全固態(tài)開關(guān)型高壓脈沖放電電源的設(shè)計

全固態(tài)開關(guān)型高壓脈沖放電電源的設(shè)計

0電容儲能脈沖功率發(fā)生裝置低溫離子技術(shù)是21世紀(jì)環(huán)境科學(xué)的四大技術(shù)之一。它在凈化、污染處理、殺菌消毒、靜電消毒、材料表面改造和氧氣生成等領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景。放電等離子體法處理煙氣和汽車尾氣有經(jīng)濟(jì)高效、同時處理多種污染物、無二次污染等優(yōu)點(diǎn),成為研究熱點(diǎn)。電容儲能脈沖功率發(fā)生裝置常采用單電容充電、MARX發(fā)生器、脈沖形成線、脈沖傳輸線等利用開關(guān)閉合放電的結(jié)構(gòu),體積較大。電感儲能密度比電容高1～2個數(shù)量級,故相應(yīng)脈沖功率發(fā)生裝置可以小型和輕量化,在汽車、艦船、飛機(jī)、武器等運(yùn)動裝置的應(yīng)用場合具有潛在的優(yōu)勢。為發(fā)展汽車尾氣放電等離子體處理技術(shù),本文設(shè)計了一種基于電感儲能、結(jié)合固態(tài)開關(guān)和脈沖變壓器作為脈沖成形回路的脈沖功率發(fā)生裝置,并分析和仿真研究了電源電路動態(tài)工作過程,給出主電路設(shè)計和元件參數(shù)選取方法,進(jìn)行變負(fù)載輸出特性仿真分析,給出電路與負(fù)載匹配參數(shù)的選取依據(jù)。1初始狀態(tài)監(jiān)控系統(tǒng)主電路簡化后如圖1所示,充電電源US采用車載蓄電池,比如12V36Ah的鉛酸蓄電池。固態(tài)開關(guān)S1動作,將前級電感L1儲能轉(zhuǎn)換為電容C1上的儲能,多次開關(guān)S1,可泵升C1上的電壓;后級電感為脈沖變壓器,通過C1的能量傳輸,在儲能(初級電感L2電流)最大時刻固態(tài)開關(guān)S2受控斷路將能量以次級高壓脈沖的形式向負(fù)載釋放,斷路開關(guān)的動作再次實(shí)現(xiàn)了能量在時間上的壓縮。電路過程:初始狀態(tài)S1和S2斷路,電路處于直流穩(wěn)態(tài),UC1=US;先導(dǎo)通S1,電源US為L1充電到穩(wěn)態(tài)值;然后關(guān)斷S1,L1的能量經(jīng)D1轉(zhuǎn)移至C1,當(dāng)C1電壓達(dá)到極大值時,L1的能量除電阻消耗外全部轉(zhuǎn)移至C1,C1儲能達(dá)到最大值;導(dǎo)通S2,電流通路為C1-L2-S2-C1,實(shí)現(xiàn)C1電場能和L2磁場能的轉(zhuǎn)移;當(dāng)L2電流達(dá)到最大值時,斷開S2,升壓脈沖變壓器初級電流通路被切斷,據(jù)磁動勢的平衡關(guān)系和能量守恒法則,初級線圈儲能絕大部分經(jīng)變壓器次級釋放,從而在反應(yīng)器負(fù)載上得到陡前沿高壓脈沖。2脈沖變壓器激發(fā)能力的計算初始條件,S1、S2斷路,直流穩(wěn)態(tài)下UC1=US。模態(tài)一,S1導(dǎo)通,US向L1充電,等效為下式描述的一階電路:{L1diL1/dt+R1iL1=US；iL1(0+)=iL1(0-)=US/R1。解之得L1上的電流iL1(t)=US(1-e-t/τ)/R1,0<t≤t1。(1)式中,τ=L1/R1,取t1=(3～4)τ,近似為L1儲能達(dá)到穩(wěn)態(tài)值的時刻。模態(tài)二,t=t1時S1關(guān)斷,L1經(jīng)快恢復(fù)二極管D1向電容C1放電,電路等效為RLC串聯(lián)二階電路,參數(shù)的選擇使它工作在欠阻尼狀態(tài)?？紤]到D1單向?qū)ǖ淖饔?當(dāng)L1的儲能都轉(zhuǎn)移到C1以后,C1上的能量會維持該值?；芈返奈⒎址匠碳俺跏紬l件為{L1C1d2uC1/dt2+R1C1duC1/dt+uC1=US;iL1=C1duC1/dt;uC1(t1+)=uC1(t1-)=US;iL1(t1+)=iL1(t1-)=C1duC1/dt|t=t1+=US/R1。