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哈尔滨理t 大学丁= 学硕士学位论文 高压陡前沿脉冲发生器的研究 摘要 纳秒级上升沿高压脉冲技术己经在高压绝缘检测、激光技术、微波技术和 电磁兼容试验技术等领域得到了广泛的应用。随着脉冲功率技术的发展，更快 的脉冲前后沿、更高的重复频率以及更高的幅值都已成为脉冲功率技术的发展 方向。在单器件m o s f e t 和i g b t 耐电压和电流非常有限情况下，就需要采 用大量开关器件的串联或并联来提高开关电压和电流，本论文研究的高压陡前 沿脉冲发生器采用i g b t 串联技术，以实现幅值为士5 k v ，脉冲前沿为2 0 0 n s ， 重复频率为1 0 k h z 的高压脉冲输出。 本文基于电力电子技术和脉冲功率技术，提出了一种高压、重复频率和陡 前沿脉冲发生器的设计方法。其组成主要由幅值可调高压直流电源产生回路、 高压逆变主回路和高压逆变控制回路构成。直流电源产生回路由调压回路、低 压逆变回路、高频升压变压器和高频整流回路构成；高压主回路逆变器采用多 个i g b t 串联构成半桥回路及相应的保护电路；高压逆变控制回路采用芯片 s g 3 5 2 5 来实现p w m ( 脉宽调制) 的控制方式，并且采用脉冲变压器来实现 多个i g b t 的同步驱动以及信号隔离。 通过仿真分析和实验研究表明，本文所设计的高压陡前沿脉冲发生器可实 现输出幅值的连续调节，高压逆变控制信号具有较好的同步性，高压逆变回路 可产生前沿2 5 0 n s 、幅值士5 k v 的高压陡脉冲。 关键词高压脉冲；陡前沿；i g b t ；串联技术；半桥 d e v e l o p m e n t o f h i g hv o l t a g es t e e pr i s e t i m ep u l s e g e n e r a t o r a b s t r a c t t h en a n o s e c o n dr i s e t i m eo fh i g hv o l t a g ep u l s et e c h n o l o g yh a sb e e na l r e a d y w i d e l yu s e di nh i g hv o l t a g ei s u l a t i n gt e s t , l a s e rt e c h n o l o g y , m i c r o w a v et e c h n o l o g y a n de l e c t r o m a g n e t i ce o m p a t i b i l i t yt e s t w i t ht h ed e v e l o p m e mo ft h ep u l s ep o w e r t e c h n o l o g y , f a s t e r f r o n ta n db a c kp u l s ee d g e ，h i g h e r f r e q u e n c ya n dh i g h e r v o l t a g ea r eb e c o m i n gh o t s p o t s t h ev o l t a g ea n dc u r r e n to f s i n g l em o s f e t o ri g b t a r el i m i t e d , a n dh i g hs w i t c hv o l t a g ea n dh i g hs w i t c hc u r r e n tc a l lb eo b t a i n e db y u s i n gm o s f e t o ri g b ti ns e r i e sl i n k e dm o d ea n dp a r a l l e ll i n k e dm o d e t h eh i 曲 v o l t a g es t e e pr i s e t i m ep u l s eg e n e r a t o ri sb a s e do nt h ei g b t i ns e r i e sl i n k e dm o d ei n o r d e rt oo u t p u tt h eh i g hv o l t a g ep u l s ew i t l la m p l i t u d e 士5 k v , p u l s er i s e t i m e2 0 0 n s , a n dr e p e t i t i o nf r e q u e n c yl o k h z b a s e d0 1 1t e c h n i q u eo fp o w e re l e c t r o n i c sa n dp u l s ep o w e r , t h em e t h o dt o g e n e r a t et h eh i g l lv o l t a g ew i t ht h ec h a r a c t e r i s t i c so fr e p e t i t i o nf r e q u