專(zhuān)利名稱(chēng)：高壓脈沖電源的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種高壓脈沖電源，特別是適用于液態(tài)食品殺菌用的一種高壓脈沖電源。
背景技術(shù)：
工業(yè)化的食品殺菌技術(shù)自誕生以來(lái)，一直以熱力殺菌為主，但這種方法會(huì)使一些熱敏性的營(yíng)養(yǎng)素和風(fēng)味物質(zhì)受到破壞。為了改進(jìn)熱力殺菌的不足之處，保持食品的新鮮和原味，近年來(lái)國(guó)內(nèi)外出現(xiàn)了非熱殺菌技術(shù)。目前研究中的非熱殺菌技術(shù)有超高壓(HighPressure)技術(shù)、高壓脈沖電場(chǎng)(High-voltage Pulsed Electric Fields)技術(shù)、福照技術(shù)、超聲波技術(shù)、脈沖磁場(chǎng)技術(shù)、臭氧殺菌技術(shù)等。在眾多的非熱殺菌技術(shù)中，高壓脈沖電場(chǎng)(High-voltage Pulsed ElectricFields)滅菌技術(shù)因安全無(wú)害，具有傳遞均勻、處理時(shí)間短、能耗低等特點(diǎn)，在果汁等液態(tài)食品的加工中已顯示出特有的優(yōu)越性，具有良好的商業(yè)化前景。脈沖形成網(wǎng)絡(luò)由高壓脈沖發(fā)生器和處理室組成，通過(guò)不同的負(fù)載匹配，可以產(chǎn)生不同的殺菌脈沖波形，目前較為普遍的有指數(shù)波和方波。而指數(shù)波有一部分電壓下降緩慢且無(wú)殺菌作用，卻會(huì)使電極和食品的溫度升高，因此通常采用方波的脈沖輸出形式。而陡前沿、窄脈沖(〈IOus)的方波對(duì)液體殺菌的效果更好。20世紀(jì)80年代出現(xiàn)的半導(dǎo)體電力開(kāi)關(guān)器件一絕緣柵雙極型晶體管IGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor)是一種復(fù)合器件，它的輸入控制部分為M0SFET,輸出級(jí)為雙極結(jié)型晶體管，兼有MOSFET和電力晶體管快速響應(yīng)、易于驅(qū)動(dòng)、高輸入阻抗和載流能力強(qiáng)的優(yōu)點(diǎn)。但是IGBT的缺點(diǎn)在于單個(gè)IGBT的電壓、電流允許值很難再提高，為了應(yīng)用于高電壓、大功率的領(lǐng)域，通常采用IGBT串聯(lián)的方法。IGBT串聯(lián)使用作為一種有效提高IGBT耐壓的方法，是一項(xiàng)電力電子在高壓電氣設(shè)備中應(yīng)用的重要技術(shù)。在IGBT的串聯(lián)過(guò)程中，由于個(gè)體結(jié)構(gòu)的差異性以及觸發(fā)裝置的誤差，實(shí)際應(yīng)用中會(huì)產(chǎn)生串聯(lián)器件之間電壓分布不均的問(wèn)題，這將大大影響器件的使用壽命和電路的工作效率，嚴(yán)重時(shí)會(huì)造成設(shè)備的損壞。因此，如何使串聯(lián)的IGBT同時(shí)通斷，是實(shí)現(xiàn)IGBT串聯(lián)的關(guān)鍵技術(shù)。IGBT伏安特性的差異會(huì)使串聯(lián)IGBT工作在阻斷狀態(tài)時(shí)產(chǎn)生靜態(tài)電壓不均衡現(xiàn)象，而在IGBT的開(kāi)通和關(guān)斷瞬間，由于IGBT的柵極電荷和輸出電容的不同，則會(huì)造成IGBT串聯(lián)運(yùn)行的動(dòng)態(tài)電壓不均衡。所以在IGBT串聯(lián)使用中必須采取有效的靜態(tài)和動(dòng)態(tài)均壓措施，這樣才能最大程度地利用其耐壓值，發(fā)揮其優(yōu)勢(shì)。IGBT屬電壓驅(qū)動(dòng)器件，具有2. 5疒5V的閾值電壓，當(dāng)柵極和發(fā)射極之間電壓(也稱(chēng)柵極電壓)大于閾值電壓時(shí)，IGBT處于正向?qū)顟B(tài)，當(dāng)柵極電壓為零或者為負(fù)壓時(shí)，IGBT處于關(guān)斷狀態(tài)。