(完整)高压大功率脉冲电源的设计

1．绪论
1.1论文的研究背景
电源设备用以实现电能变换和功率传递，是一种技术含量高、知识面宽、更新换代快的产品。

现今已广泛应用到工业、能源、交通、运输、信息、航空、航天、航运、国防、教育、文化等领域。

在信息时代，上述各行各业都在迅猛地发展，发展的同时又对电源产业提出了更多更高的要求。

显然，电源技术的发展将带动相关技术的发展，而相关技术的发展反过来又推动了电源产业的发展。

当前在电源产业，占主导地位的产品有各种线性稳压电源、通讯用的AC／Dc开关电源、DC／DC开关电源、交流变频调速电源、电解电镀电源、高频逆变式整流焊接电源、中频感应加热电源、电力操作电源、正弦波逆变电源、大功率高频高压直流稳压电源、绿色照明电源、化学电源、UPS、可靠高效低污染的光伏逆变电源、风光互补型电源等。

而与电源相关的技术有高频变换技术、功率转换技术、数字化控制技术、全谐振高频软开关变换技术、同步整流技术、高度智能化技术、电磁兼容技术、功率因数校正技术、保护技术、并联均流控制技术、脉宽调制技术、变频调速技术、智能监测技术、智能化充电技术、微机控制技术、集成化技术、网络技术、各种形式的驱动技术和先进的工艺技术。

1.2脉冲电源的特点及发展动态
脉冲电源是各种电源设备中比较特殊的一种，顾名思义，它的电压或电流波形为脉冲状。

按脉冲电源的输出特性分类，有高频、低频、单向、双向、高压、低压等不同的分类，具体选择怎样的输出电压、输出电流和开关频率，根据具体的应用场合而定。

按脉冲波形分，有矩形波、三角波、梯形波、锯齿波等多种形式，如图1．1所示。

图1．1各种脉冲波形
由于矩形波具有较好的可控性和易操作性，所以这种波形的应用居多。

究其
本质，
脉冲电源实质上是一种通断的直流电源，它的基本工作原理是：首先经过慢储能，使初级能源具有足够的能量，然后向中间储能和脉冲成形系统放电(或流入能量)，能量经过储存、压缩、形成脉冲或转化等复杂过程之后，形成了脉冲电源。

1.3脉冲电源的应用及研究现状
由于脉冲电源断续供电的特性，在很多领域都获得了广泛的应用，其应用领域包括：脉冲电镀、极性相和非极性相的相分离、工业废气处理、脉冲电解污水处理、高频脉冲感应加热、高功率激光泵、产生高功率带电粒子束、电弧焊接、电火花加工、静电除尘、臭氧制取和表面热处理等。

在军事上，脉冲电源还用于电磁轨道炮、电磁脉冲模拟、粒子束武器、液电爆炸等领域。

下面简要介绍脉冲电源的几种典型应用。

（1）脉冲电源在电加工领域的应用
传统电镀采用直流电流，而采用脉冲电镀具有比直流电镀更优异的性能。

脉冲电镀能控制金属电沉积，通过改变脉冲参数来改善镀层的物理化学性能，从而可以节约贵金属和获得功能性镀层。

脉冲电流的波形有方波、三角波、锯齿波、阶梯波等，但就目前的应用情况来看，方波脉冲在工业生产中应用最为普遍，对脉冲电镀的研究也多围绕方波进行展开。

由方波脉冲演变过来的脉冲形式有直流叠加脉冲、周期换向脉冲和间断脉冲。

直流叠加脉冲是在直流基波上叠加了一个方波脉冲，这种方法的电镀效果与单脉冲基本相当。

周期换向脉冲电镀实际就是双向脉冲电镀，是指在正向阴极脉冲之后引入反向阳极脉冲的电流形式，这种方式目前在国内应用较多，主要是为了得到高致密性且具有一定光洁度的镀层。