解之得L1中電流iL1(t)、C1上電壓UC1(t)及其達(dá)到最大值的時刻t2為{iL1(t)=-(ω01/ω1)iL1(t1)e-δ1(t-t1)sin(ω1t-β1),t1<t≤t2;uC1(t)=US+(iL1(t1)/ω1C1)e-δ1(t-t1)sin(ω1(t-t1)),t1<t≤t2;t2=t1+arctan(ω1/δ1)/ω1。(2)(3)(4)式中,ω01=1/√L1C1,δ1=R1/2L1?ω1=√ω201-δ21?β1=arctan(ω1/δ1)。模態(tài)三,t=t2,C1上的儲能達(dá)到最大值,S2開通,C1給L2充電,電路進(jìn)入另一個過渡過程,回路的微分方程及初始條件為{L2C1d2uC1/dt2+R2C1duC1/dt+uC1=0;iL2=C1duC1/dt;uC1(t2+)=uC1(t2-)=uC1(t2);iL2(t2+)=iL2(t2-)=C1duC1/dt|t=t2+=0。解得此期間C1上電壓uC1(t)、L2上電流iL2(t)及其達(dá)到最大值的時刻t3為{uC1(t)=ω02ω2uC1(t2)e-δ2(t-t2)sin(ω2(t-t2)+β2),t2<t≤t3;iL2(t)=ω202C1ω2uC1(t2)e-δ2(t-t2)sin(ω2(t-t2)),t2<t≤t3;t3=t2+arctan(ω2/δ2)/ω2。(5)(6)(7)式中,ω02=1/√L2C1;ω2=√ω202-δ22;δ2=R2/2L2;β2=arctan(ω2/δ2)。模態(tài)四,t=t3,L2上的儲能達(dá)到最大值,S2斷路,儲能由脈沖變壓器次級向負(fù)載釋放。若負(fù)載為純阻性RL,據(jù)固態(tài)斷路開關(guān)的關(guān)斷特性曲線和脈沖變壓器耦合電路模型,得到負(fù)載RL上的電壓、電流{uRL(t)=ΜiL2(t3)RLΔt(R3+RL)(1-e-(R3+RL)t/(L3-Μ)),t3<t<t4;iRL(t)=ΜiL2(t3)Δt(R3+RL)(1-e-(R3+RL)t/(L3-Μ)),t3<t<t4。(8)(9)式中,M為互感;Δt為固態(tài)開關(guān)S2的關(guān)斷時間;t4是放電結(jié)束時刻。在選定電路參數(shù)情況下,電源應(yīng)工作在最高能量傳輸效率、最高連續(xù)工作頻率的控制時序下,顯然在電路各儲能元件能量首次達(dá)到峰值時進(jìn)行切換傳輸效率最高最省時。實(shí)際電路通過對C1電壓和L2電流進(jìn)行檢測,在它們依次達(dá)到峰值時輸出控制信號驅(qū)動開關(guān)管導(dǎo)通/關(guān)斷,實(shí)現(xiàn)所要求的時序控制。基于建立的解析模型,利用Matlab進(jìn)行仿真。仿真中取一組設(shè)計參數(shù)值為US=12V,R1=1Ω,L1=10mH,C1=1mF,R2=0.5Ω,L2=1mH,L3=100mH,RL=1kΩ。圖2為一個周期內(nèi)電路工作的波形,顯然這是理想工作狀態(tài)下的波形,主要是因?yàn)楹雎粤碎_關(guān)管通斷時間特性的影響。波形表明,從t1時刻S1斷路形成電容C1上的脈沖電壓,到t2時刻S2導(dǎo)通形成L2中的脈沖電流,再到t3時刻S2斷路,在脈沖變壓器次級負(fù)載上得到了最終被時間壓縮的高功率高壓脈沖。該組電路參數(shù)的選取,使t3時刻電容C1上的電壓高于電源電壓US的值,這說明后續(xù)周期的工作將以此為初始狀態(tài)值。3s1關(guān)斷方案通用電路仿真軟件PSpice配有不斷更新的器件模型庫,使仿真波形更接近實(shí)際,對電路分析和設(shè)計更有參考價值。取一組電路參數(shù):R1=0.4Ω,L1=100μH,C1=2μF,R2=0.1Ω,L2=5μH,脈沖變壓器匝數(shù)比1:30,S2采用400A、1700V的IGBT功率模塊CM400HA-34H,反應(yīng)器等效負(fù)載阻抗為靜態(tài)電容30pF和1MΩ電阻的并聯(lián)。