IGBT的柵極驅(qū)動(dòng)電路影響其通態(tài)壓降、開(kāi)關(guān)時(shí)間、開(kāi)關(guān)損耗、承受短路電流的能力等。 柵極電阻Rg和柵射電阻Rge也影響著IGBT的通斷。Rg可以改善輸入脈沖的前后沿陸度和防止震蕩，增大Rg會(huì)延長(zhǎng)IGBT的通斷時(shí)間,增加通斷損耗,而減少Rg會(huì)使di/dt增加，可能引起誤導(dǎo)通。因此，Rg應(yīng)根據(jù)開(kāi)關(guān)頻率和電流電壓額定值選擇，一般為幾十至幾百歐姆。當(dāng)IGBT集射極間有高壓時(shí)，很容易受外界干擾使柵極電壓超過(guò)閾值電壓引起器件誤導(dǎo)通，在柵射極并接一柵射電阻Rge，可以避免這類(lèi)情況發(fā)生。脈沖寬度調(diào)制(PWM)是利用微處理器的數(shù)字輸出來(lái)對(duì)模擬電路進(jìn)行控制的一種非常有效的技術(shù)，廣泛應(yīng)用在從測(cè)量、通信到功率控制與變換的許多領(lǐng)域中。STC89C52是一種低功耗、高性能的CM0S8位微控制器，擁有靈巧的8位CPU和在系統(tǒng)可編程Flash，因此能夠?yàn)楸姸嗲度胧娇刂茟?yīng)用系統(tǒng)提供高靈活、有效的解決方案，通過(guò)合理的程序設(shè)計(jì)，可輸出較為理想的PWM波形。EXB系列模塊是日本富士公司開(kāi)發(fā)的針對(duì)IGBT的專(zhuān)用混合集成驅(qū)動(dòng)電路，有高速型和標(biāo)準(zhǔn)型兩種，其中高速型的驅(qū)動(dòng)信號(hào)延遲時(shí)間最大為1. 5us。內(nèi)部有2500V高隔離電壓的光耦合器，有過(guò)流保護(hù)電路和過(guò)流保護(hù)信號(hào)輸出端子，同時(shí)采用單電源供電模式，使用方便。EXB841可大大簡(jiǎn)化IGBT驅(qū)動(dòng)和保護(hù)電路的設(shè)計(jì)，同時(shí)也提高了可靠性。當(dāng)IGBT集射極間電壓變化率dv/dt過(guò)高時(shí)，會(huì)引起IGBT發(fā)生動(dòng)態(tài)鎖定效應(yīng)，甚至可能被擊穿。另外，由于IGBT極間等效電容的存在，dv/dt過(guò)大還可能導(dǎo)致器件誤導(dǎo)通，因此應(yīng)合理設(shè)計(jì)關(guān)斷緩沖放電電路。為了防止過(guò)電壓，主要措施一是通過(guò)合理布線(xiàn)使引線(xiàn)電感降至最??；二是設(shè)置RCD吸收保護(hù)網(wǎng)絡(luò)。在工作電流較大的情況下，為了減小關(guān)斷過(guò)電壓，應(yīng)盡量減小主電路的布線(xiàn)電感；吸收電容器應(yīng)采用低感型。大電感負(fù)載下，IGBT的開(kāi)關(guān)時(shí)間不能過(guò)短，以防止產(chǎn)生過(guò)高的尖峰感應(yīng)電壓，損壞IGBT。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提供一種高壓脈沖電源，該電源可以實(shí)現(xiàn)多個(gè)IGBT的串聯(lián)，調(diào)節(jié)STC89C52單片機(jī)輸出的PWM信號(hào)的頻率和占空比，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)輸出高壓脈沖脈寬和頻率的調(diào)節(jié)，應(yīng)用于液態(tài)食品殺菌能夠滿(mǎn)足非熱殺菌的要求。為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用的技術(shù)方案如下
