多级谐振充电的Marx脉冲源研究

傅一钊,李 孜

(上海理工大学 机械工程学院,上海 200093)

近年来,高压脉冲电源被广泛应用于食品杀菌[1-2]、空气净化[3-4]和低温等离子体产生[5-7]等领域。随着研究深入,脉冲发生器的研制面临高电压、双极性[8]、高效率和易集成等新要求[9]。固态Marx脉冲发生器因为具有结构简单[10]、可模块化和便于控制等优点,已成为高电压、双极性脉冲生成方式的首选。

基于此,本文描述了一种基于全固态Marx结构的脉冲功率发生器,其特点是采用高频谐振电源经变压器,同时对多组Marx发生器进行充电,随后通过触发开关管动作,最终使多个Marx发生器串联放电产生脉冲。利用谐振充电电路给储能电容充电已经被广泛运用于脉冲电源领域,相比于直流充电的脉冲发生器具有低开关损耗、高功率密度的优点,在国内外均有相关研究[11-13]。文献[14]尝试采用LCC串并联谐振变换器作为充电回路给Marx发生器供电。本文采用的多级谐振充电源与谐振充电电路的不同之处在于其通过使用多个磁环变压器代替大体积的单一变压器,该结构既保留了串联谐振充电电路的优点,又可将单一极性的Marx发生器拓扑灵活运用,输出任意极性的脉冲,提高了电能的利用效率,充电回路与放电回路的隔离也提高了电源稳定性。

1 多级谐振充电Marx发生器

本文设计的脉冲电源系统结构主要由串联谐振充电源、Marx脉冲发生器和控制系统3部分组成。控制系统采用的可编程逻辑门阵列(FPGA)具有良好的抗干扰能力,其信号不易受到干扰。控制FPGA产生信号分别传递给串联谐振充电源与Marx脉冲发生器,控制谐振充电源的全桥开关进行谐振和脉冲发生器的充放电。串联谐振充电源进行谐振后通过多个高频磁环变压器分别对多组Marx发生器的各级储能电容并联充电。FPGA产生的信号通过隔离放大后传递给Marx脉冲发生器,发生器充电完成后,信号传递给放电开关进行放电,产生高压矩形脉冲。

1.1 脉冲发生器主体设计

脉冲发生器主体包括谐振充电源、Marx发生器与控制系统3部分。图1为采用多级谐振电源充电策略的全固态Marx脉冲发生器,该结构由全桥串联谐振充电电源﹑串心磁环变压器、全桥整流电路﹑Marx发生器和负载组成。

图1 多级谐振充电结构的Marx脉冲发生器Figure 1. Marx pulse generator with multistage resonant charging

多级谐振充电的Marx发生器可通过调整Marx模块之间的连接方式与负载连接的位置来实现对负载产生不同的脉冲输出。图2(a)为多级谐振充电的单极性Marx发生器原理,图2(b)为多级谐振充电的双极性Marx发生器原理。其中,Scn是充电管,Sdn是放电管。在两组开关管正常工作时预留出一定的死区时间交替导通。在放电时,每组发生器输出端连接到下一组第一级电容处,从而在放电阶段将电压进行叠加。

(a)

由于存在磁环变压器,多级谐振充电的脉冲发生器各级器件的对地分布电容不同,导致各磁环副边的充电电容负载存在差异,并且所有磁环均共用一个原边充电,因此折算到原边的各级单元充电电容负载也不同。电容负载的差异影响充电电压分配,最终导致各级单元储能电容充电电压不一致。如图2(a)所示的正负叠加型的单极性Marx发生器电路的对称结构可以减少这种差异。若要进一步减少级间压差,可以采用均压绕组进行电压平衡。同时,该结构可通过调整Marx模块和负载的连接方式更改输出脉冲的极性。

图2(b)所示的多级谐振充电型双极性Marx发生器电路也是对称结构,Marx发生器由两组正极性Marx脉冲发生器构成。两组Marx发生器的输出端B与D分别接在负载两端交替放电产生双极性脉冲。两组正脉冲Marx发生器的低电位点A与C相连并接地。该结构充电回路与正负叠加的单极性Marx发生器类似,区别在于在放电时单极性脉冲发生器为两组Marx同时放电,双极性脉冲发生器为两组Marx交替放电。当双极性脉冲发生器其中一组放电时,另一组处于充电状态,充电管全部导通,放电组电流经负载与充电组充电管回到接地端。

1.2 驱动设计

本文Marx发生器的驱动方案采用脉冲变压器隔离驱动。该驱动方案将FPGA输出的信号通过半桥驱动电路进行功率放大,并通过串心磁环变压器将信号传递给Marx发生器驱动,在传递信号的同时提供驱动所需电压。