e n c ya n ds t e e p p u l s ei sp r o p o s e di nt h et h e s i s t h ee s t a b l i s h e dm e t h o di n c l u d ed cg e n e r a t i n g c i r c u i tw i t ha d j u s t a b l ea m p l i t u d eh i g h - v o l t a g e h i g h - v o l t a g ei n v e t e rm a i n - c i r c u i ta n d h i g h - v o l t a g e i n v e r t e rc o n t r o l l e dc i r c u i t t h ed cg e n e r a t i n gc i r c u i ti n c l u d e d a d j u s t a b l ev o l t a g ec i r c u i t ，l o w - v o l t a g ei n v e r t e rc i r c u i t , l a j l g h f r e q u e n c ys t e p - u p t r a n s f o r m e ra n dh i g h f r e q u e n c yr e c t i f y i n gc i r c u i t h i g h - v o l t a g em a i n - c i r c u i ti n v e r t e r a d o p t sh a l f - b r i d g ew i t h s e v e r a li g b tc o n n e c t i o ni ns e r i e sa n dc o r r e s p o n d i n g p r o t e c t i v ec k c u l t h i g h - v o l t a g ei n v e r t e rc o n t r o l l e dc i r c u i ta d o p t ss g 3 5 2 5 t or e a l i z e p w mo n t r o l l e d m o d e ，a n dp u l s et r a n s f o r m e rt or e a l i z es e v e r a li g b ts y n c h r o d r i v e a n ds i g n a li s o l a t i o n t h es i m u l a t i o na n a l y s i sa n dt h ee x p e r i m e n ti n d i c a t et h a tt h eo u t p u ta m p l i t u d e c a nb cc o n t i n u o u s l ya d j u s t e db yt h eh i g hv o l t a g es t e e pr i s e t i m eg e n e r a t o r , t h eh i g l a v o l t a g ei n v e r t e rc o n t r o l l e ds i g n a lh a sag o o ds y n c h r o n i s m t h eh i g hv o l t a g ei n v e r t e r c i r e n i tc a ns u p p l yap u l s ew i t h2 5 0 n sr i s e t i m ea n d 士5 k vo f a m p l i t u d e k e y w o r d sh i 曲v o l t a g ep u l s e ；s t e e pr i s e t i m e ；i g b t ；s e r i e st e c h n o l o g y ；s e m i 哈尔滨理t 大学t 学硕士学位论文 b r i d g e i 哈尔滨理工大学硕士学位论文原创性声明 本人郑重声明：此处所提交的硕士学位论文高压陡前沿脉冲发生器的研 究，是本人在导师指导下，在哈尔滨理工大学攻读硕士学位期间独立进行研 究工作所取得的成果。据本人所知，论文中除已注明部分外不包含他人已发表 或撰写过的研究成果。对本文研究工作做出贡献的个人和集体，均已在文中以 明确方式注明。本声明的法律结果将完全由本人承担。 作者签名：日期：年月日 哈尔滨理工大学硕士学位论文使用授权书 高压陡前沿脉冲发生器的研究系本人在哈尔滨理工大学攻读硕士学位 期间在导师指导下完成的硕士学位论文。本论文的研究成果归哈尔滨理工大学 所有，本论文的研究内容不得以其它单位的名义发表。本人完全了解哈尔滨理 工大学关于保存、使用学位论文的规定，同意学校保留并向有关部门提交论文 和电子版本，允许论文被查阅和借阅。本人授权哈尔滨理工大学可以采用影 印、缩印或其他复制手段保存论文，可以公布论文的全部或部分内容。 本学位论文属于 保密口，在年解密后适用授权书。 不保密口。 ( 请在以上相应方框内打4 ) 作者签名： 导师签名： 日期： 日期： 年月日 年月日 第1 章绪论 1 1 课题研究背景、目的及意义 本课题研究的高压陡前沿脉冲发生器是基于脉冲功率技术，产生纳秒级脉 宽前沿的高压电源，因此作为核心的脉冲功率技术也就成了研究脉冲电源的关 键。脉冲功率技术是高电压技术的一个分支科学，是随着现代科学技术的发展 和需要应运而生的。所谓脉冲功率技术是指将“慢”存储起来的具有较高密度 的能量，进行快速压缩、转换或自接以很短的时间释放能量给负载的电物理技 术。它作为先进的科学技术以及产业的基础科技正在急速向前发展，其中高压 快脉冲电源以其高速( 前沿纳秒级) 、高压( 幅度千伏) 、低晃动( 纳秒级) 等 优点，目前广泛应用于激光等离子体诊断、抗核加固、核爆模拟、电磁脉冲研 究、惯性约束聚变、x 射线探伤、强脉冲中子源、x 射线快速照相技术、探地 雷达、高速数据通信、量子辐射物理、加速器技术等近代科学与高技术领域， 具有重要的科学意义与实用价值。同时，随着技术的成熟与发展，逐步向诸如 有石油开采、金属设备表面清砂除锈、机废水电离降解【1 1 、有害废气、各种有 害物质处理等新的应用领域扩展，具有广阔的发展前景。 随着电子元器件、电磁材料、电源变换技术、控制理论及专业软件的不断 翻新，并不断地被应用于脉冲电源，使得脉冲电源的性能不断提高，出现了如 频率高、效率高、功率密度高、可靠性高等新特性。但对于高压脉冲电源还有 很多技术问题和难点需要解决，如： 提高脉冲重复频率。通过提高脉冲的重复频率，不仅提高脉冲电源的平 均功率，而且减小电源的体积和降低造价。 提高电源效率，降低电源自身能耗。 提高电源系统的可靠性，脉冲放电产热和高频电磁干扰对系统可靠性造 成严重的影响。 随着高压变压器体积减小，频率升高，分布容抗变小，绝缘问题异常突 出。 高频化导致变压器的趋肤效应增强，使变压器效率降低。 由于高压电源的频率很高，导致功率开关器件开断频繁，能耗增大，这 就对逆变器的拓扑结构应有所选择。采用软开关和同步整流技术，可有效降低 哈尔滨理t 大学丁学硕士学位论文 伴随高频化带来的损耗。同时采用逆变器和准谐振电路相结合的技术，通过电 压或电流的谐振，使开关打开或断开时电压或电流为零，使能耗大大减小。 高压快脉冲电源的技术基础核心是高压快开关。它的性能的好坏直接影响 到脉冲的理想度，因此在脉冲技术领域中，人们越来越重视脉冲开关的研制与 改进。一方面，过去固体器件开关尽管具有速度快、晃动小等优点，但由于技 术与工艺水平的限制，不具备有电真空器件的大功率、耐高压、大电流驱动能 力等特点，因而只能用于低压快脉冲源领域，随着半导体技术的发展，逐步出 现了高压固体器件，采用多管级联方式，提高输出功率，逐步改变了现状；另 一方面，随着电真空器件的不断发展和改进，电真空器件的开关速度、晃动等 技术指标有了长足的进步。因此目前高压快脉冲源技术是电真空技术与固体器 件技术同时发展，分别代表着高速高压脉冲源的两个发展方向，并在今后继续 并行发展达到更高水平。开关技术是高压脉冲中面临的一大挑战，许多方面都 有待人们进一步地去探索和研究。相信在不久的将来，更加快速，稳定，可靠 和长寿命的脉冲开关将会出现。 1 2 国内外高压脉冲电源研究概况和发展趋势 在国外脉冲源技术的研究很早就己经开始，其中高压快脉冲技术其起源于 核物理实验、雷达、无线通信技术及计算机技术发展的需要。目前高压快脉冲 源广泛应用于各种领域1 2 1 。由于应用对象特点不同，决定对脉冲源的要求不 同，例如在激光系统常用的纳秒级高压快脉冲源主要有两个研究方向：一是电 真空器件以二次电子发射管、放电间隙开关、触发管、氢闸管等为代表，主要 研究如何提高电真空器件的开关速度，减小其触发晃动，研制与其相配的高速 高压驱动电路。二是以雪崩三极管和高压场效应管等为代表的固体器件，研究 大功率高速高压半导体固体开关及与其相配的高速高压组阵电路( 利用多个电 压电流较小的固体开关进行串并联组合) 。 其中，二次电子发射管优点是：重复频率高，触发延迟和晃动小，但是脉 冲输出电压幅度较低( 仅有几百伏) ，且寿命短、不稳定、噪音大；放电间隙 开关如火花隙容易产生较大的脉冲幅度( 千伏以上) 和较短的上升时间( 亚纳 秒级【3 1 ) ，但是重复率低，晃动大；触发管工作电压可以达到十几千伏，缺点 是需要较高的触发脉冲电压( 与其阳极电压几乎在同一个量级) ，且晃动较大； 闸流管的工作电压范围较大( 数百伏到数十千伏) ，开关速度快( 几个纳 秒) ，重复频率较高，其缺点是晃动较大 4 1 。为进一步提高闸流管的输出指 标，人们在闸流管的基础上发展了氢闸流管( 1 9 4 8 年) ，氢闸流管工作电压范 2 哈尔滨理工大学工学硕十学位论文 围大，工作电压和电流可达到几百千伏和几百千安，电流增长率高可达1 0 ” 1 0 1 1 m s ，重复频率可大于几千赫兹，工作寿命长，晃动可达到亚纳秒级1 ”，近 一步提高了重复频率和寿命，减小了晃动。经过几十年的发展氢闸流管性能不 断提高，现今是高压高速脉冲源应用最广的开关器件之一，在各种加速器、受 激准分子激光器、雷达、线性加速器、激光等脉冲源系统中用于脉冲调制、过 压保护电路、普克尔盒( p o e k e l sc e l l ) 驱动及速调管、磁控管等高功率开关的 驱动，生成幅度几十k v 、前沿几十n s 的高压宽脉冲1 6 1 【7 】 g l 9 1 。