令t=0時S1開通,t1=3.2L1/R1=800μs時L1儲能近似達(dá)到最大,S1關(guān)斷;將電路參數(shù)代入式(4)和(7)可確定在t2=821.8μs時(uC1達(dá)最大)S2開通,在t3=826.69μs時(iL2達(dá)最大)關(guān)斷。圖3給出了一個周期的主要工作波形,(a)表明開通S1后電感L1充電儲能,關(guān)斷S1后儲能釋放,uC1達(dá)到最大時S2開通,在C1上產(chǎn)生脈沖。(b)表明S2開通L2電流上升,達(dá)到最大值時S2關(guān)斷,實(shí)現(xiàn)了對電壓脈沖uC1的壓縮,得到更窄的脈沖iL2。(c)表明S2關(guān)斷后在升壓脈沖變壓器次級阻容負(fù)載側(cè)產(chǎn)生了高達(dá)30kV的脈沖電壓,由時序可知脈沖重復(fù)頻率將大于1kHz。固態(tài)開關(guān)S1關(guān)斷時,由于二極管D1的鉗位,S1上承受的最大電壓為電容C1電壓最大值:uS1max=uC1(t2)=US+(iL1(t1)/ω1C1)e-δ1(t2-t1)·sin(ω1(t2-t1))。(10)據(jù)電路參數(shù)可算得uS1max≈206V。iL2最大時S2關(guān)斷,S2上主要承受L2的反電勢(uC1與之相比可忽略)。已知CM400HA-34H的關(guān)斷時間Δt=600ns,設(shè)其關(guān)斷電流隨時間線性變化,可得S2承受的最大關(guān)斷電壓、電流為{uS2max=L2diL2/dt=L2iL2(max)/Δt;iL2max=iL2(t3)=(ω202C1/ω2)uC1(t2)e-δ2(t3-t2)?sin(ω2(t3-t2))。(11)據(jù)電路參數(shù)可算得uS2max≈1033V,iL2max≈124A。uS2max將使S2面臨擊穿的威脅,故相關(guān)參數(shù)的選取要有一定的裕量。4電容對電壓脈沖幅值的影響電源在不同性質(zhì)負(fù)載下的輸出脈沖峰值UP、IP特性,以及上升時間tr、tUr、tIr和50%脈寬tw、tUw、tIw特性示于圖4。圖4(a)～(b)表明阻性負(fù)載時各特性的變化是單調(diào)的,當(dāng)RL<100kΩ變化較劇烈,RL>100kΩ時變化較小或基本不變。圖4(c)～(d)表明感性負(fù)載的特性與負(fù)載中阻、感分量的比例有關(guān),從脈沖幅值特性可見,電阻分量不變時,電壓幅值基本上隨電感增加而增大,而電流幅值隨電感增加而先增后減,且在某些阻感比例下有最大值。脈沖的時間特性表明,減小電感能顯著縮短電壓脈沖前沿上升時間,電流脈沖則相反。由圖4(e)～(f),假定容性負(fù)載的等效并聯(lián)電阻為10MΩ不變,則電容值減小,電壓脈沖幅值增大,電流脈沖幅值在某個電容值下取得最大,這顯然與阻容參數(shù)的諧振有關(guān);電壓電流脈寬和上升時間都隨著電容值的減小而減小。在容性反應(yīng)器負(fù)載狀況下(見圖5),電容值不變(如10pF)則電阻減小阻尼減小,電壓脈沖前沿變陡;電阻值不變(如1MΩ)電容減小電壓脈沖幅值、頻率都提高,前沿變陡、脈寬減小。10pF、1MΩ負(fù)載時可獲得前沿200ns、脈寬1μs、幅值30kV的電壓脈沖。采用針—針、線—線電極反應(yīng)器容易獲得小的等效電容值,有利于產(chǎn)生陡前沿高幅值的窄脈沖。5電源及組織單元的設(shè)計a)所設(shè)計電源采用兩級脈沖壓縮和脈沖變壓器升壓實(shí)現(xiàn)了直流低壓車載電源供電下功率脈沖的形成,可構(gòu)造小型輕量化便攜式脈沖功率電源。b)據(jù)所給出的解析分析結(jié)果可調(diào)整電路設(shè)計參數(shù)使電源工作在所要求的連續(xù)運(yùn)行頻率和輸出脈沖參數(shù)下,并可通過前級電路多次泵升實(shí)現(xiàn)電源在更高輸出功率下工作,代價是輸出脈沖頻率降低。c)PSpice仿真考慮了真實(shí)器件的影響,可快速確認(rèn)設(shè)計的合理性,所給出的輸出特性分析結(jié)果既能用