本發(fā)明包括高壓直流電源、儲(chǔ)能電容、STC89C52單片機(jī)、MOSFET開(kāi)關(guān)電路、多個(gè)IGBT串聯(lián)電路、與IGBT相等個(gè)數(shù)的電流互感器、與IGBT相等個(gè)數(shù)的IGBT驅(qū)動(dòng)電路和與IGBT相等個(gè)數(shù)的IGBT保護(hù)電路；高壓直流電源提供的電壓，經(jīng)與其并聯(lián)的儲(chǔ)能電容儲(chǔ)能后，其正極與負(fù)載的一端相連，負(fù)載的另一端與第一個(gè)IGBT的集電極相連，第一個(gè)IGBT的發(fā)射極與第二個(gè)IGBT的集電極相連，以此類(lèi)推，最后一個(gè)IGBT的發(fā)射極再接到高壓直流電源的負(fù)極；STC89C52單片機(jī)輸出的PWM信號(hào)依次與MOSFET開(kāi)關(guān)電路和與IGBT相等個(gè)數(shù)的電流互感器相連；每個(gè)電流互感器都是由一個(gè)初級(jí)和兩個(gè)獨(dú)立的次級(jí)組成，并且采用初級(jí)串聯(lián)連接，兩個(gè)次級(jí)獨(dú)立輸出的連接方式，兩個(gè)次級(jí)的輸出都和與IGBT相等個(gè)數(shù)的各自驅(qū)動(dòng)電路相連；每個(gè)IGBT的驅(qū)動(dòng)電路均有三個(gè)輸出端，第一個(gè)輸出端與各自IGBT的集電極相連，第二個(gè)輸出端與各自IGBT的柵極相連，第三個(gè)輸出端與各自IGBT的發(fā)射極相連；與IGBT相等個(gè)數(shù)的保護(hù)電路的兩端分別接到各自IGBT的集電極和發(fā)射極。所述STC89C52單片機(jī)、MOSFET開(kāi)關(guān)電路和與IGBT相等個(gè)數(shù)的電流互感器串聯(lián)電路STC89C52單片機(jī)輸出的PWM信號(hào)通過(guò)電阻Rl接到型號(hào)為T(mén)LP250的光耦Ul的輸入端2腳，光耦Ul的輸出端6腳通過(guò)柵極電阻R3與MOSFET的柵極相連；與IGBT相等個(gè)數(shù)的電流互感器都是由一個(gè)初級(jí)和兩個(gè)獨(dú)立的次級(jí)組成，并且采取初級(jí)用耐高壓的硅橡膠線(xiàn)串聯(lián)連接，兩個(gè)次級(jí)獨(dú)立輸出的連接方式；初級(jí)串聯(lián)的電流互感器的一端通過(guò)兩個(gè)電阻R4、R5與MOSFET的漏極相連，并接到直流電源VDD的正極，另一端與MOSFET的源極相連，并接到直流電源VDD的負(fù)極；每個(gè)電流互感器的次級(jí)電路連接方法相同，其中第一個(gè)電流互感器的一個(gè)次級(jí)與電阻R6、穩(wěn)壓二極管VSl和電容C4組成一個(gè)回路，并將穩(wěn)壓二極管VSl兩端的電壓作為IGBT驅(qū)動(dòng)芯片EXB841的驅(qū)動(dòng)信號(hào)，穩(wěn)壓二極管VSl的陰極通過(guò)一個(gè)電阻R12與IGBT驅(qū)動(dòng)芯片EXB841的15腳相連，穩(wěn)壓二極管VSl的陽(yáng)極與IGBT驅(qū)動(dòng)芯片EXB841的14腳相連，另一個(gè)次級(jí)的輸出與全橋整流電路、LC濾波電路相連，再和可變電阻R8和定值電阻RlO相連，定值電阻RlO與穩(wěn)壓二極管VS3并聯(lián)，此穩(wěn)壓二極管VS3兩端的電壓作為IGBT驅(qū)動(dòng)芯片EXB841的供電電壓，穩(wěn)壓二極管VS3的陰極與IGBT驅(qū)動(dòng)芯片EXB841的2腳相連，穩(wěn)壓二極管VS3的陽(yáng)極與9腳相連。所述與IGBT相等個(gè)數(shù)的IGBT驅(qū)動(dòng)電路均采用EXB841作為IGBT的驅(qū)動(dòng)芯片，具有三個(gè)輸出端，第一個(gè)輸出端是芯片EXB841的6腳，通過(guò)過(guò)流檢測(cè)電路與IGBT的集電極相連，第二個(gè)輸出端是芯片EXB841的3腳，通過(guò)柵極保護(hù)電路與IGBT的柵極相連，第三個(gè)輸出端是芯片EXB841的I腳，直接與IGBT的發(fā)射極相連，IGBT的柵極通過(guò)柵壓限幅電路與發(fā)射極相連。