目前在国外有产 品如o i c l e s k i t c h e n 等用氢闸流管产生幅度几千伏以上的纳秒级高压脉冲l l o l ”i ；美国l a s e r 伍t c s 公司用氢闸管研制了上升时间i n s ，幅度8 k v 脉宽 数纳秒的高压纳秒级窄脉冲源。在国内由于国产的氢闸流管器件开关速度较 慢，工作电压较低，以国产器件构成的氢闸流管脉冲源其输出指标较低，如东 南大学的潘来根等，采用均衡分频措施使用国产中小功率氢闸流管产生了幅度 为几千k v ，前沿1 0 5 0 n s ，脉宽1 0 0 5 0 0 n s 的脉冲，重复工作频率1 0 4 1 6 1 0 4 i - i z t ”l ；吴辉等用m o s f e t 管i r f p 4 6 0 触发氢闸流管h y 3 2 0 2 的栅极，产 生了1 2 k v 、前沿3 0 n s 的高压脉冲( 负载3 n f ) 0 3 1 。而中物院电子工程研究所采 用国外高速双栅极氢闸流管，应用高速大功率高压场效应管驱动其两个栅极， 已经研制成功上升时间1 0 n s ，幅度1 5 k v 及上升时间1 5 n s ，幅度2 6 k v 快脉冲 源。 虽然电真空器件脉冲源目前得到广泛应用，但是采用这类器件的高压脉冲 源的共同缺点是；体积庞大，装置复杂，需要许多外围驱动装置，其可靠性较 低，限制了其应用范围，特别是在要求精度较高、体积较小的场合，这种缺点 显得尤为突出。鉴于这种要求，人们希望实现高压快脉冲电路的精确化、小型 化和固体化。 随着半导体技术的发展，5 0 年代半导体开关如雪崩三极管开始进入n s 脉 冲技术领域。c h a k e r a 根据实验发现少数雪崩管电流建立时间很小约为l n s ，并 据此研制出i n s 宽度的脉冲发生器【1 4 1 ，但半导体开关的局限在于单管工作电压 较低，因此从6 0 7 0 年代开始有人就开展雪崩管m a r x 电路研究用以提高输 出脉冲幅度和加快前沿的研究。如b e l l ( 1 9 6 4 ) ，p r i n c e ( 1 9 6 5 ) ，h a n s e n ( 1 9 6 6 ) 等开 始研究雪崩管m a r x 电路咿】 1 6 1 1 ”1 ，到7 0 年代已经用雪崩管生成幅度几千伏、 前沿几个纳秒的高速脉冲，如d a v i s 等( 1 9 7 9 年) 用雪崩管做成幅度3 3 k v 前 沿4 n s 的脉冲源n 8 】，文献【1 9 1 中用雪崩管电路产生皮秒前沿的脉冲。此后很多科 学家继续对雪崩管m a r x 电路进行了探索研究。j e t h w a 等( 1 9 8 1 年) 用二极 管使脉冲电路晃动由：t ：2 n s 减小至士o 4 璐【2 0 l ，b e n z a l 等( 1 9 8 5 年) 用二极管锐化 前沿的办法使输出脉冲前沿由3 n s 减小到3 0 0 p s t 2 ”，o a k 等( 1 9 9 1 年) 设计提 高了脉冲输出幅度超过5 k v ，前沿约1 5 璐。由于此类固体开关具有重复率 高、寿命长、晃动极小等优点，在激光系统中脉冲驱动、x 射线扫描成像等领 域中正逐步取代电真空等器件瞄】脚l ，雪崩管脉冲源有了较大的发展。但是尽管 目前用m a r x 电路后，雪崩管脉冲源可以产生幅度几十千伏、前沿皮秒级、 脉宽几个纳秒的高速高压窄脉冲，但是由于器件本身的特点，其电流驱动能力 差，输出脉冲宽度较窄，这限制了它的应用，进入7 0 年代后，功率m o s f e t 出现与发展，逐步改变了这一现状，由于其单管功率远大于雪崩管。目前单管 电流( 数十安培) 、较高的漏源电压( 达千伏) 、小的导通内阻( 欧姆量级) 和 较快的导通时间( 数纳秒) 的高压金属氧化物半导体场效应管( m o s f e t ) ， 采用雪崩管驱动能大大减小开关时间到几个纳秒嘲，串联和并联可以提高输出 脉冲幅值和宽度瞄j ，采用特殊过驱动电路设计后能达到较快的开关速度 2 7 1 ，如 今也逐步用于高速高压脉冲源系统中。 在固体器件脉冲源技术研究方面，k e n t e c h , f i dt e c h n o l o g y 等公司用半导 体器件研制出幅度几k v 到几十k v 、前沿几个m 以下、脉冲宽度几个n s 的脉 冲源产品 2 a l 2 9 1 。在国外利弗莫尔用雪崩管研制了上升时间l o o p s 幅度8 k v 脉宽 数纳秒的脉冲发生器【3 0 l ；k e n t e c h 用雪崩管研制的窄脉冲源，其最高指标达： 输出脉冲幅度大于4 5 k v ，前沿1 5 0 p s ，脉宽3 n s ，晃动2 0 p s t 3 ”，用功率 m o s f e t 做成的驱动脉冲源1 3 “，用l 1x 1 2 只m o s f e t 堆成，其技术指标为输 出幅度2 5 k v 8 k v 可调，前沿小于5 n s ( 负载6 0 p f ) ，晃动小于l o o p s ，重复 频率最高1 0 0 k h z ；美国l l n l 用高压m o s f e t 为开关器件做出的多脉冲发生 模块，由于采用管芯焊接并封装方式，大大减小分布参数影响，其技术指标 为：幅度1 8 k v ；上升沿约1 0 n s ；脉宽1 6 n s 2 0 0 m 1 3 3 】，用高压m o s f e t 研制 出幅度约2 0 k v 、上升沿小于1 0 n s 、脉宽1 6 n s 2 0 0 n s 、工作频率大于1 6 m h z 的脉冲发生器州。