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低頻長脈寬高壓脈沖電源設計
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低頻長脈寬高壓脈沖電源設計

作者:   發布日期:2016-07-19 18:50   信息來源:http://www.419kh.com/

    

  本文針對離子注入工藝的特定要求,采用buck 拓撲結構,以IGBT 為斬波器件,并結合單片機與CPLD 技術,研制了一種低頻長脈寬的高壓脈沖數字電源。通過離子注入試驗并結合工藝研究驗證了該電源的實用性和穩定性。

  傳統的高壓脈沖電源多采用高壓電子管作為斬波器件,其穩定工作狀態在6 kV 以上,而電子管也存在體積大、功耗大、發熱嚴重、壽命短、電源利用效率低、結構脆弱 等缺陷,所以真空技術網(http://www.chvacuum.com/)經過調研發現它的絕大部分用途已經被固體器件晶體管所取代。綜上考慮,本文以IGBT 為斬波器件設計了一套10 kV 以下的高壓脈沖電源,彌補了該領域的空白。

1、電源指標要求

  輸入電壓為單相交流220 V;輸出脈沖峰值電壓范圍為1 kV~10 kV;輸出最大峰值電流為4 A;脈沖頻率為1 Hz~20 Hz;脈沖寬度為1.5 ms;脈沖上升時間小于5 us。

2、電源設計原理介紹

  該脈沖電源工作于低頻長脈寬高壓狀態,它的基本工作原理是:首先經過慢儲能,使初級有足夠的能量,然后向中間儲能和脈沖成型系統放電,能量經過儲存、壓縮、形成脈沖或轉化等復雜過程之后,獲得高壓脈沖。

3、電源方案設計

  3.1、電源主回路設計

  該電源采用的主回路原理圖如圖1 所示,由工頻整流、電壓調制、頻率脈寬調制和升壓四部分組成。其電能形式變化依次分為為:220 V 單相交流源、310 V 恒壓直流源、30 V~280 V 可調直流電壓源、280 V 以下可調脈沖源、10 kV/4 A/1.5 ms 脈沖五個環節。

脈沖電源主回路原理圖

圖1 脈沖電源主回路原理圖

  在電壓調制回路中采用的是buck 降壓斬波電路,而頻率脈寬調制回路中采用硬斬波方式,二者均以IGBT 作為斬波器件。的連接采用的是三臺原邊并聯副邊串聯的方式,這樣有效的減小了單臺變壓器的變比,防止因變比過大而導致產生較大寄生參數等問題,同時實驗也證明,這種方式有效的縮短了脈沖上升時間。

  3.2、電源控制系統原理

  圖2 示出該電源的控制系統組成。前級斬波(即IGBT1 斬波) 采用SG3525 芯片實現模擬信號控制;后級斬波(IGBT2 斬波)采用MCU 和CPLD配合控制,采用的芯片分別為C8051F020 和EPM1270T144C5,以數字信號控制為主。

控制系統組成方框圖

圖2 控制系統組成方框圖

  圖中TLC1543 為ADC 芯片,TLC5615 為DAC芯片,二者配合使用共同完成模擬電路與數字電路之間的信號轉換。由于所選用的低成本單片機芯片在數據采集、響應速度等方面具有較大的時間延遲,不能滿足過流保護的速率要求,系統中的電流反饋則通過比較器LM339 轉換成同相的方波送入CD4098 或者CPLD,CD4098 在上升沿觸發條件下輸出具有一定寬度的脈沖信號送入SG3525實現輸出脈沖的內部關斷,而CPLD 則在上升沿觸發下由內部邏輯元電路判斷過流進而完成信號終止輸出,這兩種方式均有效地縮短保護動作時間,增加電源工作狀態的可靠性、穩定性。

  3.3、整流回路的開通時序

  圖1 所示的工頻整流環節中,主回路導通采用可控硅SCR1 與SCR2 配合控制。圖示電容C1與C2 選值較大,若SCR1 與SCR2 同時導通,交流220V 電源直接給C1、C2 充電,會導致該回路產生過大的充電電流。該過電流會直接導致空氣開關連續跳閘以及可控硅、整流橋等器件損壞。

  SCR1 與SCR2 采用非同步導通。SCR1 在T1時刻導通后,交流電壓通過R1 為C1 和C2 充電,而SCR2 需在C1、C2 充電完成后導通,即SCR2 導通時刻T2 需滿足:T2≥T1+R1×(C1+C2)。導通時序的配合控制如圖2 所示,由MCU 和TLC5615共同完成。

5、結論

  采用buck 拓撲電路設計脈沖電源的電壓調試回路具有結構簡單、理論成熟、便于調試等優點。單片機配合SG3525 的控制方式有效的降低了輸出脈沖在脈寬、頻率、壓差等方面的誤差,增加了輸出精度。脈沖變壓器的設計與連接方式有效降低了寄生參數的影響,使輸出波形更趨近于注入要求。該電源自投入上海某研究所實驗室應用之后,各狀態工作正常,未出現任何故障。這表明該電源具備較高的穩定性、可靠性及實用性。

 

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