所述與IGBT相等個(gè)數(shù)的IGBT保護(hù)電路均包括壓敏電阻、緩沖電路、靜態(tài)均壓電路和動(dòng)態(tài)均壓電路；壓敏電阻R17的兩端分別與IGBT的集電極和發(fā)射極相連；緩沖電路由電阻R14、二極管VD3和電容C9組成；靜態(tài)均壓電路由靜態(tài)分壓電阻R15、R16組成；動(dòng)態(tài)均壓電路由動(dòng)態(tài)均壓電容CIO、Cll組成。本發(fā)明具有的有益效果是1、利用STC89C52單片機(jī)輸出的PWM信號(hào)作為控制信號(hào)，通過(guò)調(diào)節(jié)此信號(hào)的占空比和頻率，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)IGBT通斷過(guò)程中脈寬和頻率的調(diào)節(jié)。2、使用具有一個(gè)初級(jí)和兩個(gè)獨(dú)立次級(jí)的電流互感器，并采取用耐高壓的硅橡膠線(xiàn)將與IGBT相等個(gè)數(shù)的電流互感器初級(jí)串聯(lián)連接、次級(jí)獨(dú)立輸出的連接方式，分別把兩個(gè)次級(jí)輸出的信號(hào)作為IGBT驅(qū)動(dòng)芯片EXB841的驅(qū)動(dòng)信號(hào)和供電電壓，既可以實(shí)現(xiàn)對(duì)每個(gè)驅(qū)動(dòng)芯片的獨(dú)立驅(qū)動(dòng)，以減少干擾，又可以有效地實(shí)現(xiàn)低壓側(cè)和高壓側(cè)的電隔離。


圖1是本發(fā)明的硬件系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖。圖2是本發(fā)明的控制單元圖。圖3是本發(fā)明的電流互感器連接方式圖。圖4是本發(fā)明的IGBT驅(qū)動(dòng)電路圖。圖5是本發(fā)明的IGBT保護(hù)電路圖。
具體實(shí)施例方式下面結(jié)合附圖和實(shí)施例對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步的說(shuō)明。如圖1、圖3所示，本發(fā)明包括高壓直流電源、儲(chǔ)能電容、STC89C52單片機(jī)、MOSFET開(kāi)關(guān)電路、多個(gè)IGBT串聯(lián)電路、與IGBT相等個(gè)數(shù)的電流互感器、與IGBT相等個(gè)數(shù)的IGBT驅(qū)動(dòng)電路和與IGBT相等個(gè)數(shù)的IGBT保護(hù)電路；高壓直流電源提供的電壓，經(jīng)與其并聯(lián)的儲(chǔ)能電容儲(chǔ)能后，其正極與負(fù)載的一端相連，負(fù)載的另一端與第一個(gè)IGBT的集電極相連，第一個(gè)IGBT的發(fā)射極與第二個(gè)IGBT的集電極相連，以此類(lèi)推，最后一個(gè)IGBT的發(fā)射極再接到高壓直流電源的負(fù)極；STC89C52單片機(jī)輸出的PWM信號(hào)依次與MOSFET開(kāi)關(guān)電路和與IGBT相等個(gè)數(shù)的電流互感器相連；每個(gè)電流互感器都是由一個(gè)初級(jí)和兩個(gè)獨(dú)立的次級(jí)組成，并且采用初級(jí)串聯(lián)連接，兩個(gè)次級(jí)獨(dú)立輸出的連接方式，兩個(gè)次級(jí)的輸出都和與IGBT相等個(gè)數(shù)的各自驅(qū)動(dòng)電路相連；每個(gè)IGBT的驅(qū)動(dòng)電路均有三個(gè)輸出端，第一個(gè)輸出端與各自IGBT的集電極相連，第二個(gè)輸出端與各自IGBT的柵極相連，第三個(gè)輸出端與各自IGBT的發(fā)射極相連；與IGBT相等個(gè)數(shù)的保護(hù)電路的兩端分別接到各自IGBT的集電極和發(fā)射極。