国内高压快脉冲源的研究尚处于开发阶段，西安光机所曾用 固体雪崩管作过5 k v 的纳秒高压脉冲源，但脉冲宽度窄且电压不够高。天津大 学用m o s f e t 驱动电光晶体，运用参考文献彤1 中提到的方法产生幅度0 6 k v 3 k v ，前沿5 n s ，脉冲宽度1 2 0 n s 1 2 0 0 n s ，重复率1 h z l k h z 的脉冲嗍。 1 3 高压陡前沿脉冲发生器基本原理 本课题研究的脉冲电源，对其输出的脉冲电压波形提出了三个很高的指 标，即：输出脉冲电压幅值要高( + 5 k v ) ；输出脉冲前沿要陡( 2 0 0 n s ) ；脉冲 4 重复频率要高( 1 k i - i z l o k h z ) 。同时达到三个方面的指标不是轻而易举的， 电源高压部分电路的每个元器件的性能指标都必须耐受高频高幅值电压的冲 击。所以对电路中的每一个元器件都有很苛刻的要求，如必须选购或者订购符 合电路特殊要求的电容器、高压开关、二极管等。需要用到的脉冲变压器也得 根据本设计要求自行绕制。 为了得到高压、重复频率可调和纳秒级快上升沿的高压方波脉冲，本设计 将电力电子技术和脉冲功率技术相结合，提出一种设计高压、频率可调和陡前 沿脉冲发生器的简单而且性能优良新方法。从总体上讲，该电源分为主电路和 控制电路两部分组成。主电路主要包括调压整流电路、低压逆变电路、脉冲升 压整流和高压逆变电路。控制电路包括低压隔离驱动电路和高压隔离驱动电 路。高压陡前沿脉冲发生器的工作原理是：2 2 0 v 工频交流电输入到调压电 路，调压后的交流电源经整流电路整流成直流后又送入到半桥式低压逆变电路 中，通过控制功率开关管的导通和关断，将输出的脉冲电压送到脉冲升压变压 器。脉冲升压变压器副边得到的高压脉冲整流成直流高压再送入到高压半桥逆 变电路，经过功率开关管的交替逆变作用转变成为所需的中频陡前沿脉冲高 压。 1 4 需要完成的主要工作 1 根据输出脉冲的特点和要求，对高压陡前沿脉冲发生器系统总体技术方 案进行研究和设计，给出实验主电路和控制电路的结构。 2 所用元器件的选型与参数设计。 3 变压器的设计与制作。 4 运用仿真软件对电路进行仿真研究，给出详细的仿真结果波形。 5 对硬件系统进行试验调制，进一步改进和完善。 第2 章系统整体结构与可调直流高压发生器 2 1 系统整体设计原则及结构 在整个电路的设计中，需要遵循几个大的原则：实用、可靠、安全、经 济。 1 所选器件在功率、频率、电压、电流等指标上应该能满足实际运行的需 要，并且在实用的基础上尽量能做到更加经济。 2 使整个系统在更加安全可靠的模式下运行，尤其对于那些总是处在比较 恶劣的工作条件下的器件。如逆变器件，应尽可能让其在小电流下关断，在小 电压下开通；还有逆变器件与脉冲变压器，应尽可能地减少发热，使其在正常 情况下工作。 3 使系统在更高效的模式下运行，尽量减少电路中的各种损耗( 主要有逆变 器的工作损耗和脉冲变压器的工作损耗) 。 本论文所设计的高压陡前沿脉冲发生器整体结构框图如图2 1 所示。 图2 1 系统整体结构框图 f 皓2 1t h e s t r u c t u r eo f t h es y s t e m 由图可知，整体系统电路主要包括三大部分： 第一部分：直流高压发生电路。这部分主要由调压整流、低压逆变和脉冲 升压三部分电路组成。其主要功能是为整个系统提供可调的高压源 第二部分：高压逆变主电路。电源主电路的重点环节，其结构及器件选择 对整个高压脉冲电源的技术指标和性能有直接影响。 6 第三部分：高压逆变控制电路。这部分主要由p w m 控制电路和脉冲变压 器隔离驱动组成。 下面章节本文将先从调压整流电路的研究入手，首先对直流高压发生电路 的设计进行详细介绍。 2 2 调压整流电路设计 2 2 1 调压整流电路的结构 调压整流电路的结构框图如图2 - 2 所示。 图2 - 2 调压整流电路结构图 f i g 2 - 2t h es u l l g u l r eo f t h ev o l t a g er e g u l a t i o na n dr e c t i f i c a t i o nc i r c u i t 调压整流电路由移相控制、晶闸管隔离触发、过零检测以及整流等环节组 成。调压整流电路是通过对晶闸管触发信号的相位角的移相控制达到改变输入 交流电压大小的目的，再通过对交流电压整流，就得到了可调的直流电压。 2 2 2 各部分实验电路的设计 2 2 2 1 移相控制电路 移相控制的原理是根据用户移相控制电压的大小来控制两只反向并联晶闸 管门阴极触发脉冲的相位，并使晶闸管可靠触发导通，来改变晶闸管的导通 角，从而使晶闸管类电力电子设备的输出电压跟随用户给定而变化。 触发技术是晶闸管类电力电子变流装置的核心控制技术，其可靠性是晶闸 管类电力电子变流装置能够正常有效工作的关键。