基于IGBT的固态脉冲调制器设计

IGBT的固态高压脉冲电源的设计原理由于脉冲电源有断续供电的特性，在很多领域都获得了广泛的应用，其中高压脉冲电源是系统的核心组成部分。

为了获取高重复频率、陡前沿高压脉冲电源，文中提出了一种基于IGBT的高压脉冲电源，系统主要由高压直流充电电源和脉冲形成电路两部分组成，由DSP作为主控制芯片，控制IGBT的触发和实现软开关技术，并用仿真软件PSIM对高压脉冲电源进行仿真分析，验证了设计思想的正确性。

由于脉冲电源有断续供电的特性，在很多领域都获得了广泛的应用。

比如说高能量物理、粒子加速器、金属材料的加工处理、食品的杀菌消毒、环境的除尘除菌等方面，都需要这样一种脉冲能量--可靠、高能量、脉宽和频率可调、双极性、平顶的电压波形。

无论将此高功率脉冲电源用于何种用途，高压脉冲电源均是其设计的核心部分。

传统的高功率脉冲电源一般采用工频变压器升压，然后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，脉冲波形易变化，可靠性较低，控制较困难，成本较高。

文中采用固态电器--IGBT来获取高压脉冲波形。

将IGBT 作为获取高压脉冲的电子开关，利用IGBT构成LCC串并联谐振变换器作为高压脉冲电源的充电电源，同时利用IGBT构成全桥组成脉冲形成电路，输出双极性高压脉冲波形。

文中给出了系统结构、系统各个部分功能说明，通过仿真电力电子仿真软件PSIM对LCC充电过程和脉冲形成电路进行仿真分析。

1 高压脉冲电源系统结构1.1 高压脉冲电源的拓扑结构高压脉冲电源常用的主电路拓扑可以归纳为两类：电容充放电式和高压直流开关电源加脉冲生成的两级式两种。

电容充放电式是通过长时间充电、瞬间放电，即通过控制充放电的时间比例，达到能量压缩、输出高压大功率脉冲的目的。

优点是可以输出的脉冲功率和电压等级较高，脉冲上升沿较陡;但是，输出脉冲的精度难以控制，而且重复频率低，因而应用范围比较有限，主要应用在核电磁物理研究、烟气除尘、污水处理、液体杀菌等场合。

最经典的IGBT资料大全，技术详解，设计技巧，应用案例IGBT系统的介绍就IGBT的定义、工作原理、等效电路、特性参数、设计技巧等作全面介绍……设计技巧IGBT的驱动和过流保护电路的研究IGBT目前被广泛使用的具有自关断能力的器件，广泛应用于各类固态电源中。

IGBT的工作状态直接影响整机的性能，所以合理的驱动电路对整机显得很重要，但是如果控制不当，它很容易损坏，其中一种就是发生过流而使IGBT损坏，本文主要研究了IGBT的驱动和短路保护问题，就其工作原理进行分析，设计出具有过流保护功能的驱动电路，并进行了仿真研究。

隔离驱动IGBT和Power MOSFET等功率器件所需要的一些技巧对隔离驱动IGBT和Power MOSFET等功率器件出现的一些常见问题的汇总和解答功率器件IGBT应用中的常见问题解决方法随着现代电力电子技术的高频大功率化的发展，IGBT在应用中潜在的问题越来越凸出，开关过程引起的电压、电流过冲，影响到了逆变器的工作效率和工作可靠性。

为解决以上问题，过电流保护、散热及减少线路电感等措施被积极采用，缓冲电路和软开关技术也得到了广泛的研究，取得了迅速的进展。

本文就针对这方面进行了分析。

使用栅极电阻控制IGBT的开关IGBT的动态性能可通过栅极电阻值来调节。

栅极电阻影响IGBT的开关时间、开关损耗及各种其他参数，从电磁干扰EMI到电压和电流的变化率。

因此，栅极电阻必须根据具体应用的参数非常仔细地选择和优化。

杂散电感对高效IGBT逆变器设计的影响当工作在相同条件下，IGBT针对提高软度需求的设计优化将会付出开关损耗提高的代价。

除开关损耗外，开通和关断速度、电流突变和振荡(EMI)的发生也越来越受到重视。

寄生杂散电感对直流母线谐振频率和二极管电流突变起到了重要作用。

至少从EMI角度考虑，二极管电流突变将会对通过增加杂散电感或提高IGBT开通速度来降低开通损耗有所限制新型IGBT系统电路保护设计的解决方案在研究IGBT失效机理的基础上，通过整合系统内外部来突破设计瓶颈。