如圖2所示，所述控制單元包括STC89C52單片機(jī)、MOSFET開(kāi)關(guān)電路和與IGBT相等個(gè)數(shù)的電流互感器串聯(lián)電路，STC89C52單片機(jī)輸出的PWM信號(hào)通過(guò)電阻Rl接到型號(hào)為T(mén)LP250的光耦Ul的輸入端2腳，光耦Ul的輸出端6腳通過(guò)柵極電阻R3與MOSFET的柵極相連 ’與IGBT相等個(gè)數(shù)的電流互感器都是由一個(gè)初級(jí)和兩個(gè)獨(dú)立的次級(jí)組成，并且采取初級(jí)用耐高壓的硅橡膠線(xiàn)串聯(lián)連接，兩個(gè)次級(jí)獨(dú)立輸出的連接方式；初級(jí)串聯(lián)的電流互感器的一端通過(guò)兩個(gè)電阻R4、R5與MOSFET的漏極相連，并接到直流電源VDD的正極，另一端與MOSFET的源極相連，并接到直流電源VDD的負(fù)極；每個(gè)電流互感器的次級(jí)電路連接方法相同，其中第一個(gè)電流互感器的一個(gè)次級(jí)與電阻R6、穩(wěn)壓二極管VSl和電容C4組成一個(gè)回路，并將穩(wěn)壓二極管VSl兩端的電壓作為IGBT驅(qū)動(dòng)芯片EXB841的驅(qū)動(dòng)信號(hào)，穩(wěn)壓二極管VSl的陰極通過(guò)一個(gè)電阻Rl2與IGBT驅(qū)動(dòng)芯片EXB 841的15腳相連，穩(wěn)壓二極管VSl的陽(yáng)極與IGBT驅(qū)動(dòng)芯片EXB841的14腳相連，另一個(gè)次級(jí)的輸出與全橋整流電路、LC濾波電路相連，再和可變電阻R8和定值電阻RlO相連，定值電阻RlO與穩(wěn)壓二極管VS3并聯(lián)，此穩(wěn)壓二極管VS3兩端的電壓作為IGBT驅(qū)動(dòng)芯片EXB841的供電電壓，穩(wěn)壓二極管VS3的陰極與IGBT驅(qū)動(dòng)芯片EXB841的2腳相連，穩(wěn)壓二極管VS3的陽(yáng)極與9腳相連。如圖4所示，所述與IGBT相等個(gè)數(shù)的IGBT驅(qū)動(dòng)電路均采用EXB841作為IGBT的驅(qū)動(dòng)芯片，具有三個(gè)輸出端，第一個(gè)輸出端是芯片EXB841的6腳，通過(guò)過(guò)流檢測(cè)電路與IGBT的集電極相連，第二個(gè)輸出端是芯片EXB841的3腳，通過(guò)柵極保護(hù)電路與IGBT的柵極相連，第三個(gè)輸出端是芯片EXB841的I腳，直接與IGBT的發(fā)射極相連，IGBT的柵極通過(guò)柵壓限幅電路與發(fā)射極相連。為解決EXB841存在保護(hù)盲區(qū)的問(wèn)題，本發(fā)明采用一個(gè)過(guò)流檢測(cè)電路，由超快恢復(fù)二極管VDl和穩(wěn)壓二極管ZDl組成。將EXB841的6腳接導(dǎo)通壓降大一點(diǎn)的超快速恢復(fù)二極管ERA34-10，即圖中所示的VD1，其導(dǎo)通電壓為3V，并串聯(lián)一個(gè)穩(wěn)壓二極管ZD1，可使實(shí)際過(guò)載電流小于EXB841的極限過(guò)載電流，并且可以通過(guò)檢測(cè)IGBT集電極和發(fā)射極之間電壓的高低來(lái)判斷是否發(fā)生短路，若發(fā)生短路，通過(guò)內(nèi)部電路使EXB841的3腳電壓逐步下降，關(guān)斷 IGBT。本發(fā)明的柵極保護(hù)電路采用不對(duì)稱(chēng)的開(kāi)啟和關(guān)斷方法。在IGBT開(kāi)通時(shí)，EXB841的
3腳提供+15V的電壓，電阻Rg2經(jīng)二極管VD2和Rgl并聯(lián)使Rg值較小。關(guān)斷時(shí)，EXB841提供-5V電壓，Rg=Rgl,此時(shí)Rg值較大，可以增大關(guān)斷時(shí)間，減小過(guò)電壓。本發(fā)明的柵壓限幅電路由電阻Rge、穩(wěn)壓二極管ZD2、ZD3組成。當(dāng)IGBT集射極間有高壓時(shí)，很容易受外界干擾，引起器件誤導(dǎo)通。為避免這類(lèi)情況發(fā)生，通常、在柵射極并接一電阻Rge，通常大小為五千至十千歐姆，而且放在離柵射極最近處為宜，另外在柵射極間并接2只反向串聯(lián)的穩(wěn)壓二級(jí)管ZD2、ZD3組成限幅器，可以防止柵射極出現(xiàn)電壓尖峰。