一般来说，对于晶闸管类电 哈尔滨理1 = 大学t 学硕士学位论文 力电子变流装置的触发电路有如下要求： 触发脉冲与晶闸管主电路电源必须同步，两者频率应该相同，而且要有固 定的相位关系，当移相控制电压一定时，使被控晶闸管每一周期都能在同样的 相位上触发；而且触发脉冲的相位还应能在规定范围内移动。此外，触发脉冲 应有足够的功率，触发脉冲的电压和电流应大于晶闸管要求的数值，并留有一 定的裕量。最后，触发脉冲要有足够的宽度和幅度来保证晶闸管的可靠触发导 通。 晶闸管的触发器可以说种类繁多，分类方法也有很多种。下面介绍几种常 见的分类方法： ( 1 ) 按同步电压的不同来分类：可把晶闸管的触发器分为正弦波同步、锯 齿波同步、阻容移相桥、单结晶体管等好几种。 ( 2 ) 按模拟与数字工作方式来分，可把晶闸管的触发器分为模拟式与数字 式两大类。 ( 3 ) 按所应用系统交流的相数来分类可把晶闸管的触发器分为单相与多相 两种。 尽管晶闸管触发器的种类很多，各自内部电路及所用元器件不尽相同，但 从总的功能上都可以把晶闸管的触发器分为五大部分，即同步环节、移相环 节、脉冲形成环节、脉冲功放环节、脉冲隔离与整形环节1 3 ”。 目前国内外己研制生产出多种用于晶闸管电路的集成触发器。本设计中晶 闸管控制电路以t c a 7 8 5 相位控制集成芯片为核心构成。t c a 7 8 5 集成触发器 是由德国西门子( s i e m e n s ) 公司研制生产的。它内部集成有同步检波、移相 脉冲、过流过压保护等电路，是一种锯齿波移相触发器。与其他集成触发器相 比，由它构成的晶闸管触发电路具有功耗小、功能强、输入阻抗高、抗干扰性 能好、移相范围宽、外部器件少、单电源工作、调整方便等优点，适用于各种 晶闸管整流电路和晶闸管交流调压电路。下面对t c a 7 8 5 集成触发器的结构、 功能及应用作一些介绍。 t c a 7 8 5 能够输出两路相位差1 8 0 。的触发脉冲，并且触发脉冲可在o 1 8 0 。之间任意移动。可用来触发晶闸管、双向晶闸管和晶体管，在各种变流 设备中有极其广泛的应用。采用标准的双列直插式1 6 引脚( d i p 1 6 ) 封装，它 的引脚排列见图2 3 。 主要引脚的名称、功能及用法如下： 引脚1 6 ( v s ) ：电源端。电源电压蚝：+ 8 1 8 v 或4 9 v 引脚l ( o s ) ：接地端。应用中与直流电源蚝同步电压蚝y n c 及移相控制 8 信号n l 的地端相连接。 引脚1 4 ( q i ) 和引脚1 5 ( q 叻：输出脉冲1 和2 端。该两端也可输出宽度 变化的脉冲，相位同样互差1 8 0 。，脉冲宽度受脉宽控制端( 引脚1 2 ) 的控制。 两路脉冲输出高电平的最高幅值为u s 。 引脚1 2 ( c 1 2 ) ：输出q l 、q 2 的脉宽控制端。应用中通过电容接地，电容 c 1 2 的电容量范围为1 5 0 p f 4 7 0 0 p f ，当c 1 2 在1 5 0 p f 1 0 0 0 p f 范围内变化时， q l 、q 2 输出脉冲的宽度亦在变化，该两端输出窄脉冲的最窄宽度为l o o p s ，而 输出宽脉冲的最宽宽度为2 0 0 0 v s 。 引脚1 1 ( n 1 ) ：输出脉冲q 1 、q 2 及q l 、q 2 移相控制直流电压输入端。应 用中，通过输入电阻接用户控制电路输出，当t c a 7 8 5 工作于5 0 h z 且自身工 作电源电压蚝为1 5 v 时，则该电阻的典型值为1 5 k q ，移相控制电压以i 的有 效范围为( o 2 v s - 2 ) v ，当其在此范围内连续变化时，输出脉冲q 1 、q 及 q l 、q 2 的相位便在整个移相范围内变化，为降低干扰，应用中引脚1 1 通过 o 1 心的电容接地，通过2 2 心的电容接正电源。 引脚1 0 ( c l o ) 外接锯齿波电容连接端。c 1 0 的实用范围为5 0 0 p f 1 庐该电 容的最小充电电流为1 0 肚a ，最大充电电流为l m a ，它的大小受连接于引脚9 的电阻岛控制，c l l 两端锯齿波的最高峰值为v s - 2 v , 其典型后沿下降时间为 8 0 p s 。 引脚9 ( r o ；锯齿波电阻连接端。该端的电阻硒决定着c l o 的充电电流， 电阻胄9 的应用范围为3l q 3 0 01 6 ) 。 引脚8 ( 矾唧) ：t c a 7 8 5 自身输出的高稳定基准电压端。如用户电路中不需 要应用u w v ，则该端可以开路。 引脚6 ( d ：脉冲信号禁止端。当该端通过电阻接地或该端电压低于2 5 v 时，则封锁功能起作用，输出脉冲被封锁；而该端通过电阻接正电源或该端电 压高于4 v 时，则封锁功能不起作用。 引脚5 ( v s w c ) ：同步电压输入端。 9 图2 - 3t c a 7 8 5 的引脚排列图 f i g 2 - 3p i np a r e t od i a g r a mo f t e a 7 8 5 2 2 2 2 隔离触发电路 t c a 7 8 5 对晶闸管的隔离驱动是用光耦芯片m o c 3 0 2 0 来完成。