基于IGBT串联的固体开关式高压脉冲电源

摘要

本发明公开了一种基于IGBT串联的固体开关式高压脉冲电源。包括主电路和控制单元；其中：主电路中的50kV高压直流电依次与64个IGBT串联电路和处理室相连，通过对64个串联IGBT的同时通断控制，最后可在处理室两端产生40kV左右的高压脉冲；控制单元中的DSP系统发出的PWM信号经PWM放大电路后控制IGBT开关电路，由IGBT开关电路输出的脉冲信号作为64个IGBT驱动电路的输入信号；控制单元中的反激变换电路输出±15V电压，作为PWM放大电路和驱动芯片M57962L的供电电源，而IGBT保护电路通过对64个IGBT串联的过流、过压保护可保护整个电源系统。

说明书

技术领域

本发明涉及一种固体开关式的高压脉冲电源，特别是一种基于IGBT串联的固体开关式高压脉冲电源。

背景技术

脉冲功率具有这样的特点：它将储存的能量以电能的形式，用单脉冲或重复频率的短脉冲方式加到负载上。脉冲功率技术之所以能出现并得以快速发展，是缘于诸多新兴科学技术领域对它的需求和人类使用电能技术的成熟。

在食品行业中，各种液态食品的保鲜问题是困扰行业发展的难题。法国科学家巴斯德创立的巴氏消毒法无疑是给人类社会带来了深刻变化，但采用这种方法对液态食品灭菌条件温和但灭菌不彻底，有时甚至会损害到食品的风味及营养。随着人们生活水平的提高，对食物的卫生和安全性要求越来越高，提出了高品质、低成本、绿色的新型灭菌方法，利用高压脉冲电场（PEF）技术对液态食品杀菌就是其中一种方法。

绝缘栅双极晶体管IGBT( Insulated Gate Bipolar Transistor)综合了GTR和MOSFET的优点，具有通流能力强、开关速度快、输入阻抗高、热稳定性好和驱动简单的优点，作为半导体电力开关具有明显的优势。目前，IGBT的耐压等级达到几十千伏，但因其价格昂贵，限制了单个IGBT在大功率高电压场合的广泛应用。将耐压等级低的多个IGBT串联使用，不仅提高了功率变换器的电压等级，降低了成本，而且减小了开关损耗。

M57962L是由日本三菱电气公司为驱动IGBT而设计的厚膜集成电路(Hybrid Integrated Circuit For Driving IGBT Modules)。在驱动模块内部装有2500V高隔离电压的光电耦合器，过流保护电路和过流保护输出端子，具有封闭性短路保护功能。M57962L是一种高速驱动电路，驱动信号延TPLH和TPLH最大为1.5us。可以驱动600V/400V级的IGBT模块。

由于IGBT串联组件在开关过程中很难使得驱动信号完全同步，导致出现了一定的电压不均衡现象，随着器件承受电压的增加，电压不均衡加剧，严重时同样会造成器件因过电压而损坏。而IGBT承受过电压的时间很短，所以在设计保护电路时应该在IGBT所能承受过电压的时间内快速切断控制信号，以免IGBT损坏。型号为TMS320F28335的DSP系统自带的故障检测脚具有这一优点，在检测到故障信号时，可以在十几个纳秒内中断PWM信号的发出，能够有效保护IGBT器件。

发明内容

    本发明的目的在于提供一种基于IGBT串联的固体开关式高压脉冲电源，该电路由DSP系统控制，最后输出40kV左右的单极性高压脉冲。

为实现上述目的，本发明采用的技术方案如下：

本发明包括主电路和控制电路，其中：

1）主电路：包括50kV高压直流电源、储能电容、64个IGBT串联电路、64个IGBT缓冲电路和处理室；50kV高压直流电源与储能电容并联，其正极与64个IGBT串联电路的一端相连，64个IGBT串联电路的另一端与处理室的一端相连，处理室的另一端与50kV高压直流电源的负极相连；64个IGBT串联电路与64个IGBT缓冲电路相连；

2）控制单元：包括全桥整流电路、滤波电路、65个反激变换电路、DSP系统、PWM放大电路、IGBT开关电路、64个M57962L串联电路和IGBT保护电路；220V交流电依次与全桥整流电路、滤波电路相连，滤波电路分别与IGBT开关电路、65个反激变换电路相连；DSP系统发出的PWM信号依次与PWM放大电路、IGBT开关电路、64个M57962L串联电路、64个IGBT串联电路相连；64个M57962L串联电路经IGBT保护电路与DSP系统相连；65个反激变换电路分别与PWM放大电路和64个M57962L串联电路相连。

