固体开关式高压脉冲电源的研制

论文摘要

脉冲功率技术已经在军事武器、等离子体发生器和环境保护等领域得到了广泛的应用,近年来也成为诸多国家研究的热点。由于目前现有的开关器件特性很难满足高压输出的要求,因此对于高压脉冲电源的研究主要集中在电源部分电路的拓扑结构上,也就是通过开关器件的串、并联来提高脉冲电源的输出电压等级。但是,采用这种方法的同时会引起开关不同步、控制困难、电压不均衡、波形不稳定等问题,因此,怎样合理设计脉冲电源的拓扑结构使得固体开关满足同步驱动、均压的输出要求,并得到稳定输出的波形是本文研究的核心问题。本文结合电力电子技术和脉冲功率技术,研制了一种基于IGBT串联的固体开关式高压脉冲电源。针对电源输出特性,设计了一种IGBT串联结构的固体脉冲调制模块,使脉冲电源有良好的扩展性和延展性,实现了电源的模块化；为了解决串联IGBT在工作中出现的电压不均衡问题,建立了串联IGBT的均压电路；设计了一种由同一PWM脉冲控制的结构简单的同步驱动电路,通过脉冲隔离变压器实现对IGBT的高压隔离驱动,实现了输出脉冲的同步性。本文研制的脉冲电源最高输出脉冲幅值为20kV,最高输出脉冲电流为25A,脉冲重复频率范围为1～20kHz,脉冲宽度为1μs～20μs,脉冲上升时间小于600ns。该系统通过测量电路的测试,达到了期望的输出指标,运行稳定,能够产生电压幅值在1～20kV连续可调的高频脉冲,脉冲宽度为1μs～20μs。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 1 绪论
• 1.1 脉冲功率技术的发展及应用
• 1.1.1 脉冲功率技术在净化工业废气中的作用
• 1.1.2 脉冲功率技术在气体放电中的应用
• 1.1.3 脉冲功率技术在液体食品杀菌中的应用
• 1.2 固体开关式高压脉冲电源的研究概况
• 1.2.1 脉冲电源的主要类型及特点
• 1.2.2 固体开关式脉冲源的基本原理
• 1.2.3 脉冲功率领域固体开关的研究现状
• 1.3 论文研究内容
• 2 系统整体结构与主电路设计
• 2.1 高压脉冲电源的整体设计原则及结构
• 2.2 高压脉冲电源主电路的设计
• 2.2.1 主电路结构
• 2.2.2 斩波调压电路
• 2.3 逆变电路的设计
• 2.3.1 逆变主回路的选择
• 2.3.2 功率开关元件的选择
• 2.3.3 IGBT的基本结构和工作原理
• 2.3.4 缓冲回路的设计
• 2.3.5 主回路电容与电阻的选择
• 2.4 逆变变压器的设计
• 2.4.1 影响变压器设计的因素
• 2.4.2 磁芯的选择
• 2.4.3 逆变变压器的参数计算
• 2.5 本章小结
• 3 固体脉冲调制模块的设计
• 3.1 固体脉冲调制模块的基本结构
• 3.2 IGBT的串联均压研究
• 3.2.1 影响IGBT串联运行的因素
• 3.2.2 串联IGBT的动态均压
• 3.3 固体脉冲调制电路
• 3.4 本章小结
• 4 固体开关的控制电路设计
• 4.1 脉宽调制（PWM）控制电路的设计
• 4.1.1 TL494的主要特性及工作原理
• 4.1.2 TL494内部结构分析
• 4.1.3 TL494引脚及功能分析
• 4.1.4 PWM控制电路的设计
• 4.2 驱动电路的设计
• 4.2.1 IGBT对驱动电路的基本要求
• 4.2.2 驱动电路的选择
• 4.2.3 驱动电路结构
• 4.2.4 脉冲隔离变压器的设计
• 4.2.5 IGBT对栅极电阻的要求
• 4.3 保护电路设计
• 4.4 本章小结
• 5 测量系统的建立与结果分析
• 5.1 IGBT栅极驱动电压波形
• 5.2 高压脉冲电源输出特性与分析
• 5.3 本章小结
• 总结
• 参考文献
• 附录 实物图
• 攻读硕士学位期间发表学术论文情况
• 致谢