FPGA信号经过采用TLP250光耦隔离芯片的半桥驱动电路放大后输出变压器原边,通过串心磁环传递到发生器的每一块Marx模块上。考虑到成本和体积,将单块PCB板设计为四级Marx拓扑,含有4个充电开关管和4个放电开关管,如图2所示,开关管分别由2个充电磁环2个放电磁环控制驱动。磁环副边通过双MOS电路将信号转化为驱动信号与功率,不需要额外电源提供开关的驱动电压[15]。如图3所示,Cq1的快速充电并维持能够为开关Q1提供驱动快关所需的正向电压直至后续到来负压信号,电压伏值取决于正向稳压管。

图3 驱动方案结构Figure 3. The structure of driving scheme

1.3 充电源设计

多级谐振充电源包括谐振充电源以及串心磁环变压器两部分。多级谐振充电源通过全桥串联谐振电源进行谐振,并通过串心磁环变压器将谐振电源产生能量传递给负载。充电源的好坏直接影响Marx脉冲发生器输出电压,因此充电源对于脉冲发生器整体是较重要的一环。

1.3.1 串心磁环变压器

串心磁环变压器本质是一种高频变压器,磁芯是重要组成部分,决定了变压器的重量、体积以及工作范围等指标,必须防止磁芯饱和来避免信号源发生短路,因而选取合适的磁芯材料及规格是设计变压器的关键一步[16]。

综合谐振充电源的工作频率与成本等因素并考虑到发生器整体大小与预留尺寸,本文选用实验室常用磁芯截面积尺寸为38 mm×19 mm×13 mm的Mn-Zn铁氧体材料磁环。同时,为避免磁环饱和,需要根据伏秒积计算式与目标电压计算匝比[17]。

Utpulse=SnΔB

(1)

取tpluse为6.25 s,充电电压需留一定裕度取,故本文取550 V,代入式(1)可求出副边匝比n为86.98,取整后为90匝。考虑到谐振器件产生的杂散参数影响并保留一定裕度,取原副边匝数比为3∶90,即变比为1∶30,可保证变压器在达到充电需求时不会饱和。

原边电感实测为736.72 H,漏感为5.84 H。原边绕组选用高耐压12 AWG导线,副边绕组选用直径为1 mm的漆包线绕制。

1.3.2 谐振充电源

(2)

I′=3×N×I=2.1

(3)

其中,I为单组副边电流;I′为原边电流;Vdrop为放电总压降,约为7 kV;N为变压器变比。实测变压器漏感为5.84 μH,取漏感作为谐振电感Lr,谐振电容Cr为0.68 μF,谐振电流平均值代入得到

(4)

其中,Irp为峰值电流,求得电流平均值为10.71 A。电流平均值明显大于所需电流,满足设计需求。

2 仿真

使用PSpice软件对多级谐振充电结构进行仿真。使用自带库中IGBT开关,变压器采用自带理想变压器模组,并使用电感模拟漏感等参数。

图4为全桥串联谐振电路的仿真原理。其结构为全桥串联谐振,谐振电感和谐振电容分别为L7(5.8 μH)与C29(0.68 μF),开关频率设置为40 kHz,脉宽设置为6.25 μs,直流源充电电压为90 V。

图4 全桥串联谐振充电源原理Figure 4. Principle of the full-bridge series-resonant charging source

图5为谐振充电源仿真电流波形。在放电结束后,在充电初始阶段,谐振电流正向峰值以较快速度不断增加,此时为谐振充电源的负载电压,即Marx发生器储能电容电压线性增加阶段。随后,谐振电流峰值达到最大并进入非线性阶段。在该阶段,谐振电流峰值相较于第一阶段缓慢下降,储能电容电压缓慢地非线性增加。

图5 谐振充电源的电流的仿真波形Figure 5. Simulation waveform of the current of resonant charging source

图6中的虚线波形分别为正、负两组储能电容的充电电压波形,实线波形为负载上的输出电压波形。通过图6可以看出,储能电容电压充电的两个阶段与电流波形图相对应。在输出窄脉宽时,由于消耗能量少,储能电容上的电压接近充满电时的电压,放电结束后进入缓慢充电阶段。在输出宽脉宽时,由于消耗能量较多,放电结束后先进入线性充电阶段。

(a)

图7为双极性Marx脉冲发生器主体的仿真原理,分为6组Marx通过软件自带理想变压器与谐振充电源耦合,每组8级,其中3组构成正脉冲发生器,另外3组构成负脉冲发生器。忽略开关的驱动电路设计,使用软件自带的脉冲源代替,脉冲发生器设定放电频率为1 kHz。

图7 双极性Marx脉冲发生器仿真Figure 7. Simulation of bipolar Marx pulse generator

3 实验结果与分析

3.1 实验准备

本文将调节输入电压、脉宽、正负脉冲时间间隔,对正负叠加型单极性Marx发生器及双极性Marx发生器进行性能测试和实验分析。48级双极性Marx发生器实物如图8所示。两组Marx发生器各自包含3个磁环,每个磁环带8级Marx,正负各24级。将正负叠加型单极性Marx发生器改装成双极性Marx发生器,只需要改变接地位置,将其中一组Marx发生器的3个磁环正负调换以及改变脉冲源的开关时序。正负叠加型单极性Marx发生器简称为单极性Marx发生器。