所述的主电路中的64个IGBT串联电路中的IGBTQ2~Q65型号均为IGW60T120，第一个IGBT的集电极与50kV高压直流电源的正极相连，第一个IGBT的发射极与第二个IGBT的集电极相连，前一个IGBT的发射极与后一个IGBT的集电极相连，第64个IGBT的发射极与处理室相连，处理室装有待杀菌的液态食品；每个IGBT器件都设有RCD缓冲电路，分别与相应IGBT的集电极和发射极相连。

所述的控制单元中的全桥整流电路由四个整流二极管D1～D4组成，再接到滤波电路；滤波电路由两个并联的电解电容C5和C6组成；电解电容C5和C6的正极经电阻R4与型号为IGW60T120的IGBTQ1的集电极相连；PWM放大电路由型号为TLP250的光耦U1、型号为2SD718的NPN型三极管S1和型号为2SB668的PNP型三极管S2组成；DSP系统输出的PWM信号经电阻R1与光耦U1的2脚相连，光耦U1的6脚经电阻R2与三极管S1、S2的基极相连，三极管S1的集电极与光耦的8脚相连，并与+15V供电电源相连，三极管S2的集电极与光耦U1的5脚相连，并通过稳压管VS3与-15V供电电源相连，三极管S1的发射极与三极管S2的发射极相连，并经电阻R3与IGBTQ1的栅极相连，IGBTQ1的栅极和发射极间还连接由稳压管VS1、VS2组成的限幅器。

所述的控制单元中的64个M57962L串联电路由64个型号均为M57962L的IGBT驱动芯片U2~U65及其外围电路组成；IGBTQ1发射极输出的信号作为64个M57962L串联电路的输入信号，与驱动芯片U2的14脚相连，驱动芯片U2的13脚与驱动芯片U3的14脚相连，前一个驱动芯片的13脚与后一个驱动芯片的14脚相连，驱动芯片U65的13脚与电解电容的负极相连；每个驱动芯片的4脚都与+15V供电电源相连，并通过限流电阻与型号为TLP521-1的相应光耦的1脚相连，光耦的2脚与驱动芯片的8脚相连，驱动芯片的6脚通过稳压管与-15V供电电源相连；每个驱动芯片M57962L都有三个输出端，第一个输出端是M57962L的1脚，通过稳压管和二极管与相应的IGBT的集电极相连，第二个输出端是M57962L的5脚，通过栅极电阻与相应的IGBT的栅极相连，第三个输出端是M57962L的+15V、-15V供电电源的共地端，与相应的IGBT的发射极相连；每个IGBT的栅极和发射极间都连接由两个稳压管组成的限幅器。

所述的控制单元中的65个反激变换电路具有相同的电路结构，包括高频变压器、型号为IRF840的MOSFET开关管、型号为UC3844的控制芯片、由型号为PC817的光耦和由型号为TL431的可调式精密并联稳压器组成的反馈控制电路；65个反激变换电路分别输出65个+15V和65个-15V的直流电压，分别作为光耦TLP250和64个驱动芯片M57962L的供电电源。

所述的控制单元中的IGBT保护电路包括9个型号均为74HC4078的或门芯片U132~U140、型号为FOD260L的光耦U141、由电阻R273和稳压管VS261构成的电平转换器；每个IGBT的故障信号由型号为TLP521-1的相应光耦的3脚输出，64个串联IGBT的故障信号分别为Out1~Out64，分别作为或门芯片U132~U139的输入信号，或门芯片U132~U139的输出信号分别作为或门芯片U140的输入信号，或门芯片U140的输出信号经电阻R274与光耦U141的2脚相连，光耦U141的6脚的输出信号与DSP系统相连。

本发明具有的有益效果是：

1、利用DSP系统对IGBT开关电路的控制所产生的PWM信号作为64个M57962L串联电路的输入信号，不仅具有电路结够简单、成本低的特点，还使得每个M57962L的输入信号的保持较好的同步性，能大限度的降低各个IGBT所接受到的栅极驱动信号的时间差。

2、利用反激变换电路设计+15V和-15V的供电电源，具有性能优良、结构简单、稳压效果好、负载调整率高等优点。

3、IGBT保护电路的输出信号与DSP自带的故障检测脚相连，当该脚检测到输入信号为低电平时，可快速中断PWM信号的发出，从而有效保护整个系统。

附图说明

图1是本发明的系统结构框图。

图2是本发明控制单元中的DSP系统、PWM放大电路、全桥整流电路、滤波电路、IGBT开关电路图。

图3是本发明控制单元中的64个M57962L串联电路、主电路中的64个IGBT串联电路、64个IGBT缓冲电路图。

图4是本发明控制单元中的单个反激变换电路图。

图5是本发明控制单元中的IGBT保护电路图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例，对本发明作进一步的说明。

