简介△-∑型模数转换器ADS1251具有高精度、宽动态范围、低功耗等特点，非常适合用于非高速变化信号的高精度数据实时采集转换。
高性能大电流脉冲电源的设计与实现
高性能大电流脉冲电源的设计与实现曹海源胡婷婷韦尚方万强孙斌卢常勇（武汉军械士官学校光电技术研究所，湖北武汉 430075）摘要 本文针对高功率脉冲DPSSL对激光电源的要求，综合运用了ARM7单片机控制技术、串联VICOR模块可调稳压源、IGBT功率器件及各种保护电路，设计并实现了小型、高效的半导体泵浦激光器驱动电源，具有电压调节范围宽、峰值电流高、控制精度高、良好的稳定性和高低温环境适应性等特点。
测试表明：电源整机运行稳定可靠，达到了很高的技术指标要求，可广泛应用于军用激光测距、激光雷达、激光对抗等领域。
关键词 驱动电源；ARM7；电流脉冲；IGBT；VICOR模块中图分类号 TN248.4 文献标识码 BDesign and Realization of High Performance and Strong Current Pulse Power Supply Cao,Hai-yuan Hu,Ting-ting Wei,Shang-fang Wan,Qiang Sun,Bin Lu,Chang-yong(Opto-electronics Facility, Wuhan Ordnance Noncommissioned Officers School,Wuhan, Hubei, 430075, P.R.China)Abstract: In this paper, according to the request of the high power pulse DPSSL, we design and implement a compact, high efficiency power supply for DPSSL, which combines the control technology of ARM7 MCU, tunable voltage stabilizer using VICOR modules in series structure, IGBT power components, closed loop adjusting circuit, and various protective measures. It is specified as wide tuning range of the voltage, high peak current, high control precision, high stability, high adaptability to the high-low temperature, and so on. Test and measurement results show that our power supply operates steadily and reliably, and well meets the request of the performance index in the project. It can be widely applied in military laser rangefinder, Lidar, laser counterwork, and so on.Keywords: power supply; ARM7; current pulse; IGBT;VICOR module1 引言DPSSL（Diode Pumped Solid-State Laser）出现于八十年代末，与传统的灯泵固体激光器相比，它具有效率高、寿命长、结构紧凑、稳定性高等特点，广泛应用于军事、航空航天等领域中。
一种大功率直流开关电源的主电路设计