Chinese Physics C(HEP&NP)Vol.32, ,Mar.,2008Marx *1)( 100049)Marx IGBT Marx , . Marx , IGBT , , . Marx , .Marx IGBT1(ILC) (BCD), ILC 710 L-band , 10MW , 120kV,140A, 1.6ms 5Hz[1].ILC BCD , 1.6m s , , , , , , [2]. Marx BCD , ILC [3].2Marx, (PCB) IGBT. Marx PCB IGBT, Marx [4]. , Marx (SCDU) , SCDU , SCDU , . Marx . Marx 1.1 Marx3 MarxMarx , SCDU,SCDU .318Chinese Physics C(HEP&NP)Vol.32Marx 319(References)1International Linear Collider,Base Line Configu-Ration, Main Linac2Cassel R L.A Solid State High Voltage Pulse Modulator Which is Compact and Without OIL or a Pulse Trans-former.Stangenes Industries.I052East Meadow Circle, Pa10Alto,CA,USA 3Leyh G E.The ILC Marx Modulator Development Pro-gram at SLAC,Stanford Linear Accelerator Center,Stan-ford University,Stanford,CA94309,USA4Nam S H,Suh J H,Kim S C et al.Development of a Gen-eral Purpose Power System Control Board,PAL,Pohang, KyungBuk,Korea5Kaesler W.A Long-Pulse Modulator for the Tesla Test Facility(TTF),Puls-Plasmatechnik GmbH,Feldstr.56,D-44141Dortmund,GermanyDesign of the Solid State Marx Modulator*CHI Yun-Long1)HE Da-Yong PEI Guo-Xi(Institute of High Energy Physics,CAS,Beijing100049,China)Abstract The design of the Marx Modulator is based on oil-free,air-cooled,and capable of delivering120kV,140A, 1600usec pulses at a rate of5Hz.The Marx modulator design employs a stack of sixteen12kV Marx modules that generate high-voltage output pulses directly from a12kV input supply voltage.This direct switching eliminates the requirement for a massive transformer reduces the capacitor bank size by more than a factor of four,yielding a consid-erably cheaper and more compact mechanical solution.Advantages of the ILC Marx design include higher efficiency, smaller physical size,and a modular architecture that provides greater reliability and cost-effective PC board-level integration.Key words pulse modulator,Marx generator,IGBT。

210kV全固态高压脉冲调制器设计
辜霄;彭伟;江涛;周江龙;李长年
【期刊名称】《真空电子技术》
【年(卷),期】2024()1
【摘要】为克服传统高压脉冲调制器中存在的波形畸变严重及高初级电压引入的
可靠性差的缺点,介绍了一种以半导体器件作为脉冲开关的全固态高压脉冲调制器。

详细阐述了全固态高压脉冲调制器的设计原理、结构特点及驱动控制方法。

该系统由18级模块并联而成,每级模块的储能电容、高压充电和固态开关驱动供电均采用高压硅堆隔离,每个模块采用一只独立控制的高压绝缘栅双极型晶体管(Insulated Gate Bipolar Transistor,IGBT)对模块的储能电容实现充电和放电。

