基于Marx电路的纳秒级高压脉冲电源设计

嵇保健(通信作者);1981—,男,博士,讲师 ;主要从事电力电子技术及新能源并网技术方面的研究工作;E-mail: [email protected]

基金项目： 江苏省自然科学青年基金(BK20140944); Project supported by Natural Science Youth Foundation of Jiangsu Province (BK20140944);

为满足等离子体污水处理对高压脉冲电源的要求,设计了一种基于Marx发生器的紧凑型、高重复频率纳秒级高压直流脉冲电源,该脉冲电源以绝缘栅双极晶体管（IGBT）作为放电主开关,并使用多输出磁环变压器为IGBT提供驱动信号。Marx发生器由25级电路组成,每级电路由IGBT开关、快恢复二极管以及电容器组成。充电时,通过电感和二极管对电容充电,减小电路功率损耗;放电时,电感对输出脉冲高电压与输入电源之间进行隔离。为了保护IGBT开关在短路等情况不被过电流损坏,使用了过电流保护电路。实验结果表明,输入电压为500 V低压时,串联25级电路即可获得最大幅值为10 kV、最小脉宽为400 ns且脉冲前沿为50 ns的高压脉冲,可实现反应器中气体的电晕放电,达到污水快速净化的目的。

关键词 : 高压脉冲电源; Marx发生器; 脉冲功率; 绝缘栅双极晶体管; 同步驱动; ns级脉冲;

DOI：10.13336/j.1003-6520.hve.20161128006

To meet the requirements of plasma sewage treatment, we designed a compact and highly repetitive nanoseconds-scale pulsed power modulator based on Marx generator. The power modulator uses IGBT as the main discharge switch with the driving signals provided by multiple output magnetic ring transformer. The Marx generator is composed of 25 stages. Each stage consists of IGBT switch,fast-recovery diode, and capacitors. In the charging process, the capacitor is charged through an inductor and diodes, which leads to high charging speed and low power loss. While in the discharging process, the inductor can act as an isolator between the DC input and the high voltage pulse output. In order to protect the IGBT switches from short circuit, the over-current protection is utilized. The experimental results show that when the input voltage is 500 V, the proposed generator in the presence of series-connected 25 Marx unites can generate a fast output pulse with 10 kV-voltage, 400 ns-minimum pulse width, and 50 ns-rise time. In this case, the gas in reactor can be corona discharged, and thus the sewage can be purified rapidly.

KEY WORDS : high voltage pulse power supply; Marx generator; pulsed power; IGBT; synchronous driver; nanosecond pulse;

随着我国经济的快速发展,环境问题变得日益严重。环境的恶化已经严重影响了人们的日常生活。近几年,由于电力电子技术的快速发展,脉冲功率技术开始广泛应用于工业废水、废气的处理以及静电除尘等领域。相比于传统的处理方法,脉冲功率技术的效率更高并具有节能的优势,已经成为环境工程的重要处理手段[1-3]。

Marx发生器以低电感值、高储能密度的电容器作为其主体框架,已经被广泛应用于高压脉冲电源。传统Marx发生器的基本工作原理为：对电容器组进行并联充电,然后改变其电路结构,实现电容器组通过火花隙或闸流管等气体开关组成串联形式进行放电,使电压加倍以获得幅值更高的脉冲电压[4-7]。但是气体开关稳定性差、重复频率低、寿命短的缺点制约了脉冲电源的发展。随着半导体开关器件的发展,大功率的半导体开关被广泛用于Marx发生器中[8-12]。由于Marx发生器由多级电路构成,需要为半导体开关提供相互隔离的多路同步驱动信号,且具有较快的上升沿。本文设计的10 kV高压脉冲电源采用绝缘栅门极晶体管（IGBT）作为主开关,使用多路输出磁环变压器为IGBT提供同步驱动信号,并且实现了驱动信号的高压隔离。

一般情况下,n级Marx发生器由n个开关、电容以及2n个隔离电阻组成[13-17],本文使用二极管代替隔离电阻。图1所示为4级Marx电路图,每级电路由1个IGBT开关S、电容C,以及2个快恢复二极管D组成,每级电路中固态开关IGBT用来控制该路电容的充放电。