间断脉冲是脉冲的一种周期性中断，由于有间歇时间的存在，利于放电离子的充分恢复，可使脉冲极限电流密度提高。

（2）脉冲电源在环境工程领域的应用及研究现状
脉冲电源技术最近几十年在环境治理和保护领域中蓬勃发展，显示出了广阔的应用前景，因此脉冲电源技术在环境工程领域的应用自然而然的成为国内外学术的研究热点。

主要表现在以下一个方面。

1）脉冲电晕等离子体法净化工业废气
脉冲电晕等离子体法净化废气是近十年发展起来的新技术，是目前国内外环境治理新技术的研究热点。

其机理是利用前沿陡峭、窄脉宽(纳秒级)的高压脉冲电晕放电，在常温下获得非平衡等离子体，即产生大量的高能电子和O, OH等活性粒子，对工业废气中的有害气体分子进行氧化、降解等反应，使污染物最终转化为低毒或无毒物质。

该类脉冲电源常见的结构形式有脉冲变压器式电源、空心变压器(Tesla )谐振充电式电源和磁压缩式电源。

其中脉冲变压器式电源技术较为成熟，因此获得了广泛的应用。

从国内外现有的研究资料看，可利用纳秒级高压脉冲电晕放电产生等离子体化学技术净化的废气有:SO2, NOx、甲苯、二甲苯、二氯甲烷、已醇等。

脉冲电晕等离子体法脱硫脱氮技术具有很强的应用前景，是国内外普遍关注的热点。

美国、日本、荷兰、俄罗斯、大利等国积极开展研究，国内曾将该研究列为“九五”攻关项目。

脉冲电晕等离子体法脱硫脱氮技术的主要研究热点是高压窄脉冲电源的研制、反应器结构优化、脱硫脱氮、等离子体化学反应机理及添加剂的选取等。

2）高压脉冲放电废水处理
由于高电压技术易于实现高能化，近年来将高电压技术用于处理难处理工业污水的研究己引起了国内外研究者们的极大的兴趣。

李劲、李胜利等提出了高压脉冲放电等离子体水处理技术。

高压脉冲放电废水处理基于以下四种效应:高能电子轰击;臭氧杀菌;紫外线的光化学处理作用;放电等离子体中产生的活性自由基的作用。

高压脉冲放电等离子体水处理技术使放电生产的臭氧与水直接作用，简化了传统臭氧净水技术中气体干燥、电极冷却、水气混合等程序，使装置小型化，不仅避免了臭氧质量浓度随时间的衰减，而且充分发挥放电产生的活性粒子的净化作用。

因此，与传统的臭氧净水方法相比，高压脉冲等离子体水处理显然具有更好的应用前景。

高压脉冲放电废水处理的研究热点主要集中在高压脉冲电源的设计和等离子体生成法的优化设计。

脉冲静电除尘
传统静电除尘采用直流高压供电方式。

在这种供电方式下，由于粉尘层等效电容效应会造成反电晕现象，导致除尘率下降。

当采用脉冲供电时，除尘器粉尘层的等效电容在脉冲施加期间只充上很少的电荷，在脉冲消失期间所充电荷基本放完，所以除尘器粉尘层上不会因积累电荷形成高电压而使粉尘造成反电晕。

因
此与常规直流电源供电的除尘器相比，脉冲供电电源除尘器的除尘效果更佳。

此外，对于不同比电阻的粉尘，可通过调整直流基压、脉冲频率和占空比，使之达到最佳除尘效果。

脉冲静电除尘是一种先进的空气净化技术，如果将之与脱硫脱氮技术相结合，采用微秒级或纳秒级的脉冲供电电源，可以实现脱硫脱氮技术与除尘技术一体化。

目前国内外电除尘脉冲供电电源大多采用在直流基础电压上迭加脉冲电压的设计方案，这种电源设计方案需要用两台变压器构成两套电源，分别用于产生直流基压和脉冲电压，因此电源的结构和控制系统都比较复杂，价格昂贵，在一定程度上限制了其的推广应用。