m o c 3 0 2 0 为专门设计用于功率双向晶闸管或反并联单向晶闸管的触发器，是一种集成的 带有光耦合的双向可控硅驱动电路。它内部集成了发光二极管、双向可控硅和 过零触发电路等器件。其特点是输入和输出完全隔离，可避免负载对控制电路 的干扰，使强、弱电系统得以隔离，相互无干扰，由于该电路为过零关断，可 不考虑同步问题，简化了电路设计。m o c 3 0 2 0 内部结构和外部引脚如下图： 图2 - 4m o c 3 0 2 0 内部结构和外部引脚图 f 谵2 - 4i n s i d es t r t t e t u r ea n dp i nd i a g r a mo f m o c 3 0 2 0 使用m o c 3 0 2 0 的过程是：当3 、5 脚输出为低电平时，m o c 3 0 2 0 内部导 通，4 脚发出同步触发脉冲，控制可控硅导通；当3 、5 脚为高电平时， m o c 3 0 2 0 内部截止，可控硅断开。 1 0 啦m l 嘞m 舢 哈尔滨理工大学工学硕十学位论文 2 2 2 3 过零检测电路 为了实现高压发生器幅值由零电压起进行连续调节，本文设计了过零检测 电路，该功能是通过l m 3 1 l 过零电压比较器来实现的。 l m 3 l l 是一种新型的电压比较器。它与其他的电压比较器不同之处在于： 其一，该器件的输入误差电流很小，故可应用于高阻杭电路中；其二，应用灵 活，它不但能驱动d t l 、r r l 逻辑电路，而且还能与m o s 逻辑开关和f e t 模 拟开关接口；其三，它能由单5 v 电源供电去驱动d t l 或t r l 电路，这使电 路电源得以简化。下图为l m 3 1 1 的引脚排列图： g 辩d 雠p u t h p l j t v - v o u l p 酊 b 舢鼻订髯 8 l 愀e 图2 - 5l m 3 1 1 引脚排列图 f i g 2 5p i np a r e t od i a g r a mo f l m 3 ii 2 2 3 调压整流电路工作过程 本文设计的低压调压电路的整体电路如图2 - 6 所示。其p c b 实物如图2 - 7 所示。 从图2 - 6 中可以看到，电位器调节给定电压信号，输出的电压信号同时进 入l m 3 1 1 和t c a 7 8 5 。进入l m 3 1 1 的信号与参考电压比较后，若输出为高点 平，则使三极管饱和导通，此时由n e c 继电器和光耦m o c 3 0 2 0 组成的驱动 电路输出驱动信号触发晶闸管b t a 2 0 进入导通状态，反之，当l m 3 1 1 输出为 低电平，则三极管为关断，晶闸管进入关断状态。而控制电压经电位器调节进 入t c a 7 8 5 的1 l 脚后，与芯片内产生的同步锯齿波进行比较，使得t c 7 8 5 的 1 4 ，1 5 脚输出触发角a 在o 1 8 0 。内变化的脉冲，驱动光耦m o c 3 0 2 0 工 作，使晶闸管b a t 2 0 在相应的相位角导通，交流电压也就能在0 2 2 0 v 之间 调节。使用中应当注意t c a 7 8 5 的工作为负逻辑，即控制电压u l l 增加，输出 脉冲的a 角增大，相当于晶闸管的导通角减小。同步信号由t c a 7 8 5 的5 脚输 入用于同步控制，检测交流电压过零点。t c a 7 8 5 的6 脚通过电阻与电源端1 6 脚连接，使t c a 7 8 5 处于解除封锁状态。脉冲宽度由1 2 脚上所接电容的大小 哈尔滨理工大学工学硕十学位论文 决定。调节9 脚上的电位器可以改变锯齿波的斜率。 图2 - 6 调压整流电路原理图 f i g 2 - 6p r i n c i p l ed i a g r a m o f v o l t a g er e g u l a t i o na n dr e c t i f i c a t i o nc i r c u i t 哈尔滨理工大学工学硕士学位论文 图2 - 7 调压整流电路p c b 图 f i g 2 - 7p c bd i a g r a m o f v o l t a g er e g u l a t i o na n d r e c t i f i c a t i o nc i r c u i t 为了防止过电压对晶闸管的损坏，本文在每个晶闸管两端各并联了一个压 敏电阻，为过电压设置一个泄放回路，既保护主电路又不影响正常上作。 在本电路中用于整流的二极管可采用4 个1 n 4 0 0 7 组成整流桥，1 n 4 0 0 7 最 高反向电压为1 0 0 0 v ，封装形式为d o - 4 1 。 2 3 低压逆变电路的设计 2 3 1 逆变主回路的选择 逆变电路是由逆变开关器件等组成的变换电路，分为非隔离式和隔离式两 大类。如变频器、能量回馈等都是非隔离的；逆变焊接电源、通信基础开关电 源、u p s 、加热电源等都是隔离式逆变电路。隔离式逆变主电路还包括逆变变 压器。单相逆变电路主要包括半桥式、全桥式、推挽式三种，下面分别对这三 种主电路结构进行阐述网。 ( 1 ) 半桥逆变电路 半桥逆变电路原理图如图2 8 所示，它的两个桥臂各有一个开关管，在直 流侧接有两个相互串联的足够大的电容，两个电容的联结点便成为直流电源的 中点。输出端为直流电源中点和两个桥臂联结点之间。 