如图2所示,图中实线表示电容充电回路,充电时所有IGBT开关断开,使电容器通过二极管并联在一起。充电电源通过大电感L和二极管D1~D8对电容进行充电,使电容电压达到充电电源电压Uin。此处使用大电感L可以对充电电流起到限流作用,而二极管取代充电电阻,在充电时自然导通,加快充电时间,减少了功率损耗。

在脉冲驱动作用下,所有IGBT开关同时导通,因此,电容器通过IGBT开关串联在一起向负载进行高压脉冲放电,其值等于所有电容器电压之和。放电回路如图3中实线所示,二极管反向截止对级间以及每级内部进行电压隔离,同时由于二极管的作用,即使有IGBT开关不能正常工作,二极管将导通并旁路掉本级IGBT开关,直接与下级电容串联,其他级对负载正常放电,如图4中实线所示。放电时电容C2~C4、电感L以及二极管D1组成另一个放电回路(图3中粗实线部分),此时电感作为充电电源和高压输出脉冲(3Uin)之间的隔离,因此最大电感电压为4Uin。

图1 Marx发生器主电路结构 Fig.1 Circuit diagram of Marx generator

图2 充电时电路图 Fig.2 Circuit diagram of charging mode

图3 放电时电路图 Fig.3 Circuit diagram of discharging mode

图4 IGBT开关故障时放电电路图 Fig.4 Circuit diagram of IGBT malfunction mode

IGBT驱动信号由数字信号处理器（DSP）产生,为避免高压脉冲输出干扰驱动信号,可对信号发生部分进行密封屏蔽。驱动信号传输到IGBT驱动电路,对驱动信号功率进行放大。实际电路中包含多个IGBT开关,这就要求IGBT的打开或关闭必须同步,且IGBT驱动必须具备10 kV的绝缘水平。因此采用铁氧体材料的磁芯作为多路输出驱动变压器,对放大后的驱动信号进行磁隔离。使用电缆穿过磁环中心作为变压器原边,形成单匝原边。由于磁芯的电感较大,经过驱动变压器后很难得到较陡的脉冲前沿,因此采用MC33153驱动芯片来提高驱动能力。电路框图见图5。因为IGBT所需的驱动功率并不大,为了满足这些基本要求,这里采用的是自供给方式,从本级主电容取电给驱动芯片MC33153提供供电电源,且驱动信号由光纤来传输。

如果选择输出电压较低的充电电源,要使输出高压脉冲达到设计要求就必须增加Marx发生器回路的级数;如果选择输出电压较高的充电电源,Marx发生器的单级回路就必须承受较高的电压,这对电路中元器件的参数要求较高,且增加了电路成本。因此,选用输出电压为500 V的电源作为充电电源比较合适。为获得10 kV输出电压,该Marx发生器选用25级回路。

根据充电电压及经济性的要求,本电路IGBT采用Fairchild公司生产的FGA50N60LS,其额定电压UCE=600 V,额定电流IC=100 A。Marx主电路放电时,二极管的最高隔离电压为500 V,为了保证电路的可靠性并提高充电效率,选用APT公司的APT40DQ60BG快恢复二极管。

由前文所述Marx发生器中电感的主要作用,电感值的选择必须考虑到：充电状态时,应保证满负载最大频率时电容(C1~C25)在最大脉宽作用下电压能够充到500 V;放电状态时,应限制放电电流,避免大电流引起IGBT开关过热而损坏。充电时,电容的充电时间tc可按式(1)计算

式中：T为周期;L为电感值;Ceq为Marx发生器总电容且Ceq=C1+C2+…+C25。为了达到最大脉冲频率fmax,电容充电时间应小于最大充电周期Tmax=1/fmax。因此可通过式(2)求得最大电感值Lmax