一种大功率直流开关电源的主电路设计马丽丽;夏加宽;李洋【摘要】开关电源设计最重要的2部分是主电路和控制电路.根据大功率直流开关电源的设计要求,结合大功率直流开关电源的工作原理、电路的拓扑结构、运行模式的特点及相关技术参数,本文进行性能分析并计算各项参数,通过计算所得的数据结果选择各元器件,设计出各个独立模块,最后组装成大功率直流开关电源的主电路.【期刊名称】《现代仪器与医疗》【年(卷),期】2012(018)005【总页数】3页(P43-44,51)【关键词】大功率;直流开关电源;拓扑结构;运行模式【作者】马丽丽;夏加宽;李洋【作者单位】辽宁石油化工大学信息与控制工程学院抚顺113001;沈阳工业大学电气工程学院沈阳110870;辽宁石油化工大学信息与控制工程学院抚顺113001【正文语种】中文【中图分类】TM93引言随着电力电子技术的发展和新型功率元器件的不断出现，开关电源技术得到飞速的发展，在计算机、通讯、电力、家用电器、航空航天等领域得到广泛应用[1～7]。
开关电源是利用现代电子技术，通过控制开关晶体管开通和关断的时间比率，维持稳定输出电压的一种电源，一般由脉冲宽度调制电路和场效应管构成[8～13]。
开关电源比普通的线性电源效率高，因而开关电源的发展与应用在节约能源、节约资源及保护环境方面都具有重要的意义[14～16]。
本文分析高性能、大功率直流开关电源的工作原理，并提出主电路的详细设计方案。
在此基础上，完成硬件电路设计，并对主电路进行调试。
1 主电路组成框图根据大功率开关电源的设计技术要求，本文进行方案的验证与比较，设计基于软开关直流开关电源的主电路（见图1）。
主电路主要分为输入整流滤波、逆变开关电路、逆变变压器和输出整流滤波。
本电源采用ZVZCS- PWM拓扑、原边加钳位二极管、三相交流输入整流后，加LC滤波，以提高输入功率因数，主功率管选用IGBT，具体设计主电路包括3个部分：(1) 输入整流滤波电路；(2) 单相逆变桥；(3) 输出整流滤波电路。
igbt真空炉专用电源
igbt真空炉专用电源
IGBT真空炉专用电源是一种高性能的电源，它采用IGBT技术，可以提供高效率、高精度、高可靠性的电源。
它可以满足真空炉的高精度、
高可靠性的要求，并且可以提供更高的稳定性和可靠性。
IGBT真空炉专用电源的输出电压可以调节，可以根据实际需要调节输
出电压，以满足不同的真空炉的工作要求。
此外，它还具有良好的电
流控制能力，可以提供更精确的电流控制，以满足真空炉的工作要求。
IGBT真空炉专用电源还具有良好的安全性能，可以有效防止过载、短
路等情况的发生，从而保证真空炉的安全运行。
此外，它还具有节能
效果，可以有效降低真空炉的能耗，从而节约能源。
IGBT真空炉专用电源具有良好的可靠性，可以提供长期稳定的电源，
从而保证真空炉的正常运行。
此外，它还具有良好的维护性，可以有
效减少维护成本，从而降低运行成本。
总之，IGBT真空炉专用电源具有高效率、高精度、高可靠性、良好的
安全性能、节能效果、良好的可靠性和维护性等优点，是真空炉的理
想电源。
2004年甘肃科学技术进步奖
中国科学院兰州化学物理研究所 邓友全、石峰、彭家建、刘维民、顾彦龙、杨宏洲、乔昆、蒋生祥、叶承峰、李冬梅、周瀚成、王海忠 中国科学院兰州分院
2004-1-007质量数A=170核区形变双奇核高自旋态核结构实验研究
中国科学院近代物理研究所 张玉虎、周小红、郭应祥、雷祥国、刘忠、郑勇、柳敏良、王华磊、宋立涛、谢成营、徐瑚珊 中国科学院兰州分院
二等奖（46项）
2004-2-001兰州重离子加速器冷却储存环（HIRFL-CSR）超高真空样机
中国科学院近代物理研究所 杨晓天、张军辉、张新俊、蒙峻、张喜平、郝斌干、胡振军、侯生军、牛志伟 中科院兰州分院
2004-2-002 CH6185车削中心
天水星火机床有限公司 张西平、刘彬、胡炀、何晓东、李海岩、张宝生、展海瑜、董英琦 甘肃省机械工业总公司
甘肃省农业科学研究院经济作物研究所 党占海、张建平、佘新城、龚永兰、刘兴丽、吴行芬、任高林 甘肃省农科院
2004-1-003型流感嗜血杆菌结合疫苗的研制
兰州生物制品研究所 谢贵林、谭小梅、杜琳、田玉珍、蒲江、张谦、赵志强、王燕、崔萱林、朱莉萍 兰州生物制品研究所
2004-1-004河湖污染水体原位就地修复ABFT技术
2004-2-005 东风系列内燃机车智能化水阻试验系统
兰州交通大学、兰州立盛达铁路新技术有限责任公司 张宝霞、寸立岗、张海明、安永祥、车军、缪仲翠、王俭朴、陈肇增、于海康 甘肃省经济委员会
2004-2-006 数字微波传输关键设备研制
甘肃省广播电影电视局微波台管理处 李向坤、李永东、陈世平、贾立高、周玉富、何兰平、张晓铭、吴忠伟 甘肃省广播电影电视局