当两只开关管n 和玢都截止时，若两只电容相等，即c i = c 2 ，则在两电 容中点的电压为输入电压的一半，即k 1 = = u 9 2 。当v l 导通时，电容c l 将 通过h 和变压器原边放电，同时电源电压u d 通过巧和变压器原边为电容c 2 充电，中点电位上升；当n 导通结束时，两只开关管n 和圪又都截止，它们 的端电压又都回到输入电压的一半，即砜2 。当圪导通时，k 截止，电容c l 被充电，c 2 放电，中点电位下降；导通结束，两只开关管h 和巧又都截止。 半桥电路中，开关管开通瞬间存在的电流尖峰，是由于副边整流二极管的 反向恢复造成的。而当开关管刚刚由导通变为截止时，开关管两端除了承受电 压砜，2 外，还有较高的电压尖峰，这也是由于变压器原边漏感和引线电感上 贮存的能量释放引起的，由于二极管的箱位作用，开关管最高端压为砜。 图2 8 半桥逆变电路原理图 f i g 2 8t h ep r i n c i p l ed i a g r a mo f s e m i b r i d g ei n v e r t e r 其优点是：简单，使用器件少，成本就少。抗不平衡能力强，工作可靠性 高。缺点是：乱中频变压器上施加的电压幅值只有输入电压的一半，欲得到和 全桥式相同的功率，功率开关管必须流过两倍的电流。b 电流脉冲的顶部倾斜 较大。 ( 2 ) 全桥逆变电路 如下图2 - 9 所示，全桥逆变电路和半桥电路的区别就是用另外两只同样的 开关管代替电容。全桥逆变电路的工作需要两组相位相反的驱动脉冲分别控制 两对开关管，具体说就是n 和玢时通断，圪和巧同时通断。当n 和巧同时 导通时，圪和乃截止，变压器的原边电压为左正右负的u d ；反之，当耽和 巧同时导通时，巧和k 截止，变压器原边电压为右正左负的矾。在4 只开关 管都截止的死区时间内，开关管端电压和电压尖峰和半桥电路类似。开关管刚 导通时的电流尖峰也同半桥电路类似。 1 4 哈尔滨理1 = 大学t 学硕士学位论文 全桥式电路的优点是功率开关管稳态时其上最高施加电压即为输入电压， 暂态过程中的尖峰电压亦被箱位于砜，这就为开关管的选择带来了方便。缺 点是元器件较多，电路复杂。 图2 - 9 全桥逆变电路原理图 f i g 2 9t h ep r i n c i p l ed i a g r a mo f f u l l - b r i d g ei n v e r t e r ( 3 ) 推挽式逆变电路 推挽式逆变电路原理图如图2 1 0 所示。推挽电路的工作是有两路相位相 反的脉冲分别加到开关管巧和圪的基极，控制它们交替通断，输入直流电压 被换成交流电压经变压器输出。当n 导通时，圪截止，输入电压砜加在变压 器r 原边绕组l 上，由于变压器两绕组匝数相同，所以承受两倍电源电 压，即现，反之相同。在开关管都截止的死区时间内，两只开关管端电压都 为砜。 该电路的优点：乱中频变压器上直接施加输入电源电压，因而，只用两个 功率开关管便能获得较大的功率输出。b 一对功率开关管直接相连，两组基极 ( 门极) 驱动电路彼此无需绝缘。该电路的缺点是：a 在功率管截止时，将承受 两倍的电源电压，再加上暂态过程中的尖峰电压，给功率开关管的选择带来困 难。b 一次绕组只有一半时间工作，中频变压器的利用率差。因此在目前的逆 变电源中已很少采用。 d t 上 d 2 图2 1 0 推挽逆变电路原理图 f i g 2 1 0p r i n c i p l ed i a g r a mo f p u s h - p u l li n v e r t e r 综合以上各电路特点，结合此次设计的要求，决定选用半桥式逆变电路作 为主电路中高压和低压部分的主要形式。半桥式逆变是目前应用较多的逆变形 式，它所适用的功率范围满足设计要求，电路结构较为简单，功率开关组件较 少。至于存在的上下开关直通问题，通常可以选择合适的p w m 控制芯片和通 过设置死区时间来解决。在功率器件的隔离驱动问题上，由于电力电子技术的 完善和成熟，隔离驱动己经成为大功率器件必不可少的控制方式，因此不构成 不利因素。 2 3 2 功率开关元件的选择 常用的功率开关元件主要是功率晶体管、功率m o s f e t 、功率i g b t 。由 于功率晶体管在开关过程中损耗高，而功率m o s f e t 、功率i g b t 随着制造工 艺的不断改进，性能越来越好，因此，在应用领域功率m o s f e t 、功率i g b t 占据着主流地位。本论文低压逆变主电路选用功率m o s f e t 为主开关器件， 功率场效应晶体管( p o w e rm o s f e t - - p o w e rm e t a lo x i d es e m i e o n d u c t o rf i e l d e f f e c tt r a n s i s t o r ) ，简称功率m o s f e t 。它是一种单极型的电压控制器件，具 有开关速度快，高频性能好，输入阻抗高，驱动功率小，热稳定性优良，无二 次击穿问题，安全工作区宽和跨导线性度高等显著特点，在线性放大技术领域 1 6 矿j i 及各类中小功率开关电路中得到极为广泛的应用。尽管就m o s f e t 而言，目