（3）脉冲电源在其他领域的应用
1）脉冲焊接电源
电弧焊是焊接方法中应用最为广泛的一种，它通过电弧供给加热能量，使工件熔合在一起，达到原子间的接合。

弧焊电源是电弧焊机中的主要部分，是对焊接电弧提供能量的一种装置，它必须具有电弧焊接所要求的主要电气性能。

没有性能良好工作稳定的弧焊电源，很难保证电弧稳定燃烧和焊接过程顺利进行，同时也很难得到良好的焊接接头，最终先进的焊接工艺更是不可能实现的。

弧焊电源常用脉冲形式，脉冲焊接可独立地调节峰值电流、基值电流、脉冲宽度、脉冲周期或频率等规范参数，表现在焊接工艺上，可增大焊缝的深宽比、防止烧穿、减小热影响区、增加熔池的搅拌作用。

逆变弧焊电源重量轻、省材料、节能，而且控制性能好，动态响应快。

目前在工业发达国家，手工电弧焊、钨极氢弧焊<TIG)、氢气电弧焊CMIG)、C02电弧焊(MAG)和等离子切割等己广泛采用逆变电源。

目前逆变焊接电源的发展和研究主要集中在以下一些方面:功率开关器件向IGBT更新换代;磁性材料的发展;功率控制方式的发展;自动化及智能控制技术的应用。

逆变弧焊电源采用传统的模拟控制方式，存在着一些弊端，很大程度上制约了逆变弧焊电源的进一步发展，由此产生并推动了数字化焊接电源的发展。

目前，国外已有数字化焊接电源产品问世，最具代表性的如奥地利FRONIIJS公司生产的SYNERGiC系列TPS2700/400015000全数字化焊接电源。

它的心脏部分是一个数字信号处理器，由它集中处理所有焊接数据，监测和控制整个焊接过程，焊机具有引弧、精确控制电弧、专家系统、一机多功能、焊接数据接口和
评价系统等功能。

在国内，数字化焊接电源尚处于探索性研究阶段，某些高校和科研机构己在这方面开展了工作。

上海交通大学焊接研究所1999年提出了“数字化焊接电源”的研究课题，北京工业大学材料学院分析了数字化焊接电源的特征，提出了“全数字化控制焊接电源的方案”，华南理工大学提出了基于DSP的弧焊逆变电源数字化控制系统。

2）脉冲激光电源
激光器在工业生产中广泛应用，其中尤以C仇激光器，灯泵浦YAG固体激光器，以及准分子激光器为主。

激光电源是激光系统中一个重要的组成部分，是决定激光器整体性能的重要因素。

目前国内应用较广，技术上比较成熟的脉冲激光电源主要包括谐振充电式激光电源，开关型高频脉冲电源。

谐振充电式激光电源在激光器电源中应用十分广泛，它的原理简单，经过长期应用，技术上较为成熟，但整套装置体积庞大，可控硅全桥整流的控制和驱动电路复杂，成本较高。

开关型高频脉冲电源主要利用开关器件将一种形式的电能转变为另一种形式的电能，这类激光电源的体积小，重量轻，高效节能，动态响应速度快。

70年代中后期出现了MOS场效应晶体管，特别是80年代问世的功率MOSFET，以及派生的MOS 型绝缘栅双极型晶体管IGBT，其特性和功能的改善和发展，使激光电源技术得到了极大的促进。

1.4课题的主要内容
由于脉冲电源拥有广阔的应用领域，因此研制高效、高可靠性、智能化、输出特性优良的脉冲电源对工程应用有重要的实际意义。

同时，脉冲电源的研究涉及电力电子、新型功率开关器件的应用、自动控制技术、电磁理论、材料科学和电路系统建模、优化等多方面内容，因此具有广泛的理论和学术意义。

本文的研究重点在于高压脉冲电源采用单片机控制高频PWM调制芯片SG3525工作时间的方法，改变逆变电路工作状态，最终使系统输出脉冲波形。

其输出脉冲电压幅度连续可调，脉宽和频率也均可由用户在规定范围内调整。

同时还采取了有效的电源输出保护策略，当系统过流时，立即进行保护动作，且不会因为实现保护功能而引起其他器件的损坏或对用户造成人身伤害，研究出一种安全性高，稳定可靠的可调高压脉冲电源。