2004-1-008新型稀土功能配合物的设计合成及其性能研究
大功率可编程直流电源
至茂电子生产的DLC6000系列开关型直流稳压稳流电源是产品研发、产品集成、产品认证、生产测试及老化、自动化制造测试和过程控制等应用领域的可靠高性能直流电源供应器。
产品采用高频PWM硬件调整软开关控制技术，具备交、直流兼容输入及各种保护功能。
采用进口IGBT模块功率器件及全桥变换技术，具体高效能、高精度、高稳定性、小体积等特性，优化于线性电源和硅整流电源的高效率，产品可长时间运行可靠，过载能力强。
别名：可调开关电源，可调直流稳压电源，大功率直流稳压电源，直流可调稳压电源，直流电源供应器，大功率直流电源。
DLC6000系列开关型直流稳压稳流电源电压电流值从零至额定值连续可调，恒压恒流自动转换，在额定范围内任意选择且限制保护点。
电压、电流同时数字显示。
内置温控散热风扇，既能有效散热，又能有效延长风扇寿命；产品具有过压、过流、输入缺相、输入欠压、输入过压、短路、过载等保护功能。
开机延时软启动，避免开机输出电压过冲。
产品可多台并串机，实现功率扩容。
产品控制可手动旋钮、按键、计算机、PLC等可选。
目前DLC6000系列开关型直流稳压稳流电源广泛应用于电力、工控、通信、科研、铁路、汽车、船舶、蓄电池充电、航空航天、表面处理、电化学、新能源、电容器、电机、污水处理、电子产品生产检测、LED照明、加热、地质勘探、医疗设备（MRI）、半导体设备（MOCVD）、真空镀膜设备等行业。
国内已有众多企业单位使用DLC6000系列直流稳压稳流电源用于产品测试和老化，另外众多科研单位、军工电子研究所、航空电器、有色金属等单位，使用此电源进行高精度高强度电源供应下的科研工作，广受好评。
产品特点1、显示：输出电压电流LED显示（可按客户要求加装LCD液晶显示）；2、外观：采用台式、塔式或19英寸标准化尺寸，支持N+1冗余扩容，可组合放置于各种工作台面及机架；3、优点：高频PWM硬件调整软开关控制技术使电源高效率，低纹波、低噪声、高可靠性、体积小、重量轻；4、恒压恒流：输出CC/CV恒压恒流自动切换，电压电流值从零到额定值连续线性调节；5、保护功能：过压保护（OVP)、过流保护(OCP)、过温保护(OTP)、欠压保护、过载保护；6、短路特性：工作状态下可长时间短路；7、外接补偿：可选外接补偿（Remote Sensing），减少回路线缆压降；8、过压保护值：输出过压保护值可调，保护后切断输出并锁定，重新开机恢复；9、电流预置功能：用户可以在不接负载的情况下将负载实际需要的任何电流进行预置，当产品实际有电流输出时，实际输出最大电流可到预先设置值（选配））。
2000W全桥软开关直流稳压电源电路
2000W全桥软开关直流稳压电源电路
如图是一个由IGBT做功率转换器件的2000W全桥软开关直流稳压电源电路。
图(a)是三相整流电路，它将380V三相交流电变换成450V的直流电，整流二极管可采用耐压为530V的三相整流桥，也可以采用六只大功率二极管来连接。
Kl为三相交流接触器，触点可通过100A电流。
Sl为温度控制开关，确保电源电路温度低于70℃，否则自动跳闸，切断交流输入电压，保护电路不会烧毁器件。
图(b)是辅助电源电路，它为全桥转换控制器UC3875和IGBT驱动电路提供15V的直流电压。
电路由线性集成稳压器7815组成。
图(c)是全桥功率转换及控制电路。
四只IGBT组成全桥电路，四只NPN型三极管MJ182和四只PNP型三极管MJE172组成四组推挽式驱动电路，为四个IGBT提供激励驱动信号。
变压器T2、T3为高频脉冲变压器，T1为输出变压器。
基于高性能单片机的功率直流开关电源的设计
基于高性能单片机的功率直流开关电源的设计1 引言直流稳压电源已广泛地应用于许多工业领域中。
在工业生产中(如电焊、电镀或直流电机的调速等)，需要用到大量的电压可调的直流电源，他们一般都要求有可以方便的调节电压输出的直流供电电源。
目前，由于开关电源[1]效率高，小型化等优点，传统的线性稳压电源、晶闸管稳压电源逐步被直流开关稳压电源所取代。
开关电源主要的控制方式是采用脉宽调制集成电路输出PWM 脉冲，采用模拟PID调节器进行脉宽调制，这种控制方式，存在一定的误差，而且电路比较复杂[2]。
