电射流高频脉冲电源主电路的仿真与研究

陈朝大 郭钟宁 温亮 陈晓磊 邓宇

摘要：针对电射流掩膜加工工艺对电源的性能要求，提出了高频逆变的解决方案。自行设计高频脉冲电源主电路，通过整流滤波桥式逆变，实现对频率、占空比的调节，利用SimPowerSystems软件建立了仿真模型，对逆变器输出交流电压、逆变器输出交流电流、直流侧电压、直流侧电流进行仿真分析。利用电力电子控制设备搭建了实验平台，对驱动电路的输入输出、逆变电路IGBT的通断控制等进行了实验。实验表明，研制的主电路在高频逆变下能够对负载（灯泡）进行控制，验证了实验装置的合理性和科学性。

关键词：整流;逆变;SimPowerSystems仿真建模

中图分类号：TM8

文献标识码：A

特种加工亦称“非传统加工”或“现代加工方法”，泛指用电能、热能、光能、电化学能、化学能、声能及特殊机械能等能量达到去除或增加材料的加工方法，从而实现材料被去除、变形、改变性能或被镀覆等。电射流加工综合了电解加工和水射流切割加工的特点，是一种新的工艺方法，其机理研究及实验装置平台得到了更高的重视，具有良好的发展前景。制约和限制电射流加工的因素是装置平台及其相关设备，而高性能的电源是掩膜电射流加工领域的重要设备，是提高加工精度和改善表面质量的关键途径。本文对高频逆变电路进行了研究[1-3]。

1 主电路的分析与设计

市电（工频交流电）的电压波动范围小于220±10%V，而电器的承受波动为15%，基本能满足要求。高压脉冲电源主电路流程图如图1所示。

交流电经过LC滤波器，滤除纹波，满足EMI的需求。采用LC滤波电路对交流电源进行EMI滤波，主要是消除电源过来的电磁干扰，同时也是消除开关电源对外面电源的干扰。开关电源属于非线性高频电路，工作时会产生高频干扰，LC滤波的作用就是为了防止这些干扰串人供电网络形成电源污染，影响供电线路上其他电器设备的正常运行。

整流滤波后，电压的波形为接近原波形峰值的微小波纹的直线，电压值会有所提高。电容滤波时，充放电缓慢，保证了电压的输出接近交流波形的峰值。经过桥式逆变得到需要的方波，通过控制电路实现调频调占空比，通过升压电路实现调压。使用Altium公司的EDA设计软件Protel DXP对电路进行设计，电源主电路设计图如图2所示[4-5]。

交流一直流（AC-DC）变换电路称为整流器，能够将交流电能转换为直流电能。本文采用不可控整流电路经电容滤波后提供直流电源，供后级的逆变器使用。

如图2所示，整流二极管D1 -D4（RURG50120）在u2正半周期过零点至ωt=0期间u2d

在IGBT导通之后，若将栅极电压突然降至零，则沟道消失，通过沟道的电子电流为零，使集电极电流有所下降，但由于N-区中注入了大量的电子和空穴对，因而集电极电流不会马上为零，而出现一个拖尾时间。SG3525产生2路频率相等方向的波形经驱动电路M57962模块送单相全桥逆变电路的QIQ4和Q2Q3，一路信号控制GIG4，另一路控制信号控制G2G3。SimPowerSystems仿真模型如图3所示。

把DC Voltage Source直流电压设置为300V，选择Ideal Switch组成全桥电路，选择串联PLC支路模块，去掉电容后把电阻和电感分别设置为lΩ和2mH。主电路的仿真模型搭建后再来构造控制部分，Pulse Generator接Ideal Switch和IdealSwitch3的栅极g，即完成图2对桥路GIG4这组的控制，Pulse Generatorl接Ideal Switchl和IdealSwitch2的栅极g，即完成图2对桥路G2G3这组的控制。因为Pulse Generator和Pulse Generatorl分别对应SG3525的11脚OUTA和14脚OUTB，而SG3525的11脚和14脚两个端口的信号是同频反向对称信号，一路信号对应一个桥路，正好实现单相全桥控制。

构建完成波形观测及分析。把逆变器输出交流电压、逆变器输出交流电流、直流侧电压、直流侧电流接Scope进行仿真，仿真波形如4所示[9-10]。

利用MATLAB/SimPowerSystems仿真，如图4所示。逆变器输出的交流电压为正负300 V的方波电压，周期与驱动信号同为50 Hz。直流侧电压为300 V的直流输入电压。逆变器输出的交流电流和直流电流的波形由阻感负载的特性所决定。

直流电流为负的期间，电流通过反并联二级管流向电源，负载电感的磁场储能向直流母线馈送;直流电流为正的期间，电流通过IGBT流向负载。由图3可知，逆变器输出的交流基波电压幅值为380.7 V，与公式（4）中的理论值381.9 V相符。可见，单相方波逆变器输出电压的基波幅值大于直流电压，其电压利用率较高。3实验测试分析

交流电0～220 V经过单相全桥整流滤波电路后，得到电压的波形为接近原波形峰值的微小波纹的直线，即0～311 V的直流电。再经过单相全桥方波IGBT逆变电路，输出电压为0～311 V交变方波。利用SG3525集成PWM芯片可调电阻和分段电容的级联技术，实现了频率的连续可调，其范围7IHz-68.5 kHz，达到了相应的技术要求。SG3525的OUTA和OUTB信号信号经过M57962芯片，产生单相全桥需要的控制信号（尖峰脉冲），控制信号接IGBT驱动电路的g极（珊极），实现对IGBT的通断作用。

M57962是三菱电机为驱动IGBT模块而设计的厚膜集成电路，在驱动模块内部集成了2500 V的隔离高电压的光电耦合器，过流保护电流和过流保护端子，具有封闭性短路保护功能。使用Altium公司的EDA设计软件Protel DXP对电路进行设计，驱动电路圖如图5所示。

如图5所示，M57962L的引脚14接PWM信号输入（由SG3525模块的outA产生）形成前级，图中G1、C1、E1分别接IGBT管的栅极G、集电极C、发射极E。利用图5的实验平台装置，设定好参数，使用示波器测试引脚14和G1信号，测得波形如图6所示。

由图6可得，SG3525的PWMA频率波形接M57962L的引脚14，=47.59 kHz，D=50%。经驱动电路得G1的信号输出波形，频率f=48.56 kHz，占空比D= 50%。信号经过驱动电路后，产生了驱动IGBT管所需要的尖峰脉冲，但是频率和占空比基本保持不变，测试信号符合预期，能够实现IGBT的开通和关断，负载（灯泡）亮灭。

4 结论

采用不可控整流电路经电容滤波后提供直流电源，经过桥式逆变得到需要的方波，通过控制电路对单相全桥逆变器调节，实现调频调占空比，并能够调电压均值。通过升压电路真正实现调电压大小（峰值）。建模仿真及实验装置验证均表明，该方案切实可行。

由于IGBT的开关特性和安全工作区随着栅极驱动电路的变化而变化，因而驱动电路性能的好坏将直接影响IGBT能否正常工作，优化驱动电路将在下一阶段的工作中深入研究。

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