2．脉冲电源总体结构
2.1脉冲实现方式
实现脉冲电源的方式有很多，但归结起来大致可分为三种。

第一种是利用储能元件，如L，C的充放电实现脉冲输出；第二种是利用逆变将直流电变换为脉冲输出；第三种是利用直流斩波原理输出脉冲电压。

比较而言，储能放电法结构简单，能获得高压窄脉冲，但脉冲波形不易控制，脉冲参数不易调节。

逆变法是利用开关管将直流电转换成一定频率的脉冲，这种电路的结构较为复杂，由于采用了高频变压器使其体积、重量、效率均有所提高，但它的缺点也在于脉冲的幅值、频率、占空比不易调节。

2.2脉冲电源总体结构
图2．2系统整体结构框图
图2.2为系统整体结构框图。

系统工作流程为：系统上电之后，用户通过键盘设定满足要求的系统输出脉宽和频率，其间全部设定操作过程均可在液晶页面上得以体现。

当按下“ENTER’’键后，单片机立即产生高低电平控制SG3525工作时间，单片机引脚输出高电平时SG3525不工作，则无驱动脉冲，系统输出脉冲低电平；反之，系统输出脉冲高电平。

通过输出信号采样及检测电路，系统输出的脉冲电压、电流、脉冲和频率都会显示到液晶屏幕上。

系统运行过程中，可按下“MODIFY”键，进入修改页面进行输出参数的重新设定。

3．系统硬件电路的设计
.1主电路拓扑结构
3.1.1常用拓扑结构
开关变换器的拓扑结构指能用于转换、控制和调节输入电压的功率开关元件和储能元件的不同配置。

开关变换器拓扑结构可分为两种基本类型，非隔离型和隔离型[6]。

非隔离型电路即各种直流斩波电路，根据电路形式的不同，可以分为降压型(Buck)电路、升压型(Boost)电路、升降压(Buck．Boost)型电路、Cuk型电路。

降压型电路只能升压不能降压，输出与输入同极性，输入电流脉动大，输出电流脉动小，结构简单。

升压型电路只能升压不能降压，输出与输入同极性，输入电流脉动小，输出电流脉动大，不能空载工作，结构简单。

隔离型电路指输入侧与输出侧通过一个高频变压器隔离，可实现多路输出。

常用的有正激式、反激式、推挽式、半桥和全桥。

正激型电路较简单，成本低，可靠性高，但变压器单向励磁，利用率低，适用于各种中小功率开关电源。

反激型电路非常简单，成本很低，可靠性高，驱动电路简单，但难以达到较大的功率，适用于小功率场合。

全桥型电路中变压器双向励磁，容易达到较大功率，但电路结构复杂，成本高，可靠性低，需要复杂的多组隔离驱动电路，有直通和偏磁问题，适用于大功率工业开关电源、焊接电源、电解电源等。

由于本电源输出功率不高，输出最大电流为10mA，最大电压为50KV，最大输出功率为500W，属中小功率，故可采用半桥式逆变电路作为主电路拓扑结构。

3.1.2半桥逆变式变换器工作原理
半桥逆变电路具有高频变压器利用率高，截止开关管极间承受的电压低，抗不平衡能力强等优点，其工作原理如图3．1所示[9-11]。

当上管VF
l
的栅极驱动脉
冲变为高电平时，vF
l 饱和导通，此时加在VF
2
漏极的高压电源+300V经C
31
到变
压器T
1的原边绕组，再经C
33
到地，形成C
33
的充电回路。

图3.1半桥式功率变换器简化电路
而电容器C32则经T l、C31、VF l放电。

使2个电容器中点电位V A在前半周期结束时升高了A VE l。

当VF l变为截止、Ⅶ2尚未导通时，两管中点电压V o又恢复到接近1／2的半电源电压值。

当桥壁下管VF2的栅极驱动脉冲变为高电平时，VF2饱和导通，电源电流又由+300V经C32、T1、C31到地，形成c32充电回路。

此时VF l截止，C33则经T1、C31、饱和导通的VF2放电。

因此中点电压V▲在后半周期结束时又下降了△VE20如果电路参数对称，则A VE l=△VE2，中点电位V▲在开关过程中将以电源电压一半值E／2为中心，按±△V E幅度作指数规律的上升和下降变化。