本文设计了一种以ST 公司的高性能单片机μpsd3354 为控制核心的输出电压大范围连续可调的功率开关电源，由单片机直接产生PWM 波，对开关电源的主电路执行数字控制，电路简单，功能强大[3]。
2 功率直流电源系统原理与整体设计2.1 系统原理本功率直流电源系统由开关电源的主电路和控制电路两部分组成，主电路主要处理电能，控制电路主要处理电信号，采用负反馈构成一个自动控制系统。
开关电源采用PWM 控制方式，通过给定量和反馈量的比较得到偏差，并通过数字PID 调节器控制PWM 输出，从而控制开关电源的输出。
其中，PID调节和PWM 输出都由单片机系统采用软件控制。
2.2 系统整体设计系统硬件部分由输入输出整流滤波电路、功率变换部分、驱动电路、单片机系统和辅助电路等几部分组成。
图1为单片机控制功率直流电源结构框图。
图1 单片机控制功率电源结构框图从图1中可以看到，50Hz、220V的交流电经电网滤波器消除来自电网的干扰，然后进入到输入整流滤波器进行整流滤波，变换成直流电压信号。
该直流信号通过功率变换电路转化成高频交流信号，高频交流信号再经输出整流滤波电路转化成直流电压输出[1]。
控制电路采用PWM脉宽调制方式，由单片机产生的脉宽可调的PWM控制信号经驱动电路处理后，驱动功率变换电路工作。
利用单片机高速ADC转换通道定时采集输出电压，并与期望值比较，根据其误差进行PID调节。
毕业设计 基于IGBT的大功率开关电源设计
1 前言电源是各类电子设备的重要组成部分，没有一部高质量的电源，难以保证电子设备的正常工作，由于高频开关电源在重量、体积和效率等方面是线性电源无可比拟，因此在许多领域中得到广泛应用。
线性电源和开关电源各有自己的特点，线性电源的特点是稳定性好、可靠性高、输出电压精度高、输出纹波电压小。
它的不足之处是要求采用工频变压器和滤波器，它们的重量和体积都很大，并且调整管的功耗较大，使得电源的效率大大降低。
相对于线性电源来说，开关电源具有效率高，可靠性和稳定性较好，体积小，重量轻的优点，它对供电电网电压的波动不敏感，在电网电压波动较大的情况下，仍能维持较稳定的输出，因此，开关电源更能满足现代电子设备的要求。
近些年来，由于新型功率器件和开关集成稳压器的出现，以及电力电子变换技术的进步，使开关电源又有了长足发展。
绝缘栅双极型晶体管IGBT是由MOSFET和双极型晶体管复合而成的一种器件，其输入极为MOSFET，输出极为PNP晶体管，因此，可以把其看作是MOS输入的达林顿管。
它融和了这两种器件的优点，既具有MOSFET器件驱动简单和快速的优点，又具有双极型器件容量大的优点，因而在现代电力电子技术中得到了越来越广泛的应用。
本系统采用门极可关断功率全控式电力电子器件IGBT，改变其负载两端的直流平均电压的调制方法采用脉冲调宽的方式，即主开关通断的周期保持不变，而每次通电时间可变。
由于IGBT工作在高频与高电压、大电流的条件下，使得它容易损坏，另外，电源作为系统的前级，因为受电网波动、雷击等原因的影响使得它所承受的应力更大，故IGBT 的可靠性直接关系到电源的可靠性。
因而对IGBT的保护设计是电源设计时需要重点考虑的一个环节。
本次设计采用富士公司的EXB841驱动芯片，利用其单电源，模块化，过流检测，保护软关断等优点，通过单片机控制实现大功率开关电源电路的设计。
2.1 方案论述2.1.1方案一图2.1 开关电源电路框图交流电压经过EMI滤波及整流滤波后，得到直流电压加到半桥变换器上，用TLP250去驱动功率IGBT管。
IGBT技术进展及其在柔性直流输电中的应用
IGBT技术进展及其在柔性直流输电中的应用摘要：随着我国社会科学技术的不断进步与发展，我国的轨道交通行业也在不断地发展与更新。
同时随着双极性晶体管IGBT技术的不断发展，其优良的通态特性和开关特性已经逐渐应用在轨道交通中，特别是在柔性直流输电中的应用。
这种技术的结合不仅能够提高系统的控制精度，同时还可以稳定压力，优化整个系统运行的过程。
基于此，本文首先简单的分析一下IGBT的发展和改进；随后从几个角度给出IGBT技术在柔性直流输电上的应用。
以此仅供相关人士进行交流与参考。
关键词：IGBT技术；发展情况；柔性直流输电；应用引言：随着变频调速的不断进步与发展，目前出现了一些以新的控制策略和电路拓扑为主的变频器，不仅可以实现零开关损耗，而且能够将开关频率提升到一个几万赫兹的数量级。