為了提高EXB841軟開(kāi)關(guān)的可靠性，在EXB841的4腳和5腳直接接一個(gè)可調(diào)電阻R13，可調(diào)節(jié)軟關(guān)斷時(shí)間，同時(shí)在4腳和14腳直接接一個(gè)電容C6，可避免過(guò)高的di/dt產(chǎn)生的電壓尖峰。圖中C7、C8的取值相同，對(duì)于EXB850和EXB840來(lái)說(shuō)，取值為33uF，對(duì)于EXB851和EXB841來(lái)說(shuō)，取值為47uF，該電容用來(lái)吸收由電源接線(xiàn)阻抗而引起的供電電壓變化。如圖5所示，所述與IGBT相等個(gè)數(shù)的IGBT保護(hù)電路均包括壓敏電阻、緩沖電路、靜態(tài)均壓電路和動(dòng)態(tài)均壓電路；壓敏電阻R17的兩端分別與IGBT的集電極和發(fā)射極相連；緩沖電路由電阻R14、二極管VD3和電容C9組成；靜態(tài)均壓電路由靜態(tài)分壓電阻R15、R16組成；動(dòng)態(tài)均壓電路由動(dòng)態(tài)均壓電容CIO、Cll組成。緩沖電阻R14的選取要滿(mǎn)足兩個(gè)方面的要求，一方面電阻值要足夠大，以防止緩沖電容和寄生電感之間出現(xiàn)振蕩；另一方面，電阻值要小，以保證電容上積累的電荷在一個(gè)開(kāi)關(guān)周期內(nèi)可泄放90%以上。緩沖二極管VD3應(yīng)當(dāng)選用過(guò)渡正向電壓低、反向恢復(fù)時(shí)間短、反向恢復(fù)特性較軟的規(guī)格。動(dòng)態(tài)電壓的均衡由柵極條件及器件和電路的結(jié)構(gòu)決定。在開(kāi)通和關(guān)斷瞬態(tài)，柵極輔助電路對(duì)先關(guān)斷和后開(kāi)通IGBT的柵極電荷進(jìn)行了調(diào)節(jié)和控制，從而達(dá)到了均壓的目的。為了檢測(cè)過(guò)電壓，在IGBT開(kāi)關(guān)瞬間，動(dòng)態(tài)均壓電容ClO上的電壓應(yīng)保持基本不變，而動(dòng)態(tài)均壓電容Cl I上的電壓應(yīng)盡快跟隨IGBT端電壓的變化，因而動(dòng)態(tài)均壓電容ClO的取值應(yīng)遠(yuǎn)大于動(dòng)態(tài)均壓電容Cll，取值大一百倍以上。本發(fā)明的工作過(guò)程如下
高壓直流電源(50kV)提供的電壓，經(jīng)與其并聯(lián)的儲(chǔ)能電容儲(chǔ)能后，其正極與負(fù)載的一端相連，負(fù)載的另一端與第一個(gè)IGBT的集電極相連，第一個(gè)IGBT的發(fā)射極與第二個(gè)IGBT的集電極相連，以此類(lèi)推，最后一個(gè)IGBT的發(fā)射極再接到高壓直流電源的負(fù)極；STC89C52單片機(jī)輸出的PWM信號(hào)通過(guò)一個(gè)電阻Rl接到光耦TLP250的輸入端，將此信號(hào)進(jìn)行隔離放大之后通過(guò)柵極電阻R3與MOSFET的柵極相連，以控制MOSFET的通斷，此時(shí)MOSFET的開(kāi)關(guān)頻率與單片機(jī)輸出的PWM信號(hào)的頻率相等；直流電源VDD(500V)在MOSFET的開(kāi)關(guān)作用下會(huì)相應(yīng)地在與IGBT相等個(gè)數(shù)的電流互感器初級(jí)的兩端產(chǎn)生大小相等、頻率與MOSFET開(kāi)關(guān)頻率也即STC89C52單片機(jī)輸出的PWM信號(hào)相等的方波；每個(gè)電流互感器都是由一個(gè)初級(jí)和兩個(gè)獨(dú)立的次級(jí)組成，因此每個(gè)電流互感器的兩個(gè)次級(jí)都能產(chǎn)生一定大小、頻率與初級(jí)頻率相等的方波，其中一個(gè)次級(jí)輸出的方波信號(hào)經(jīng)過(guò)電阻降壓和穩(wěn)壓二極管穩(wěn)壓后輸出大小和頻率穩(wěn)定的PWM信號(hào)，此信號(hào)作為驅(qū)動(dòng)芯片EXB841的驅(qū)動(dòng)信號(hào)，多個(gè)串聯(lián)的IGBT在此信號(hào)作用下同時(shí)開(kāi)通和關(guān)斷；另一個(gè)次級(jí)輸出的信號(hào)通過(guò)一個(gè)全橋整流電路和濾波電路之后，可產(chǎn)生恒定大小的直流電壓，此電壓作為驅(qū)動(dòng)芯片EXB841的供電電壓；本發(fā)明最后可產(chǎn)生幅值與高壓直流電源電壓相當(dāng)?shù)母邏好}沖電壓(35kV)，高壓脈沖的正極由多個(gè)串聯(lián)IGBT中最后一個(gè)IGBT的發(fā)射極發(fā)出，負(fù)極由儲(chǔ)能電容的負(fù)極發(fā)出。
用EXB841驅(qū)動(dòng)IGBT時(shí)，芯片6腳通過(guò)VDl和ZDl組成的過(guò)流檢測(cè)電路與IGBT的集電極相連。通常IGBT在通過(guò)額定電流時(shí)導(dǎo)通壓降為3. 5V，一般而言，當(dāng)導(dǎo)通壓降大于3. 5V時(shí)，已超過(guò)額定電流，EXB841的內(nèi)部電路將使3腳的電壓逐步下降，關(guān)斷IGBT，從而保證IGBT的正常工作。
權(quán)利要求
1.一種高壓脈沖電源，其特征在于包括高壓直流電源、儲(chǔ)能電容、STC89C52單片機(jī)、 MOSFET開(kāi)關(guān)電路、多個(gè)IGBT串聯(lián)電路、與IGBT相等個(gè)數(shù)的電流互感器、與IGBT相等個(gè)數(shù)的 IGBT驅(qū)動(dòng)電路和與IGBT相等個(gè)數(shù)的IGBT保護(hù)電路；高壓直流電源提供的電壓，經(jīng)與其并聯(lián)的儲(chǔ)能電容儲(chǔ)能后，其正極與負(fù)載的一端相連，負(fù)載的另一端與第一個(gè)IGBT的集電極相連，第一個(gè)IGBT的發(fā)射極與第二個(gè)IGBT的集電極相連，以此類(lèi)推，最后一個(gè)IGBT的發(fā)射極再接到高壓直流電源的負(fù)極；STC89C52單片機(jī)輸出的PWM信號(hào)依次與MOSFET開(kāi)關(guān)電路和與IGBT相等個(gè)數(shù)的電流互感器相連；每個(gè)電流互感器都是由一個(gè)初級(jí)和兩個(gè)獨(dú)立的次級(jí)組成，并且采用初級(jí)串聯(lián)連接，兩個(gè)次級(jí)獨(dú)立輸出的連接方式，兩個(gè)次級(jí)的輸出都和與IGBT 相等個(gè)數(shù)的各自驅(qū)動(dòng)電路相連；每個(gè)IGBT的驅(qū)動(dòng)電路均有三個(gè)輸出端，第一個(gè)輸出端與各自IGBT的集電極相連，第二個(gè)輸出端與各自IGBT的柵極相連，第三個(gè)輸出端與各自IGBT 的發(fā)射極相連；與IGBT相等個(gè)數(shù)的保護(hù)電路的兩端分別接到各自IGBT的集電極和發(fā)射極。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種高壓脈沖電源，其特征在于，所述STC89C52單片機(jī)、 MOSFET開(kāi)關(guān)電路和與IGBT相等個(gè)數(shù)的電流互感器串聯(lián)電路STC89C52單片機(jī)輸出的PWM 信號(hào)通過(guò)電阻Rl接到型號(hào)為T(mén)LP250的光耦Ul的輸入端2腳，光耦Ul的輸出端6腳通過(guò)柵極電阻R3與MOSFET的柵極相連；與IGBT相等個(gè)數(shù)的電流互感器都是由一個(gè)初級(jí)和兩個(gè)獨(dú)立的次級(jí)組成，并且采取初級(jí)用耐高壓的硅橡膠線(xiàn)串聯(lián)連接，兩個(gè)次級(jí)獨(dú)立輸出的連接方式；初級(jí)串聯(lián)的電流互感器的一端通過(guò)兩個(gè)電阻R4、R5與MOSFET的漏極相連，并接到直流電源VDD的正極，另一端與MOSFET的源極相連，并接到直流電源VDD的負(fù)極；每個(gè)電流互感器的次級(jí)電路連接方法相同，其中第一個(gè)電流互感器的一個(gè)次級(jí)與電阻R6、穩(wěn)壓二極管VSl和電容C4組成一個(gè)回路，并將穩(wěn)壓二極管VSl兩端的電壓作為IGBT驅(qū)動(dòng)芯片 