IGBT驱动电
路采用高压硅堆隔离供电、光纤传输触发脉冲和高性能IGBT驱动模块设计构成。

驱动电路具备完善的欠压、过流和过压保护功能。

该调制器输出方形高压脉冲幅度大于210 kV,脉冲顶部宽度为5μs,脉冲前沿约690 ns,脉冲后沿约920 ns,重复频
率100 Hz。

【总页数】6页(P56-61)
【作者】辜霄;彭伟;江涛;周江龙;李长年
【作者单位】电子科技大学;63660部队;成都西科微波通讯有限公司
【正文语种】中文
【中图分类】TN7
【相关文献】
1.回旋行波管的全固态Marx高压脉冲调制器设计
2.基于移相控制的全固态高压脉冲电源设计
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4.180kW全固态高压脉冲调制器的设计
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串联叠加式固态脉冲调制器的设计陶小辉;张建华;王旭明;范青【期刊名称】《雷达科学与技术》【年(卷),期】2011(9)1【摘要】介绍了固态调制器电路常用的拓扑结构,讨论了开关直接串联与加法器叠加两种拓扑结构的特点.设计了基于IGBT的串联叠加式固态刚管脉冲调制器,调制器通过充电电源变压器实现电位隔离,采用6路调制单元串联叠加,并利用脉冲变压器升压至40kV.重点讨论了该类型调制器研制中的关键技术,分析了脉冲变压器铁芯饱和现象并提出解决方法;讨论了吸收电路的计算选取,给出了有无吸收电路时,IGBT的C、E两端电压波形;分析并解决了脉冲波形过冲控制以及电磁干扰噪声抑制问题.%The common topologies of solid-state modulator are introduced. The characteristics of two circuit topologies, switch direct-series and adder superposition, are discussed. The series superposition solid state hard tube modulator based on IGBT is designed. The modulator is insulated by charging source transformer. Six modulator units are in series overlapping. The output voltage is boosted to 40 kV by pulse transformer. The key technologies are discussed. The saturation of pulse transformer is analyzed and the resolving measures are provided. The snubber circuit is discussed. The voltage waveforms of IGBT are provided in the case of whether the snubber circuit is present or not. The methods of pulse overshoot control and electromagnetic interference rejection are proposed.【总页数】4页(P84-87)【作者】陶小辉;张建华;王旭明;范青【作者单位】中国电子科技集团公司第三十八研究所,安徽合肥230088;中国电子科技集团公司第三十八研究所,安徽合肥230088;中国电子科技集团公司第三十八研究所,安徽合肥230088;安徽四创电子股份有限公司,安徽合肥230088【正文语种】中文【中图分类】TN787;TN957【相关文献】1.基于IGBT的固态脉冲调制器设计 [J], 于仕财;马强;李建华;康健2.回旋行波管的全固态Marx高压脉冲调制器设计 [J], 李冰;罗勇;朱彦杰;王丽3.全固态浮动板脉冲调制器的设计 [J], 万程亮;陈振林;陈榕4.180kW全固态高压脉冲调制器的设计 [J], 蔡政平;曹湘军;徐旭哲;王勇5.应用IGBT串联的固态脉冲调制器分析 [J], 姬新阳;黄旭东因版权原因，仅展示原文概要，查看原文内容请购买。

第3卷第1期　信息与电子工程Vo1．3，No．1 2005年3月 INFORMATION AND ELECTRONIC ENGINEERING Mar．，2005用于10kV IGBT固体开关的脉冲变压器设计甘孔银，黎明，金晓，卢和平（中国工程物理研究院应用电子学研究所，四川绵阳 621900）摘要：为了设计IGBT固体开关的脉冲变压器，需要解决输出一致性和绝缘问题。

通过选取具有优异高频性能的磁芯、均匀绕组和相同外电路来实现输出一致性；采用Ansoft Maxwell 3D来模拟了脉冲变压器电势电场分布，然后根据模拟结果采取相应的绝缘措施。

实验结果表明：脉冲变压器的输出一致性很好，也没有电压击穿现象，由此说明脉冲变压器设计基本满足IGBT固体开关需要。

关键词：电子技术；脉冲变压器；磁芯；IGBT固体开关；输出一致性；绝缘中图分类号：TM417 文献标识码：A 文章编号：1672-2892(2005)01-0063-03Design of Pulse Transformer for 10KV IGBT Solid SwitchGAN Kong-yin，LI Ming，JIN Xiao，LU He-ping（Institute of Applied Electronics，CAEP，Mianyang 621900，China）Abstract: During the design of pulse transformer used in IGBT solid switch，there are problems of output-consistence and insulation to be resolved．The output-consistence can be carried out through selection of magnetic cores withexcellent high frequency performance，uniform windings and outside circuits．In our researches，the Ansoft Maxwell 3Dis used to simulate the electric field distribution of the pulse transformer，and then a corresponding measure is adopted tosolve the problem of insulation．The experimental result shows that output consistence is very satisfactory，and novoltage-breakdown is appeared．The conclusion is that the pulse transformer design can satisfy the demand of IGBTsolid switch．Key words: electric engineering；pulse transformer；magnetic cores；IGBT solid switch；output-consistence；insulation1 引言由于高重复频率固体开关在加速器、雷达发射机、高功率微波和污染控制等领域存在的潜在优势，美国、英国、日本和韩国等都对固体开关技术进行了大量研究，从而成为近年脉冲功率界研究的重点[1]。