图8 多级谐振型Marx脉冲源实物Figure 8. Physical of bipolar Marx pulse source

直流电源使用汉晟普源的1 kW系列可编程稳压电源,可以最高输出1 000 V,1 A。在整个系统性能测试中使用Tektronix DPO2014示波器、Tektronix TPPO201低压探头、Tektronix P6015高压探头和PINTECH DP-50差分探头记录电压波形。

每个Marx发生器使用C2M0080120D SiC MOSFET、0.1 F无极性陶瓷电容器、DSEP12-12二极管。充电回路中设置有每级6.8 Ω的限流电阻。

3.2 实验测试结果

为了验证其输出电压脉冲参数可调的性能,在1 kHz重频模式下进行单、双极性脉冲发生器的空载实验。

图9为不同输入电压下单极性Marx发生器的电压输出波形。图10为不同输出脉冲脉宽下单极性发生器的电压输出波形。随着输出电压升高以及脉宽增长,脉冲顶降变得更明显。

(a)

根据图9和图10可以看出,输出电压最高可以达到正极性30 kV,负极性-30 kV,且可通过调节输入电压来调节输出,同时输出脉宽可以在1～10 μs内调节。

图11为利用示波器的Math工具对两个电压进行差分计算得到负载上的实际电压波形。

(a)

在空载状态下,在理论计算输入电压为114 V时,变压器饱和,在实际输入电压为121 V且输入电流为0.702 A时,变压器饱和,谐振充电源无法通过变压器向脉冲发生器传输能量,此时脉冲发生器输出脉冲为±17.8 kV,弛豫时间约为0.2 μs。在该状态下,输出电压波形平稳,正负极性输出电压伏值相差不大。

在50 kΩ电阻负载上实验,实测的极限值为直流源输入电压137 V,输入电流为1 A。输入电流包含磁环变压器的负载电流与励磁电流,负载电流过大,与励磁电流相加超出直流电源输出最大电流1 A而被钳位,但此时变压器还未饱和。双极性脉冲源输出的最大电压为13.3 kV,弛豫时间约为0.2 μs,如图10(b)所示。当脉冲发生器负载为50 kΩ阻性负载时,输出脉冲出现顶降。负极性脉冲放电完成后并不影响正极性脉冲放电。

3.3 结果分析

Marx脉冲发生器作为脉冲功率技术的一种应用,将能量存储压缩并转换于短时间内释放从而产生高压脉冲。分析Marx脉冲发生器效率,可分为3部分:充电部分效率、放电部分效率以及脉冲源的整体效率。多级谐振充电源提供的能量大部分能够传递到放电输出脉冲,损耗主要有磁环变压器损耗、主放电回路的MOSFET管和限流电阻上的损耗。实验室现有差分探头耐压受限,难以测得储能电容的电压,因此只能计算出整体脉冲源的效率,并估算放电效率。

采用直流源充电的方式,在充电阶段充电回路中二极管、MOSFET开关等功率器件的导通压降引起充电电压损失,随着级数增多功率器件的数量也会随之增加,因此最后一级充电电容的电压与第一级的差值增大,导致输出电压比预期值小。而多级谐振电路与之相比,受器件压降等问题影响较小,在同样的输入电压下可以获得更高的输出电压。

定义λ为放电部分的电能利用效率,则谐振充电方式的能量效率为

(5)

其中,n为每组发生器级数;Vd是半导体器件导通压降;Vin为发生器输入电压。

由于多级谐振具有更小的Vd,所以电能利用效率较直流高,在相同充电电压下具有更高的电压输出。

对图11(b)中的脉冲输出电压Vo进行时间积分,可知在一个放电周期释放在电阻负载上的能量约为

(6)

脉冲源的输入为137 V、1 A的直流,可算出一个周期内的能量为137 mJ,则输入功率Pin为

Pin=fEin=137

(7)

整体效率为

(8)

由式(8)可以看出,其整体效率并不高,主要是实验中谐振充电源消耗占比较大,具有一定局限性。若以空载实验时的变压器饱和的条件计算,忽略非励磁部分电流,其放电效率大于88.4%。

4 结束语

本文设计了一种结构灵活多变的Marx脉冲发生器,提出采用全桥串联谐振充电的充电方式并通过串心磁环变压器进行多级谐振充电。通过实验验证与理论推导分析,结果表明多级谐振充电方式的Marx脉冲发生器可以改善传统全固态Marx随充电电压升高而效率下降等问题,同时验证了该方案能够通过简单调整连接方式输出不同极性脉冲,且输出脉冲灵活多变,能够适应多种应用场景。