EXB841的驅(qū)動(dòng)信號(hào)，穩(wěn)壓二極管VSl的陰極通過(guò)一個(gè)電阻R12與IGBT驅(qū)動(dòng)芯片EXB841的 15腳相連，穩(wěn)壓二極管VSl的陽(yáng)極與IGBT驅(qū)動(dòng)芯片EXB841的14腳相連，另一個(gè)次級(jí)的輸出與全橋整流電路、LC濾波電路相連，再和可變電阻R8和定值電阻RlO相連，定值電阻RlO 與穩(wěn)壓二極管VS3并聯(lián)，此穩(wěn)壓二極管VS3兩端的電壓作為IGBT驅(qū)動(dòng)芯片EXB841的供電電壓，穩(wěn)壓二極管VS3的陰極與IGBT驅(qū)動(dòng)芯片EXB841的2腳相連，穩(wěn)壓二極管VS3的陽(yáng)極與9腳相連。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種高壓脈沖電源，其特征在于，所述與IGBT相等個(gè)數(shù)的 IGBT驅(qū)動(dòng)電路均采用EXB841作為IGBT的驅(qū)動(dòng)芯片，具有三個(gè)輸出端，第一個(gè)輸出端是芯片EXB841的6腳，通過(guò)過(guò)流檢測(cè)電路與IGBT的集電極相連，第二個(gè)輸出端是芯片EXB841 的3腳，通過(guò)柵極保護(hù)電路與IGBT的柵極相連，第三個(gè)輸出端是芯片EXB841的I腳，直接與IGBT的發(fā)射極相連，IGBT的柵極通過(guò)柵壓限幅電路與發(fā)射極相連。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種高壓脈沖電源，其特征在于，所述與IGBT相等個(gè)數(shù)的 IGBT保護(hù)電路均包括壓敏電阻、緩沖電路、靜態(tài)均壓電路和動(dòng)態(tài)均壓電路；壓敏電阻R17 的兩端分別與IGBT的集電極和發(fā)射極相連；緩沖電路由電阻R14、二極管VD3和電容C9組成；靜態(tài)均壓電路由靜態(tài)分壓電阻R15、R16組成；動(dòng)態(tài)均壓電路由動(dòng)態(tài)均壓電容CIO、Cll 組成。
全文摘要
本發(fā)明公開(kāi)了一種高壓脈沖電源。包括高壓直流電源、儲(chǔ)能電容、STC89C52單片機(jī)、MOSFET開(kāi)關(guān)電路、多個(gè)IGBT串聯(lián)電路、與IGBT相等個(gè)數(shù)的電流互感器、與IGBT相等個(gè)數(shù)的IGBT驅(qū)動(dòng)電路和與IGBT相等個(gè)數(shù)的IGBT保護(hù)電路。本發(fā)明利用STC89C52單片機(jī)輸出的PWM信號(hào)作為控制信號(hào)，調(diào)節(jié)PWM的占空比和頻率，實(shí)現(xiàn)對(duì)IGBT通斷中脈寬和頻率的調(diào)節(jié)；與IGBT相等個(gè)數(shù)的電流互感器都具有一個(gè)初級(jí)和兩個(gè)次級(jí)，采用初級(jí)串聯(lián)連接、次級(jí)獨(dú)立輸出的連接方式，兩個(gè)次級(jí)的輸出分別作為IGBT驅(qū)動(dòng)芯片EXB841的驅(qū)動(dòng)信號(hào)和供電電壓，既可實(shí)現(xiàn)對(duì)每個(gè)驅(qū)動(dòng)芯片的獨(dú)立驅(qū)動(dòng)，又可實(shí)現(xiàn)低壓側(cè)和高壓側(cè)的電隔離。
文檔編號(hào)H02M1/08GK103036469SQ201210531759
公開(kāi)日2013年4月10日 申請(qǐng)日期2012年12月7日 優(yōu)先權(quán)日2012年12月7日
發(fā)明者王劍平, 江婷婷, 余琳, 黃康, 王海軍, 蓋玲 申請(qǐng)人:浙江大學(xué)