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高压陡前沿脉冲发生装置
发布时间:2016-12-16 阅读：次 [打印文章] [关闭窗口]4、高压脉冲形成电路的设计
高压逆变电路的拓扑结构选择电压型半桥式逆变电路。由于经过高压整流后的直流电压为10kV，所以电路中开关管的每个桥臂耐压等级都要在10kV以上，因此开关器件要选择耐压高，动作快的器件。目前，在高压应用中，IGBT无疑是最好的选择。尽管IGBT的耐压级别比MOSFET要高很多，但是目前商用IGBT的最大耐压也不超过6500V，仍然也无法满足需要。同时IGBT随着单管耐压的提高，开关损耗增大，开关速度也随之下降，所以开关桥臂决定采用串联IGBT以达到耐压要求。最后选择FUJI公司的IGBT作为主电路的开关，型号为1MBH60-170，其最大关断电压为扁平型电感1700V，额定工作电流60A，饱和压降VGE(SAT)为3.2V。在实际电路中，会在每个桥臂上个串联10个该型号的IGBT。高压逆变电路结构图如图3所示：
图3 高压逆变电路结构图
IGBT串联使用是一种较为有效的提高耐压的方法。理论上在IGBT器件参数、触发时间相同的情况下，插件电感根据相应的耐压值，可以将任意多的器件进行串联使用以满足实际需要。但在IGBT串联提高耐压的同时也带来了相应的问题，当IGBT处于关断状态时，漏电流较大的IGBT的漏电阻较小，相应承担比较小的电压，反之具有较高漏电阻的IGBT将承受较大的电压。这样就导致断态时IGBT串联组单元的电压分配不均，有可能导致断态时漏电阻较低IGBT还未发挥其耐压能力，而漏电阻较高的IGBT则由于过电压而毁坏。
IGBT静态均压的目的是在阻断状态下，确保IGBT串联组单元的电压均衡，我们采用在每个IGBT单元两端并联电阻的方式实现。即若IGBT两端并联的电阻R远小于IGBT单元的漏电阻，则串联IGBT的电压分配就主要取决于并联电阻R的值。但是R值取得过小的话，流过电阻的电流就比较过大，导致电阻上消耗功率增大，所以R值取得又不能过小。选取合适均压电阻R后，各IGBT两端电压达到均衡，实现串联IGBT静态均压的目的[3]。
在IGBT关断的瞬间，由于IGBT栅极电荷和输出电容的不同，导致IGBT的关断速度有差异。栅极电荷少、输出电容小的IGBT容易关断且关断时间比较短，反之就比较长。因此，最先关断的IGBT必然承受最高的动态电压，这就有可能导致IGBT的过电压毁坏。开通时刻，因为触发装置的误差等原因，IGBT串联组单元的开通时间也不可能完全一致，最后开通的IGBT必然承受最高的动态电压，这也可能导致IGBT的过电压贴片电感器毁坏。
IGBT动态均压的目的是在IGBT开通和关断状态下，确保IGBT串联组单元的动态电压共模电感均衡。本文对于IGBT动态电压不均衡的问题是通过瞬态电压抑制器，即TVS（Transient Voltage Suppressor），型号为1.5KE200CA解决的。实际应用中，将5个该型号的TVS串联起来，并联在IGBT串联组单元两端来保证动态电压的均衡。加载均压措施后的IGBT串联单元结构如图4所示[3]。
图4 加载均压措施后的IGBT串联单元结构图
5、IGBT的同步驱动和高压隔离
高压脉冲发生电路中IGBT是滤波电感串联应用，所以对IGBT串联组各单元触发信号的同步性，准确性有着较高的要求。同时高压逆变电路与控制电路的电压级别相差很大，各个IGBT单元都处于高电位，所以主电路与控制电路之间以及各个IGBT驱动电路之间必须采取相应的隔离措施。
为了实现控制电路和主电路之间的电隔离，使用光纤连接器来实现驱动控制信号的传递。整个光纤连接系统主要由光发射端、光接收端、光驱动器和光纤4部分组成。其工作原理与光耦基本一致。即光发送器中的发光二极管发出的PWM光信号进入光纤，沿着光纤到光接受端，然后由检测器将光信号转换为数字输出信号，从而完成信号的传输过程。现在市场上的光纤收发器产品以安捷伦(Agilent)公司的较多。通过比较，决定选用型号为HFBR-2524、HFBR-1524的光纤收发器，其1MBd的信号传输率足以满足传递PWM信号的需要[6]。控制与光纤连接电路原理图如图5所示：
图5 控制电路与光纤连接电路原理图
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零欧姆电