作为少子器件的IGBT，它的工作性能已经远远超过MOSFET等多子器件，不仅具有优越的通态特性，而且还有宽的安全工作区SOA，最重要的一点就是具有高峰值电流容量，便于系统的驱动。
由于IGBT具有如此多的优良特性，所以在柔性直流输电上得到了广泛的应用与发展。
一、IGBT技术的发展进程二十世纪八十年代发明了IGBT，IGBT技术是伴随着其表面结构和体结构的发展而发展的。
IGBT的表面结构主要是金属氧化物半导体MOS，体结构包括耐压层和集电区两部分。
首先对于IGBT的表面结构而言，它从最初的平面栅改进为沟槽栅，然后从P 阱向N阱包围P阱演变成空穴阻挡层，具体变化见图一。
修改后的沟槽栅结构的关断特性和通态电压特性有了更好的优化，而且其中的元胞结构采用的是空穴阻挡层，最经典的应用例子就是三菱半导体的CSTBT芯片[1]。
（图一）IGBT表面结构的改进过程从IGBT的体结构而言，它经历了三个阶段（见图二）：非透明集电区穿通型到透明集电区非穿通型，现在发展到透明集电区。
对于最初的穿通技术而言，对载流子的注入系数要求比较高，再加上对其使用寿命的限制，往往会限制其运输效率，因此穿通技术逐渐发展为非传统技术，在非传统技术的使用过程中，虽然运输效率有所提升，但是注入系数变得太低，所以开发了新型的体结构（含有缓冲层）来代替非穿通技术[2]。
高性能电流控制PWM芯片YTE760
管脚定义描述
功率管基极，启动电流输入，外接启动电阻 供电脚 接地脚
振荡电容脚，外接定时电容 反馈脚
开关电流取样与限制设定，外接电流取样电阻 输出脚，接开关变压器
注 1：PCB Layout时应将 Pin6与 Pin7之间保留 1mm以上的安全距离，避免产生放电现象。
极限参数（注 2）
参数
供电电压 VCC 引脚输入电压 OC集电极承受电压 峰值开关电流 总耗散功率 工作温度范围 储存温度范围 焊接温度
率管超上限电流，则上限电流触发器优先置位，强制FB下降，占空比变小，多而保护功率管和变压器；在
下一个关周期开始沿或FB小于1.8V，上限电流触发器复位。另外，YTE760内置热保护，在内温度高于140
℃后调宽振荡器的周期，使YTE760温度产超过150℃；内置斜坡补偿，在YTE760大占空比或连续电流模式
（温度变化时的 Ron变化 很大）开关芯片，开关电流在一个较宽的范围都 可以非常精准，这样将允许设计者在设计方案时 不必留有太大的余量即可满足较大的工作温度范 围，提高电流的使用安全性。对于 YTE760，其
过温保护
典型的最大开关电流限制值约为 0.80A，在一个 设计在 65V反射电压 0.8A开关电流的反激式电
YTE760
功能描述
直至振荡器关闭。
CT定时电容与开关频率的关系由内部
功率管驱动特性与高耐压偏置技术功
112μA电流源对 CT电容进行恒流充电形成时钟 的上升沿，在充电电压至 2.5V时，内部电流将以 1.95mA的下拉电流对 CT放电，形成时钟的下降 沿，完成一个时钟周期，一个时钟周期约为：
率管采用斜坡电流驱动，驱动电流随输出功率增加 而增加，在 IS=0V时，OB电流约为 40mA，在 IS=0.6V时，OB电流约为 120mA，小输出时的驱 动功耗得到显著的降低。IC内部集成了独特的偏置
大功率直流稳压电源(整流-逆变(IGBT)-(单片机控制PWM)整流)
南京信息职业技术学院毕业论文作者学号10714D20 系部电子信息工程系专业电子信息工程技术题目大功率直流稳压电源的设计指导教师评阅教师完成时间：2010 年05 月10 日毕业论文中文摘要毕业论文外文摘要目录1引言 (5)2概述 (5)2.1电源稳定问题的提出 (5)2.2电压不稳定的因素 (6)2.3稳压电源的分类 (6)2.4本文主要工作 (7)3电源硬件系统设计 (7)3.1单片机控制的直流稳压电源的总体设计 (7)3.1.1电源的主电路 (8)3.1.2驱动电路 (9)3.1.3输出电路 (9)3.1.4直流电源设计 (10)3.2元件选择 (13)3.2.1逆变电路的拓扑结构选择 (13)3.2.2逆变频率的确定 (13)3.2.3开关元件的选择 (14)3.2.4逆变控制方式的选择 (15)4参数计算 (15)4.1输入电路参数计算 (15)4.2逆变电路参数计算 (16)4.3输出电路计算 (18)4.4纹波的抑制 (18)5辅助电路 (20)5.1电压驱动型脉宽调制器 (20)5.2电流检测电路 (20)5.3电压检测电路 (22)6单片机控制系统的设计 (22)6.1单片机最小系统设计 (22)6.2数模转换电路 (23)结论 (26)致谢 (27)参考文献 (27)附录A电路图 (28)1引言自70年代末以来，国外迅速发展功率场效应晶闸管（Power MOSFET）,绝缘门级双级性晶闸管（IGBT）和MOS栅控晶闸管（MCT）等新型功率开关器件，由于这些新型器件具有开关频率高，器件自身的功率损耗小，因而转换效率高，电路结构简单等优点，在加热电源领域中，正在得到广泛的应用。
其中IGBT器件，其输出管压降低，一般在3V以下，器件本身的功耗小，具有晶闸管的优点，适合于大电流工作，其控制端采用了场效应管的技术，驱动非常小，适应于高速开关，且没有二次击穿的问题，工作比较安全，因此属于目前国际上有限发展的大功率开关器件。
48V50A直流稳流稳压电源使用说明书
大功率工业直流开关电源型号：TTC2.4K 48V50A可调稳压恒流电源使用说明书感谢您选购本公司产品,我们将会给您提供优异的产品质量保障,竭诚为您服务好每台电源的售后!本机型最大输出功率：2400W，最高输出电压48V,最大输出电流：50A具有交、直流兼容输入、输入输出全隔离应用开关电源技术和无主均流法，体积小、效率高、重量轻，可多台机并联扩流。
主要特点●该电源广泛应用于工控设备、电镀电解、污水处理、电力直流屏系统、通信、科研、蓄电池充电等设备。
●采用无工频变压器的开关电源电路，具有交、直流兼容输入，体积小、重量轻、效率高。
●开关电源控制芯片采用进口军用级IC,功率逆变管采用进口快速IGBT模块，其余元件则采用进口工业等级器件,电路设计优化合理，生产工艺严格完善，保证机器的可靠性和稳定性；●输入电压范围宽，输入输出全隔离。
●作为稳压电源使用时，当负载电流＜电流设定值时，本电源的输出电压稳定在所设定值，输出电流随负载的实际电流变化。
●作为恒流电源使用时，当负载电流＞电流设定值时，本电源的输出电流恒定在所设定值，输出电压随负载的实际大小而变化。
●并机扩流功能，采用输出并联无主均流法，所谓无主均流法------无需由一个主控单元对各个电源模块进行控制，即参与并联的各个电源模块的输出电流的份额是平等的，若其中一个因故退出，不会影响负载的正常工作，免去了像由一个主控单元控制那样，再重新设置的麻烦。
无主均流的使用简单，每个电源模块输出由2条均流母线，只需将参与并联的各个电源模块的均流母线并联连接就行。
操作方法如下：●完善的保护功能：输入过流、过压、欠压保护；输出短路，过流，过压保护；开机延时软启动，避免输出电压过冲；整机过热关机保护。
●智能温控风扇散热，延长风扇的使用寿命。
●面板设有2个数显表，独立显示输出电压和输出电流，。
●面板设有2个电位器分别调节输出电压和输出电流，使用方便。
工作原理简述交流输入电压经“输入陷波”电路后到“整流滤波”电路，得到高压(约300V)直流电压。
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2003年第25卷第5期第11页电气传动自动化E LECTRIC D RIVE AUTOMATI O NV ol.25,N o.52003,25(5):11～13文章编号:1005—7277(2003)05—0011—03高精度的IG B T开关脉冲/直流稳流电源万国华,党怀东,郭宏林,王有云(天水电气传动研究所,甘肃天水741018)摘要:介绍了一种高精度的大功率IG BT脉冲/直流稳流电源,分析并讨论了IG BT电源的电流快速性和IG BT 线性控制技术。
关键词:电流稳定度;纹波;脉冲;高精度;电源;IG BT斩波;线性控制中图分类号:T M91文献标识码:BHi g h-p recision IGBT switch p ulse/DC current stabilized p ow er su pp l yWAN Guo-hua,DANG Huai-don g,GUO Hon g-lin,WANG Y ou-y un(T ianshui Electr ic Dr iv e Resear ch Institute,T ianshui741018,China) Abstract:A hi g h-p recision bi g-p ow er IG BT p ulse/DC current stabilized p ow er su pp l y is p resented.T he IG BT p ow er su pp l y w ith hi g h s p eed character and IG BTlinearit y control technolo gy are anal y zed and discussed.K e y w ords:current stabilit y;ri pp le;p ulse;hi g h-p recision;p ow er su pp l y;IG BT cho pp er;linearit y control1引言近几年,随着我国在高、精、尖技术的不断发展,特别是高能物理研究和重离子加速器在工业和医疗上越来越多的应用,需要许多高性能的加速器磁铁电源。
在离子加速器中,要求磁场建立和离子注入严格同步,离子注入时磁场迅速建立,离子去时磁场迅速消失,因而需快速响应无滞后的脉冲电流源。
同时因离子质量轻,电流的波动将影响磁系统的束流能力,故电源电流必须满足极低的纹波(10-4-10-5)和高稳定度的要求(10-4-10-5)。
随着近几年IG BT开关器件的不断发展,其电流、电压等级不断提高,可以使用IG BT开关器件组成同步加速器磁铁电源(大、中、小容量均可),这种电源采用H桥PWM斩波来调节输出电压和电流,经无源LC滤波(因IG BT器件工作开关频率高,电源输出频率可达20kH z左右,这样无源滤波容量较小),负载上就能得到电流纹波极小的直流电流。
由于IG BT开关频率可达20kH z,其滞后时间约为0.05ms,远小于晶闸管整流的滞后时间,缩短了系统调节时间,为电流调节提供了一个快速调节通道,使得系统实际电流近似于无滞后的跟踪给定电流。
本文提出了一种用IG BT开关器件组成的大电流、高精度的快脉冲/直流稳流电源,并进行系统设计和实验。
结果表明该系统设计合理,动态响应快、精度高、效率高、成本低、体积小,可以满足重离子加速器对负载电源的要求。
2系统主回路系统主回路结构如图1所示,由于电源工作模式为脉冲/直流,当电源电流快速上升(或下降)到给定电流时,系统开始长期稳定运行直至下一个脉冲开始。
因此为了节约能源,提高效率及降低成本,采用如图1所示的方案。
IG BT5仅作为二极管使用,其目的是为了方便叠层母排的设计,以便更好地抑制IG BT开通关断时产生的尖峰电压。
由变压器(T2)、整流器(A2)、L2、C2、IG BT5组成稳流工作时PWM斩波电路的供电源,输出电压为U2;T1、A1、L1、C1、IG BT6组成脉冲工作时PWM斩波电路的强触发供电电源,其输出电压为U1。
当电流上升时,IG BT6开通,U1电压作用到H桥PWM电路;当电流上升到给定电流时,IG BT6关断,此时H桥PWM电路的电气传动自动化・12・2003年第5期供电电压为U2。
系统中,若负载电阻为R fz,电感为L fz,负载电流为I fz。
U2=[(I fz×R fz)+3U T]×α1U1=[(I fz×R fz)+L fz×(d i/d t)+3U T]×α2式中:U T为IG BT导通压降。
α1、α2为系数,包括IG2 BT导通的占空比,LC滤波消耗的电能等。
α1、α2一般取1.1～1.5,若α取太大,则占空比一定小,这样输出纹波增大,滤波容量大。
当负载需要正电流(负载上正下负)时,IG BT2、IG BT3工作;负载需要负电流(下正上负)时,IG BT1、IG BT4工作,高频开关器件IG BT工作频率为5～10kH z,这种输出载波频率为10～20kH z。
3系统控制结构系统控制结构如图2所示。
电流给定(Ig)与电流反馈比较后,经过PI运算,来控制PWM脉冲信号(A7、A10),再根据A5判断的给定信号的正负来判断IG BT1、IG BT4工作或IG BT2、IG BT3工作,从而使负载得到正或负的输出电流,图2中电流反馈用于保证系统的精度和稳定度。
