基于感应叠加原理的充电电源初步研究

马 勋 ， 李洪涛

（1.中国工程物理研究院 流体物理研究所，四川 绵阳 621900；2.中国工程物理研究院 脉冲功率科学与技术重点实验室，四川 绵阳 621900）

基于感应叠加原理的充电电源初步研究

马 勋1，2， 李洪涛1，2

（1.中国工程物理研究院 流体物理研究所，四川 绵阳 621900；2.中国工程物理研究院 脉冲功率科学与技术重点实验室，四川 绵阳 621900）

高功率转换开关是限制大功率高压脉冲调制器重复运行频率的关键因素。为避免高功率转换开关的使用，开展了基于感应叠加原理的高压充电电源初步研究。建立了构成感应叠加充电电源基本单元的脉冲变压器调制电路的数学模型，确立了变压器磁芯截面的设计原则，以IGBT作为调制器的转换开关，开展了2级感应叠加充电电源的初步实验研究。实验表明与单元脉冲变压器输出电压相比，升压系数接近2，波形没有发生畸变。

高压电源；感应叠加技术；脉冲变压器；IGBT

在脉冲功率技术领域，获得高压脉冲的常见方法是Marx发生器和脉冲变压器。前者的基本原理是大量电容器以并联方式充电，以串联方式放电，所需器件数量较多，维护困难[1-2]；后者以磁场能的方式将初级储能电容的静电能传递给负载，并实现升压，具有结构紧凑，可与高压单元电气隔离的优点[3]。

基于脉冲变压器的升压脉冲调制电路的关键部件之一是大电流转换开关，大电流开关的低重复运行频率限制了充电电源的重复运行频率[4-5]。本文基于感应叠加原理，以高重频半导体功率器件替代大电流开关，以功率合成的方式实现高压重频充电电源。

1 基本理论

基于感应叠加原理，由IGBT和脉冲变压器为基本组件的高压充电电源原理如图1所示。

图1 感应叠加原理电路Fig.1 Scheme based on inductive adding technology

借鉴了感应加速器的原理，采用多个功率单元组合，每个单元采用1～2只IGBT开关驱动一个脉冲变压器，脉冲变压器的初级可以是1匝，也可以是多匝，每个单元的次级产生升压高压脉冲。输出电压是所有次级单元电压的叠加，输出电流与每个单元的初级电流相同。由于脉冲变压器的隔离作用，每个单元IGBT的发射极共地，绝缘设计容易。该电路实现高重频运行的关键是以多个IGBT组件代替单个的大电流开关，如氢闸流管，气体火花开关等。

脉冲变压器是系统的关键单元。为了分析简便，不考虑脉冲变压器的磁芯损耗及线损，只考虑无损电路，电路原理如图2所示。

图2 无损电路分析Fig.2 Circuit of the transformer operation

C1是初级储能电容，充电至 V0，C2是负载电容，L1，L2，M，k分别表示空芯变压器的初、次级电感、互感、耦合系数，有[6]：

t

在满足初、次级调谐，即ω1=ω2时，可以获得最大的能量转换效率，脉冲变压器次级输出电压和初级电流波形如图3。可见，当次级电压达到峰值时初级回路电流为0，理论上此时能量转换效率为100%，且IGBT关断电流为0，可有效减少由于IGBT引线电感引起的感应尖峰电压，避免IGBT损坏。波形没有发生振荡是因为仿真时在次级引入了硅堆。

图3 脉冲变压器输出电压和初级回路电流模拟Fig.3 Output voltage and primary loop’s current of pulse transformer

磁芯是脉冲变压器的主要组成单元。磁芯的截面积为：

其中V为加载在磁芯上的电压；t为加载时间；ΔB是一次励磁过程磁感应强度B的改变量。磁环尺寸由功率指标、高压绝缘设计等因素确定。要求磁环的饱和磁感应强度Bs和磁导率μ值高、温度及频率特性好，适合脉冲工作。Bs大小直接决定磁环尺寸，是一重要指标。传统脉冲变压器多采用薄硅钢片、铁氧体磁芯等，前者损耗大，不适合产生快速脉冲；后者工作磁感应强度低、居里点低、体积大。新磁性材料的出现给脉冲变压器设计提供了新的选择，如非晶合金、纳米晶等。

其他关键技术包括大功率IGBT同步、保护和驱动。每级充电电源的IGBT发射极接地，减少了对IGBT触发电路的电磁干扰，也避免了触发电路的浮地设计，同时使得各级IGBT可以使用同一个触发信号，避免因触发信号的抖动对开关同步性产生影响。为避免开关关断时因电感效应产生的尖峰电压对IGBT造成损坏，在IGBT集电极和发射极间并联60APU02快响应二极管以及RCD缓冲网络保护电路。

对河北省农村文化消费进行分析，其消费额相对较低，多数乡镇农村文化消费模式十分单一，基本上应用在文化消费上的是教育方面的开支。例如居民在文化娱乐享受方面开支不高。此外，农村文化消费的主要对象是电视、网络等方面，书报方面的消费少之甚少[1]。