半桥逆变电路的工作波形如图3．2所示。

其中a、b是两路驱动脉冲电压波形，它们的相位差为1800。

在驱动电压的轮流开关作用下，半桥变换器的2只功率MOSFET交替导通和截止，在变压器T1的原边产生高压开关脉冲，从而在副边感应出交变的方波脉冲，实现功率转换。

当开关管VF l(或Ⅶ2)导通时，加于变压器原边绕组上的电压是电容器C32(或C33)两端的电压。

在电路中，由于开关管特性不一致，引起开关管VF l的导通时间比开关管VF2的长，则电容C32两端的平均电压就会比电容C33两端的低。

故VF l导通时，加于变压器原边绕组两端电压的幅值，就会比Ⅶ2导通时的要低，从而就能够使加到变压器原边绕组两端正负方波的伏·秒积分始终维持相等。

因此，此电路的抗不平衡能力是比较强的。

虽然半桥逆变电路自身具有抗不平衡能力，但在实际应用电路中，通常在高频变压器原边电路中，串入一只容量足够大的电容C31。

其作用是用来进一步增强电路的抗不平衡能力，防止由于开关管的特性差异而造成变压器磁芯饱和。

图3.2半桥式逆变电路工作原理波形
3.2高频开关电源主要功能模块
3.2.1全隔离单相交流调压模块
由于本脉冲电源系统适用于不同负载，因此要求输出脉冲电压的幅值需要在10KV"-,50KV连续可调，那么就需要设计电压调节电路。

为了简化电路设计，本论文引入全隔离单相交流调压模块。

该模块是集同步变压器、相位检测电路、移相触发电路和输出可控硅于一体，当改变控制电压的大小，就可改变输出可控硅的触发相角，即实现单相交流电的调压。

根据输出可控硅器件不同分一只双向可控硅的普通型，两只单向可控硅反并联的增强型和一只单向可控硅的半波型等三类。

按单相交流负载的额定电压分220V和380V两类，按控制信号的不同分E、F、G、H型等四类。

根据要求，本系统采用普通型DTY．220D40E型交流调压模块。

图3．3为此模块220V交流电网控制电路图。

图3.3 220V交流电网自动控制电路图
①②为输出端，即模块内部可控硅的两极，增强型和普通型的①②端无极性，半波型模块内部单向可控硅的阳极接①端，阴极接②端。

③④为模块内部同步变压器初级，分220Vac和380Vac两种规格：220Vac规格的模块允许使用在165"--'240Vac范围的电网上，380Vac规格的模块允许使用在285"-'420Vac的电网上，③④不分极性。

COM为内部地端，CON为控制端，+5V端为内部产生，只供电位器手动控制用。

①②③④的强电部分和+5V、CON、COM端的弱电部分为全隔离，其应用电路如下所示。

图3．4为其输入输出关系曲线及波形图。

有关技术指标及应注意的问题为：
(1)通过①②加在负载上的电压相位和③④端的电压相位必须一致，否则失控。

电网频率须为50Hz。

(2)CON对COM必须为正，如极性相反则输出端失控(全开或全闭)。

当控制端CON从0"-5V改变时，交流负载上的电压从0V到最大值可调(对阻性负载而言)。

其中CON在O～0．8V左右时为全关闭区域，可靠关断模块的输出；CON在0．8V-一4．6V左右为可调区域，即随着控制电压的增大，导通角a从180。

到0。

线性减小，交流负载上的电压从0V增大到最大值；CON在4．6V"5V左右时为全开通区域，交流负载上的电压为最大值。

图3.4控制电压与可控硅输出导通角关系曲线及波形图
(3)CON对COM的输入阻抗分E、F和H型均为大于等于30Kf2；G型为250fl。

+5V电压信号只提供给手控电位器用，不作它用，所选用的电位器阻值在
2KCJ"-'10KQ
间，注：4mA"--20mA的G型不能用电位器手动调节，此时+5V端也没有用处。