在高压脉冲放电阶段,电感L有一个最大电流值,为了限制最大电感电流ILmax不超过IGBT的最大电流值,电感L的最小电感值Lmin的表达式为

式中：ULmax为电感电压最大值;Δtmax为最大脉冲宽度;ΔILmax为流过电感L的最大电流。因此,电感L的电感值的选取必须同时满足式(2)和式(3)。

电容通过导通的IGBT串联起来释放储存的能量,形成高压脉冲输出。电容的大小必须由放电时间常数和在最大的脉冲宽度下可承受的输出高压脉冲最大降幅来决定。为便于分析,假设ZLoad为阻性负载。本设计在满负载最大脉冲宽度时允许的电压降为输出脉冲电压的20%。为满足上述条件,高压脉冲放电阶段的等效电容Ceq应满足

式中：Cn=C1=C2…=C25;τ为最大脉冲宽度;ΔUd为输出高压脉冲最大降幅;ILoad和IInductor分别为流过负载和电感的电流。在20%电压降、负载为260 Ω的条件下,可得Cn=480 nF。因此选用2个额定电压为630 V 的270 nF电容并联使用。

故障检测和快速保护是高压脉冲电源的重要部分,为了防止大电流对IGBT造成损坏,需要在输出点与负载间加入有源过流保护装置,对系统进行过电流保护。如图6(a)所示,过电流保护电路通过使用IGBT(1 200 V,70 A)来实现。

图5 驱动电路图 Fig.5 Diagram of the driving circuit

图6 有源过流保护电路及其特性 Fig.6 Active over-current protection circuit and its characteristics

电路中IGBT(Q1~QN)的栅射电压UGE由直流电压UDC通过二极管(D1~DN)以及栅极电阻(RG1~RGN)来提供（N为电路的串联支路数）,并且其电压值被稳压二极管(DZ1~DZN)稳压在15 V。集电极电流(IC)随UGE的增加而增加。如果电流IC>70 A,根据IGBT的输出特性可知,IGBT的工作区域由饱和区转移到有源区,此时集电极与发射极之间等效电阻将变大,大于其两端的并联电阻值(RB1~RBN)。因此,过流保护装置的电阻值近似为Rmax=RB1+RB2+…+RBN。如图6(b)所示,过流保护装置可等效为一个非线性电阻,其阻值是关于电流IC的函数。在电流IC小于临界电流Icritical时,过流保护装置有一个最小电阻值Rmin,该值反映了集电极发射极饱和电压UCE(ON)。一旦电流IC超过临界电流值,过流保护装置的电阻值将以指数形式增加,并最终达到Rmax。当出现短路时,输出短路电流将得到限制。

通过使用saber仿真软件,搭建电路图见图1。当输入电压为500 V时,4级Marx发生器的输出电压可达2 kV,电路仿真波形见图7(a)。从图7(b)可见,输出电压在20%电压降时的脉冲宽度为500 ns。

实验中使用260 Ω电阻作为负载,当输入电压为500 V时,25级Marx发生器的输出电压波形如图8所示,其最大峰值可达10 kV且上升时间为50 ns。

当输入电压不同时,输出脉冲电压的幅值随输入电压变化,其值为25Uin,图9所示为电阻负载时,不同输入电压下的输出脉冲电压波形图。

图10所示为不同脉宽时的输出电压波形。脉冲输出频率为0.3~1 kHz可调,图11所示为不同频率时输出电压波形。

1）该电源使用IGBT作为主开关管,具有驱动方便的优点。且其驱动信号由多输出磁环变压器提供,可实现驱动同步并具备高压绝缘能力。

2）实测结果表明,输出脉冲具有陡峭上升时间(50 ns)、窄脉冲(400 ns)等特点,能达到等离子体污水处理的要求,在环保领域具有广阔的应用前景。

图7 Marx发生器输出电压波形 Fig.7 Output voltage of Marx generator

图8 输出电压及其前沿上升时间 Fig.8 Output voltage and rising time of the frontier

图9 不同输入电压时的输出电压 Fig.9 Output voltages under different input voltages

图10 不同脉宽时的输出电压 Fig.10 Output voltage under different pulse widths

图11 不同频率时的输出电压 Fig.11 Output voltage of different frequencies

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