但这种输入为脉冲信号的工作状态下,单靠反馈控制满足系统跟踪性和快速性是困难的,为此引入前馈控制构成复合控制来缩短系统的调节时间。
图2中PWM前馈(A6)是为了改善系统的跟踪性能;A3为微分判断,主要以微分判断给定的变化率是否满足设定的变化率,以及判断给定电流是否在上升时满足设定的变化率条件,从而给出一个IG BT6导通的条件;A2(实际电流判断)判断实际电流是否达到设定值,若没有达到,则给出一个IG BT6导通的另一个条件,若实际电流达到设定值,则控制A3线性关断IG BT6。
一般来说IG BT为开关器件,它不象调整管那样工作在线性区,但在特殊场合IG BT要求工作在线性区。
在此方案中,若将IG BT作为开关器件使用,当实际电流达到给定电流时,IG BT6关断,电流波形会出现一个向下的缺口。
这是由于突然去掉强触发电压U1,而稳态工作电压U2不能维持磁铁负载的大电流。
因此,IG BT6在此类电源中不能作为开关器件工作,在IG BT6关断时必须作为线性器件工作。
FZ1600R12K F4(1600A/1200V)IG BT的V G E与I C之间的关系如图4所示。
由图4可知,当IG BT工作控制电压V G E在6.8V～10.4V之间时,I C的电流在线性变化。
当A4控制单元得到让IG BT6线性关断的信号后,通过实际电流信号与给定的电流信号比较,来控制IG BT6线性关断,从而避免IG BT6关断时的电流波形缺口。
4系统设计及试验结果以下是根据上述方案为某研究所设计的一台重离子加速器磁铁电源。
其参数如下,工作模式:脉冲/直流;磁铁电感l=0.0187H;电阻R l=0.0282Ω;输出电压U L=0～130V;电流0～1050A;电流长期稳定度(S I)小于:1×10-4/8h(1050A时)。
S I=[(I M AX-I MI N)/(I M AX+I MI N)]×2式中:I M AX为8小时内的电流最大值;I MI N为8小时内的电流最小值;电流纹波小于为1×10-4(1050A 时);电流上升时间为0.2s。
从参数中可以得出,电流稳定时供电电压U2=30V;电流上升时供电电压U1=130V。
电流稳2003年第5期・13・万国华,党怀东,郭宏林等高精度的IG BT开关脉冲/直流稳流电源定度采用8位半7081数字电压表测得,实际波形及傅立叶分析采用T MS3052500MH z示波器测得。
4.1纹波测定及分析如图4所示+500A时PWM桥输出波形,图5为+1050A时PWM桥输出波形。
对负载波形进行傅立叶分析,500A时,电流纹波为5.4×10-5;1050A时电流纹波为3.3×10-5。
4.2长期稳定度如图6所示为1050A时8小时电流稳定度波形,共测得570个数值。
经测算可得:负载电流在500A时,稳定度为7.55×10-5;负载电流在1050A时;稳定度为6.19×10-5。
4.3脉冲跟踪性0～+1050A和0～-1050A的脉冲跟踪波形如图7、8所示,CH1为实际电流波形,CH2为给定电流波形。
从图中可以明显看出,当给定电流上升时间小于0.2s时,实际电流上升时间也小于0.2s 时,且在强触发电压U1和稳定电压U2切换时无电流波动。
5结束语本文提出了一种新的重离子加速器磁铁电源,具有长期稳定度好、纹波低、电流大、跟踪性好等特点,采用前馈控制提高了系统的快速性。
在此基础上提出了一种IG BT的新的使用方法,即IG BT的线性控制。
由于采用1600A、1200V的大容量IG BT,实验及现场运行表明了理论分析的正确性,从而为该产品的批量生产奠定了坚实的基础。
参考文献:[1]J lisser,k Bounkne g t.H i g h-s p eed H i g h-p recision Pro g ramm ableM a g net P ow er Su pp l y for a W ide Ran g e of M a g net T im e C onstant [J].IEE T rascation on Neclear S cience,1981,NS-28(3).[2]王永安,黄俊.电力电子技术.[3]张占松,蔡三.开关电源的原理与设计.作者简介:万国华男,工程师,研究方向为电气传动、高精度特种电源。
收稿日期:2002-09-18。