[发明专利]IGBT串联型高压脉冲发生器

说明书

技术领域

本发明涉及一种高压脉冲发生器，尤其是涉及一种IGBT串联型高压脉冲发生器。

背景技术

脉冲功率技术是一种将存储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的技术，目前广泛应用在雷达发射机、高压脉冲电场杀菌、绝缘材料电脉冲破碎等一系列军工、能源、材料、生物领域。实现这一技术的关键是设计高压、大功率的高压脉冲发生器。产生高压脉冲大致有两条途径：一是由相对较低的直流电电逆变成低压脉冲，然后经脉冲升压器得到高压脉冲；另一种是由高压直流电源供电，利用脉冲储能电容储能，然后通过高压开关将其变为高压脉冲。由于大功率的高压脉冲升压器较难研制，价格昂贵，且一旦出现故障难以维修，因此第一种方法适合小功率应用；第二种方法直接由高压直流电源提供电压，而高压直流电源的研究技术已经非常成熟，且很容易实现高压、大功率，因此适合于大功率应用场合。然而第二种方法需研制能承受高压、大功率的开关。早期一般采用真空开关、气体开关、闸流管等开关，但这些开关使用寿命短、开关速度慢、可控性差，因此限制了脉冲功率技术的发展。

随着电力电子技术的发展，一些新型的半导体开关被逐渐应用到脉冲功率技术中，绝缘栅极双晶体管（Insulated Gate Bipolar Transistor--IGBT）就是其中一种。IGBT是由BJT(双极型三极管)和MOS(绝缘栅型场效应管)组成的复合全控型电压驱动式功率半导体器件，具有驱动方式简单，开关速度快，电压、电流容量高等优点。但是在这些电压高达数千至数十千伏的脉冲功率技术应用中，即使是目前电压等级最高的6500 V IGBT也无法满足，且电压等级越高，IGBT价格也越高，因此需将IGBT串联连接。

然而，由于IGBT串联组件在开关过程中因开关动作的时间不一致，易出现电压分配不均，导致IGBT的多级串联非常困难。对此研究者提出了多种解决方法：可分为针对IGBT栅极驱动信号同步性的栅极驱动控制，和针对IGBT功率端电压平衡的动态均压。前者主要通过一个具有纳秒级响应速度的监控电路来实现对每只IGBT驱动信号的闭环控制，控制精度高，电路结构复杂。因此，研究可靠、实用的IGBT多级串联方法具有重要的意义。

发明内容

本发明的目的在于提供一种IGBT串联型高压脉冲发生器，利用该电路能够实现64个IGBT串联的高压固态开关，通过控制该固态开关的开关状态，能输出50kV的高压脉冲。

为实现上述目的，本发明采用的技术方案是：

本发明包括高压电源、储能电容、PLC、整流电路、滤波电路、高频功率MOSFET全桥逆变电路、功率MOSFET驱动电路、串联磁环隔离电路、16路独立的隔离电源次级电路、16路相互串联的IGBT串联电路、光纤隔离电路、PWM放大电路、16路相互独立的故障输出电路、光纤反馈电路。高压电源提供的电压，经储能电容储能后通过16路相互串联的IGBT串联电路后输出高压脉冲；PLC产生PWM控制脉冲，依次接PWM放大电路、光纤隔离电路后，驱动16路相互串联的IGBT串联电路；市电经整流电路、滤波电路后变成直流电，再依次接高频功率MOSFET全桥逆变电路、串联磁环电路、16路相互独立的隔离电源次级电路后，输出16路相互独立的24V直流电给16路相互串联的IGBT串联电路供电；功率MOSFET驱动电路与高频功率MOSFET全桥逆变电路相连，驱动4个功率MOSFET；16路相互串联的IGBT串联电路产生的故障信号经16路相互独立的故障输出电路、光纤反馈电路后输入PLC。

所述的整流电路采用1个大功率整流桥进行整流，进而连接滤波电路；滤波电路采用两个电容进行滤波，进而连接高频MOSFET全桥逆变电路；高频MOSFET全桥逆变电路采用4个功率MOSFET组成全桥结构，而后连接串联磁环隔离电路；功率MOSFET驱动电路由芯片SG3525发出控制信号，驱动两个芯片IR2110，两个IR2110产生4路驱动脉冲分别与高频MOSFET全桥逆变电路的4个MOSFET的栅极和漏极相连；高频磁环隔离电路所用磁环为16个铁基纳米晶磁环，用耐压60kV的硅橡胶绝缘线将16个铁基纳米晶磁环的初级串联起来，16个铁基纳米晶磁环的次级分别用耐压3000V以上的导线环绕后接入辅助电源电路，每个铁基纳米晶磁环的初级绕2圈，次级绕4圈；16路独立的隔离电源次级电路分别与16个高频磁环隔离电路的次级相连，每个隔离电源次级电路通过电源芯片LM2576-ADJ将输出电压调整为24V，输入IGBT串联电路；16路独立的IGBT串联电路的电源输入端分别与16路独立的隔离电源次级电路输出端相连。