高压脉冲电源设计

摘 要： 为了获取高重复频率、陡前沿高压脉冲电源将LCC串并联谐振变换器用作高压脉冲发生器的充电电源。分析了LCC串并联谐振变换器在电流断续模式下的工作模态,给出了逆变器的参数设计原则。用PSIM对高压脉冲电源进行仿真分析和实验分析，并验证了设计思想的正确性。

采用MARX发生器获取陡前沿高压窄脉冲的电路较复杂，而且陡化前沿有许多设计和工艺上的困难；采用电感断路的方式容易获取高压脉冲输出，但对电感的充电必须迅速，而且储能时间不能过长，电源需具备较高的内阻和较大的功率，而断路开关是其发展的瓶颈。与电感储能装置相比，电容器的稳定且可重复的快速闭合开关要普及得多，电容器的能量保持时间远远大于电感储能装置，并且可以小电流充电降低对充电功率的要求。充电电源的高效率和小型化主要由充电电路决定，传统高压功率脉冲电源一般采用工频变压器升压，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控制、脉冲波形不稳定、可靠性低、成本高。
本文将LCC串并联谐振变换器作为高压脉冲电源的充电电源。LCC串并联谐振变换器结合了串联谐振变换器抗短路特性和并联谐振变换器抗开路特性的优点[1]，在输出电压、输出电流强烈变换的场合有着良好的特性和较高的变换效率。本文介绍了系统结构及LCC充电电路原理，以及采用通过仿真软件PSIM对LCC充电过程和发生器放电输出进行的仿真分析。
1 LCC谐振变换充电高压脉冲电源系统结构
1.1 电源主电路结构和工作原理
电路由工频整流滤波、功率因数校正电路PFC(Power Factory Correction)、LCC谐振变换器、高频整流、电容充电储能、电感缓冲隔离、IGBT全桥逆变及脉冲升压变压器等单元构成。电路工作过程：220 V交流通过整流滤波和PFC校正得到输出连续可调的直流，通过LCC串并联谐振逆变经高频升压后向储能电容C充电，经过IGBT全桥逆变拓扑结构实现双极性脉冲输出。系统结构如图1所示。

图中，LCC串并联谐振变换器由4个功率开关管与谐振电感Lr、串联谐振电容Cs、并联谐振电容Cp组成，工作原理是：利用电感、电容等谐振元件的作用，使功率开关管的电流或电压波形变为正弦波、准正弦波或局部正弦波，这样能使功率开关管在零电压或零电流条件下导通或关断，减少开关管开通和关断时的损耗，同时提高开关频率、减小开关噪声、降低EMI干扰和开关应力。

(4)开关模态4[t3，t4]
在此开关模态中，所有开关管和二极管均关断，i_Lr为零，v_Cp保持不变。在t4时刻，开关管Q2、Q4零电流开通，开始另一半开关周期，重复工作过程开始。电路工作波形如图3所示，设在t0时刻，谐振电感的初始电流为

1.3 高压脉冲形成电路

高压脉冲的形成是通过对前级产生的高电压（电流）进行开关控制从而输出脉冲，设计中在开关速度满足要求的情况下，采用IGBT串联形式，利用全桥逆变拓扑结构实现双极性脉冲输出[4]。如图1所示,当开关Q5、Q7闭合，Q6、Q8断开时，输出电压为正；当开关Q6、Q8闭合，Q5、Q7断开时，输出电压为负，得到双极性的脉冲输出。改变两组开关的切换频率，即可改变输出交流电的频率，控制开关管的导通与关断时间即可调节输出脉冲的占空比，得到脉宽与频率均可调的双极性高压脉冲波。
　整个系统的控制由控制器和驱动电路来实现，主要完成LCC谐振电路的输出电压调节、控制和全桥驱动及后级脉冲形成电路的变频变宽输出脉冲控制和IGBT同步触发等。采用的TMS320F2812开发板，内部集成了16路12位A/D转换器、2个事件管理器模块、1个高性能CPLD器件XC95144XL，可实现过压、过流保护在内的电源系统运行全数字控制，提高了输出电压的精度和稳定度。采用软件编程实现控制算法，使得系统升级、修改更为灵活方便。
2 电路参数的选取与仿真分析
　令K=Cp/Cs，图4为不同k值下的充电电压、充电电流和谐振电流波形。对k分别取1、1/2、1/4、0,从图4(a)、(b)可知，k取值越小充电电压越高；而充电电流在误差允许的情况下可认为是恒定的，即恒流充电。 由图4(c)可看出,随k值的减小，iLr为零的模态时间增长，iLr为零时并不传输能量，导致输出功率减少。因此，根据上述分析，在满足谐振软开关的前提下，应选择合适的k值使LCC谐振变换器工作在最佳状态,以减少谐振停滞时间，提高电源工作效率。

本文设计了一种基于LCC串并联谐振逆变充电高压脉冲电源，分析了LCC电路在DCM模式下的工作模态，并进行了公式推导，说明了k取值的重要性。仿真结果验证了LCC串并联谐振充电技术可实现恒流充电，提高电源工作效率；该设计容易实现开关管的软开关，能够把变压器的漏感和分布电容纳入谐振参数中，从而消除这些参数对逆变器的影响，且利用串并联谐振逆变充电作为对中间储能电容充电的结构，有利于实现装置的小型化和快速充电。