如图1所示，本发明包括主电路和控制电路，其中：

1）主电路：包括50kV高压直流电源、储能电容、64个IGBT串联电路、64个IGBT缓冲电路和处理室；50kV高压直流电源与储能电容并联，其正极与64个IGBT串联电路的一端相连，64个IGBT串联电路的另一端与处理室的一端相连，处理室的另一端与50kV高压直流电源的负极相连；64个IGBT串联电路与64个IGBT缓冲电路相连；

2）控制单元：包括全桥整流电路、滤波电路、65个反激变换电路、DSP系统、PWM放大电路、IGBT开关电路、64个M57962L串联电路和IGBT保护电路；220V交流电依次与全桥整流电路、滤波电路相连，滤波电路分别与IGBT开关电路、65个反激变换电路相连；DSP系统发出的PWM信号依次与PWM放大电路、IGBT开关电路、64个M57962L串联电路、64个IGBT串联电路相连；64个M57962L串联电路经IGBT保护电路与DSP系统相连；65个反激变换电路分别与PWM放大电路和64个M57962L串联电路相连。

如图2所示，本发明控制单元中的全桥整流电路由四个整流二极管D1～D4组成，再接到滤波电路；滤波电路由两个并联的电解电容C5和C6组成；电解电容C5和C6的正极经电阻R4与型号为IGW60T120的IGBTQ1的集电极相连；PWM放大电路由型号为TLP250的光耦U1、型号为2SD718的NPN型三极管S1和型号为2SB668的PNP型三极管S2组成；DSP系统输出的PWM信号经电阻R1与光耦U1的2脚相连，光耦U1的6脚经电阻R2与三极管S1、S2的基极相连，三极管S1的集电极与光耦的8脚相连，并与+15V供电电源相连，三极管S2的集电极与光耦U1的5脚相连，并通过稳压管VS3与-15V供电电源相连，稳压管起到降压的作用，-15V供电电源经稳压管后，输入到光耦5脚的电压降为-10V，三极管S1的发射极与三极管S2的发射极相连，并经电阻R3与IGBTQ1的栅极相连，IGBTQ1的栅极和发射极间还连接由稳压管VS1、VS2组成的限幅器。

如图3所示，本发明控制单元中的64个M57962L串联电路由64个型号均为M57962L的IGBT驱动芯片U2~U65及其外围电路组成；IGBTQ1发射极输出的信号作为64个M57962L串联电路的输入信号，与驱动芯片U2的14脚相连，驱动芯片U2的13脚与驱动芯片U3的14脚相连，前一个驱动芯片的13脚与后一个驱动芯片的14脚相连，驱动芯片U65的13脚与电解电容的负极相连；每个驱动芯片的4脚都与+15V供电电源相连，并通过限流电阻与型号为TLP521-1的相应光耦的1脚相连，光耦的2脚与驱动芯片的8脚相连，驱动芯片的6脚通过稳压管与-15V供电电源相连，稳压管起到降压的作用，-15V供电电源经稳压管后，输入到驱动芯片6脚的电压降为-10V；每个驱动芯片M57962L都有三个输出端，第一个输出端是M57962L的1脚，通过稳压管和二极管与相应的IGBT的集电极相连，第二个输出端是M57962L的5脚，通过栅极电阻与相应的IGBT的栅极相连，第三个输出端是M57962L的+15V、-15V供电电源的共地端，与相应的IGBT的发射极相连；每个IGBT的栅极和发射极间都连接由两个稳压管组成的限幅器。如图3所示，本发明主电路中的64个IGBT串联电路中的IGBTQ2~Q65型号均为IGW60T120，第一个IGBT的集电极与50kV高压直流电源的正极相连，第一个IGBT的发射极与第二个IGBT的集电极相连，前一个IGBT的发射极与后一个IGBT的集电极相连，第64个IGBT的发射极与处理室相连，处理室装有待杀菌的液态食品；每个IGBT器件都设有RCD缓冲电路，分别与相应IGBT的集电极和发射极相连。

如图4所示，本发明控制单元中的65个反激变换电路具有相同的电路结构，包括高频变压器、型号为IRF840的MOSFET开关管、型号为UC3844的控制芯片、由型号为PC817的光耦和由型号为TL431的可调式精密并联稳压器组成的反馈控制电路；65个反激变换电路分别输出65个+15V和65个-15V的直流电压，分别作为光耦TLP250和64个驱动芯片M57962L的供电电源。

如图4所示，220V交流电压经整流滤波后，得到300V左右的直流电压，经电阻R261、R262、电容C198组成的软启动电路后为芯片UC3844的7脚提供电压。

如图4所示，300V左右的直流电的正极依次经高频变压器T1的初级绕组、型号为HER107的快恢复二极管VD131、型号为IRF840的MOSFET 开关管Q66、限流电阻R266接到直流电压的负极，在型号为UC3844 的芯片U130控制下，MOSFET 开关管Q66周期性的导通和截止，并在高频变压器的两个次级绕组分别产生两路脉冲信号，两路脉冲信号分别经由两个滤波电容滤波后可输出+15V和-15V的直流电压。