(4)单相交流异步电动机的调速原则上应采用变频器，只有风机类、水泵类单相
电机在要求不高的场合可采用单相调压模块。

(5)三只单相调压模块不能使用在三相电网上对三相负载调压。

(6)弱电部分、强电部分、模块底板相互间绝缘电压均大于2000Vac。

(7)整个模块的发热量按负载实际电流安培数乘1．5W／A计算，散热器可选用的型号有E．40、F．70、F．100及G系列。

3.2.2辅助电源电路
辅助电源电路是一个系统的核心，是保障系统正常运行的必要条件。

开关电源的稳压精度高，但是只能稳定一路电压。

本系统的信号处理电路和各种驱动电路需要多组直流稳压电源为系统供电。

所以单纯的选择开关电源既不经济也无法满足系统的要求。

所以本系统采用2个三端稳压块分别构成+12V和+5V稳压电路输出，如图3．5所示。

+12V电源为脉宽调制芯片SG3525及各功能电路的运算放大器供电；+5V电源主
要为单片机及其所有外围设备供电，包括A／D转换芯片MAXl97，多路选择器CD4052，
以及液晶模块及其背光电源。

图3.5辅助电源电路
电网电压经过变压器与桥式整流电路后变成直流电。

在经过一个有极性电容和一个无极性电容后滤去低频和高频谐波分量，在稳压块的输入端产生一个基本
稳定的电压，经过稳压块后产生一个稳定的直流电压。

稳压块的输入端要满足在电网电压下降至最低时还至少比输出端的电压高3V。

由于+5V所提供的负载电流很低所以可以直接将其连接至+12V稳压块的后端，这样节省了变压器副端的输出。

3.2.3脉冲形成电路
本系统选择AT89C51作为主控芯片，选择脉宽调制芯片SG3525提供半桥逆变电路开关管的驱动脉冲，通过主控芯片AT89C51产生控制脉冲改变SG3525驱动脉冲时间形成最终系统输出的高压脉冲。

下面简要介绍所用到的芯片和脉冲产生电路[12-13]。

(1)SG3525简介
SG3525采用双列直插式封装，CMOS工艺，具有功耗小、驱动能力强、开关动作快、外接元件少等优点。

各引脚功能如下：1、2引脚分别为互差放大器的反相输入端和同相输入端，3脚为同步输出端，4脚为振荡器输出，5、6脚分别外接内部振荡器的时基电容和电阻，7脚接放电电阻，8脚为软启动，9脚为误差放大器的频率补偿端，10脚为关断控制端，11、14脚为驱动脉冲输出端，12脚为接地端，13脚接输出管集电极电源，15脚接SG3525的工作电源，16脚为5．1V 基准电压引出端。

SG3525内部结构框图如图3．6所示，它在第一代脉宽调制芯片SG3524的基础上作了较大的改进，克服了SG3524的不足成为第二代集成电路脉冲宽度调制器，特别适合于半桥逆变电路的驱动信号控制。

主要表现在以下几个方面：第一，电路中设置了欠压锁定和限流关断电路。

为了在欠压状态下(U<8V时)有效地使输出保持在关断状态，电路中设置了欠电压封锁电路，当U>2．5V时，欠电压封锁电路就开始工作，其上限值为8V，但在电路达到8V前，电路各部分已进入正常工作状态，而当从8V下降到7．5V时，锁定电路又开始恢复工作，其中有0．5V的回差电压，用于消除钳位电路在阈值点处的振荡。

在锁定电路工作期间，输出一高电平，加至组合逻辑门电路的输入端，以封锁PWM的脉冲信号。

SG3525没有电流限制放大器，它采用了关断控制电路来进行限流控制，只要将信号加于10脚就能实现限流控制。

另外，10脚也可提供各种程序控制的需要。

第二，改进了振荡电路。

主要是将时基电容CT的放电电路与充电电源分开，。