为了使各级IGBT快速导通，并具有较低的抖动，驱动电路应满足条件[7]：1）动态驱动能力强 ，能为IGBT栅极提供具有陡峭前后沿的驱动脉冲；2）提供足够大的瞬态功率和瞬时电流，使IGBT迅速建立栅控电场而导通；3）输人输出信号传输延迟小；4）足够高的输人输出电气隔离性能，使信号电路与栅极驱动电路绝缘；5）具有灵敏的过电流保护信号。

驱动IGBT的信号由2SD315A产生，2SD315A作为一种适用于中、大功率IGBT的驱动器，输出驱动峰值电流达到15 A，具有双极性控制电压（±15 V）的栅极驱动，至少100 kV/us的共模抑制比，电气隔离特性突出，抗干扰能力强。其内部结构如图4所示。

图4 2SD315A的内部结构Fig.4 Inner configuration of 2SD315A

由2SD315A的内部结构图可以看出，其双极性控制电压使得任何规格的IGBT模块都能可靠地运行，驱动器中使用脉冲变压器，提供了最小的延迟时间、无老化效应、最高的使用寿命和能够获得所希望的隔离电压。通过驱动器回路的延迟时间大约为300～350 ns，正负边缘对称延迟，确保多路驱动无偏移运行。

2 实验与讨论

开展了2级感应叠加脉冲充电电源的初步实验。设计的脉冲变压器初级为3匝，次级80匝，采用25 kV耐压的高压导线绕组而成。脉冲变压器以非晶材料（1K101）为磁芯，截面积约6 cm×10 cm，以聚四氟乙烯薄膜作为磁芯绝缘层。使用IGBT作为转换开关。IGBT实验电路如图5所示。

图5 感应叠加电源实验电路Fig.5 Experimental circuit based on inductive adding technology

图中，C0为初级储能电容，100 μF；C1，C2为变压器中储电容，6 μF；CL为负载电容，100 nF。C0通过充电电感 L 对 C1，C2进行串联谐振充电，充电的同时对脉冲变压器磁芯复位，因此该电路不需要额外的磁芯复位电路。

脉冲变压器调制电路单元实验，在100 nF负载上获得的输出脉冲和变压器初级绕组电流如图6所示。

图6 脉冲变压器单元实验波形Fig.6 Experimental waveform of single transformer

初级电容电压为200 V，充电时间约 12 μs，脉冲变压器单元实验输出电压为7.3 kV，初级电流峰值为130 A。当达到峰值电压时，变压器初级回路电流并不为0，说明脉冲变压器并没有工作在可以获得最大能量转换效率的调谐状态，需要在初级或次级回路增加调谐电感。在约17 μs时IGBT关断，接近20 μs时CL对负载放电。

对脉冲变压器单元和感应叠加后获得的充电电压波形如图7所示。

可见感应叠加充电电源输出峰值15.0 kV，电压升压系数1.94，且波形与单元实验相比没有发生畸变。

3 结 论

图7 脉冲变压器单元和感应叠加电路输出电压对比Fig.7 Output voltage of single and double pulse transformers

以半导体开关替代传统的气体、液体开关，发展全固态脉冲源是脉冲功率技术的重要发展方向。采用半导体开关的高压电源具有使用寿命长，重复频率高，运行稳定，容易控制，维护简单等优点，但单只器件的功率容量有限。利用感应叠加原理升压，使多个开关同步闭合，实现各单元的功率合成是实现重频高压源的可行技术途径。各个脉冲变压器调制电路的转换开关采用共地设计，可使用同一触发驱动脉冲，有效降低开关抖动，实现高的升压系数。

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Development of power supply based on inductive adding technique

MA Xun1，2， LI Hong-tao1，2
（1.Institute of Fluid Physics， CAEP， Mianyang 621900， China；2.Pulsed Power Key Laboratory， CAEP， Mianyang 621900， China）

Switches capable of conducting high current and holding off high voltage were most key factor which affects repetitive rate of pulsed power supply.To avoid utilizing high power gaps，it is necessary to study inductive adding technology.Established the math model of pulse transformers which are basic cells of inductive adder，explored the means of designing magnetic core’s cross area， and selected IGBT as switches of transformer primary loops.Experimental results show the adder coefficient is close to 2，the diversity of output waveform is insignificant compared to single transformer circuit.

high power supply； inductive adding technology； pulse transformer； IGBT

TM836

A

1674－6236（2013）04-0116-03

2012-10-23稿件编号201210148

国家自然科学基金资助课题（50837004）；国家自然科学基金青年基金项目（51207147，51007085）；中国工程物理研究院科学发展基金项目（2012B0402054，2011B0402010）；中国工程物理研究院流体物理研究所发展基金（SFZ20110202）

马 勋（1981—），男，四川金堂人，博士研究生，工程师。研究方向：脉冲功率技术。