如图4所示，反激变换电路的反馈电路由型号为PC817的光耦U131、型号为TL431的可调式精密并联稳压器K1和与之相连的阻容网络构成。+15V输出电压经电阻R270、R271分压后得到采样电压，此采样电压与TL431提供的2.5V参考电压进行比较，当输出电压（+15V）正常时，采样电压与TL431提供的2.5V参考电压相等，则TL431的K极电位不变，流过光耦CE的电流不变，UC3844的2脚电位稳定，输出驱动MOSFET开关管的占空比不变，输出电压稳定在+15V，因为高频变压器T1的两个次级绕组匝数一样，所以输出-15V电压也稳定；当输出电压+15V因为某种原因偏高时，采样电压会大于2.5V，此时TL431的K极电位下降，流过光耦PC817二极管的电流增大，从而流过光耦CE的电流增大，UC3844的2脚电位下降，6脚输出驱动脉冲的占空比下降，输出电压（+15V）降低，完成反馈稳压过程。

如图5所示，本发明控制单元中的IGBT保护电路包括9个型号均为74HC4078的或门芯片U132~U140、型号为FOD260L的光耦U141、由电阻R273和稳压管VS261构成的电平转换器；每个IGBT的故障信号由型号为TLP521-1的相应光耦的3脚输出，64个串联IGBT的故障信号分别为Out1~Out64，分别作为或门芯片U132~U139的输入信号，分别与或门芯片U132~U139的2脚、3脚、4脚、5脚、9脚、10脚、11脚、12脚相连，或门芯片U132~U139各自1脚的输出信号分别作为或门芯片U140的输入信号，分别与或门芯片U140的2脚、3脚、4脚、5脚、9脚、10脚、11脚、12脚相连，或门芯片U140的1脚的输出信号经电阻R274与光耦U141的2脚相连，光耦U141的6脚的输出信号与DSP系统的故障检测脚相连。

本发明的工作过程如下：

50kV高压直流电经储能电容储能后，与64个IGBT串联电路相连，通过控制64个IGBT的同时开通和关断，可在处理室两端产生40kV左右的高压脉冲，高压脉冲的正极由64个串联IGBT中最后一个IGBT的发射极发出。

    64个IGBT串联电路的控制信号由IGBT开关电路产生，IGBT开关电路由DSP系统控制，DSP系统输出频率为f，占空比为d的PWM信号，并通过PWM放大电路控制IGBT开关电路中IGBTQ1的通断，IGBTQ1的发射极相应地产生频率为f，占空比为d的脉冲信号，此信号作为64个M57962L串联电路的输入信号，同时控制64个串联IGBTQ1~Q64的开通和关断，最后由第64个IGBT的发射极产生大小为40kV、频率为f、占空比为d的单极性高压脉冲。

IGBT保护电路包括9个型号均为74HC4078的或门芯片U132~U140、型号为FOD260L的光耦U141、由电阻R273和稳压管VS261构成的电平转换器；每个IGBT的故障信号由型号为TLP521-1的相应光耦的3脚输出，64个串联IGBT的故障信号分别为Out1~Out64，分别作为或门芯片U132~U139的输入信号，或门芯片U132~U139的1脚的输出信号分别作为或门芯片U140的输入信号，或门芯片U140的1脚的输出信号经电阻R274与光耦U141的2脚相连，光耦U141的6脚的输出信号与DSP系统的故障检测脚相连；由电阻R273和稳压管VS261构成的电平转换器作用是将5V电源转换为3.3V电源，以给光耦FOD260L供电，光耦FOD260L的2脚输入高电平时，6脚输出低电平，光耦FOD260L的2脚输入低电平时，6脚输出高电平；当IGBT正常工作时，相应光耦TLP521-1不工作，3脚输出低电平信号，当IGBT出现过压过流时，相应光耦TLP521-1开始工作，3脚变为高电平信号；因此当64个IGBT都正常工作时，光耦TLP251-1的3脚输出低电信号平，输入光耦FOD260的2脚为低电平信号，其6脚输出高电平信号，DSP系统的故障检测脚检测到高电平信号，继续发出PWM信号；当64个IGBT中有故障时，相应光耦TLP251-1的3脚变为高电平信号，输入光耦FOD260L的2脚变为高电平信号，其6脚输出低电平信号，DSP系统的故障检测脚检测到低电平信号，立即中断PWM信号的发出，IGBT不再工作，从而有效保护整个电源系统。