基于igct的0.1hz高压实验电源的研究

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1、基于IGCT的0.1Hz高压实验电源的研究

2、第1　　电力电子器件制造技术的飞速发展，使得利用更为简易的电路实现原有复杂设备的功能成为可能。IGCT最早是由瑞士ABB公司开发并投放市场的，它是将GTO芯片与反并二极管和门极驱动电路集成在一起，再与其门极驱动器在外围以低电感方式连接，结合了晶体管的稳定关断能力和晶闸管的低通态损耗两大优点，在功率、可靠性、开关速度、效率、重量和体积等方面都取得了重大进展[2]。特别重要的是，IGCT的开通损耗可以忽略不计，由于IGCT具有"硬"门极驱动，能在1μs内从PNPN的擎住状态进入

3、PNP模式，完全以晶体管模式关断，消除了任何擎住现象，关断过程同步，特别适合于器件的串联应用，这使得将IGCT用于高压控制领域成为可能。　　本文提供了一种基于IGCT的超低频高压正负方波电源的设计，较阀片而言，IGCT是全控型器件，因此，可以实现输出电压的连续可调。500)this.style.ouseg(this)">　　　　1主电路设计　　主电路主要包括两部分，即整流部分和逆变部分，整流部分采用倍压整流电路，使得可以利用较低电压的变压器得到较高的直流输出电压；逆变部分采用IGCT串联，平板式IGCT失效后自身形成

4、短路，在IGCT串联中采用冗余设计，增强了设备的可靠性。　　1.1主电路原理　　主电路原理框图如图1所示。　　在图1中，50Hz的交流经过第一次整流和逆变实现变频，将50Hz的交流变换为1kHz的交流，以减小倍压整流输出的脉动率，1kHz的交流经调压后输出到倍压整流电路，倍压整流电路的输出经过由IGCT构成的逆变电路后得到所需要的实验电压。　　500)this.style.ouseg(this)">具体电路原理图如图2所示。　　1.2整流部分电路设计　　整流部分的输出作为逆变电路的电源，因此，整流部分的直流输出应尽可

5、能地稳定，即脉动率要尽可能地小，而且选择倍压电路串联级数及电容值时应注意配合。　　整流部分主电路图如图3所示。　　在这个电路中，如果需要得到更高的电压，可以采用增加串联倍压电路级数的方法来实现，但级数过多会导致输出电压的脉动率和电压降增加，因此，应综合考虑级数和电容的配合。　　脉动电压可以用式（1）近似表示　　2δU≈[n(n+1)Ip]/2fC（1）　　式中：n为倍压电路的级数；　　Ip为输出平均电流；　　f为交流电源频率；　　C为各级电容器的电容量。　　负载时的输出电压可以用式（2）表示500)this.styl

6、e.ouseg(this)">　　式中：UM为电压峰值。　　由式（1）可以看出，交流电源的频率越高，电压脉动越小，这也是将50Hz变频为1kHz的原因，同时，还要减少串联级数或增大电容的值，电容器的耐压应有一定裕量，以2～3倍的需要电压来配置；一般情况下不应串联过多的级数，在本设计中只采用两级。　　1.3逆变部分电路设计　　逆变部分是用IGCT来交替导通不同的臂，以获得需要的输出电压，IGCT极小的存储时间和故障短路特性使得它完全可以用来控制较高的电压。　　本设计中的IGCT采用带续流二极管的5SHX04D4502，

7、它的主要参数为：　　正向峰值阻断电压VDRM4500V；　　中间电压Vdc_link2800V；　　最大不重复关断电流ITGQM340A；　　通态电压VT3.4V；　　门极输入电压幅值VGIN20V。　　考虑一定的裕量，取每个IGCT的直流耐压为2500V，采用5个IGCT串联就能可靠地输出并有效地控制10kV的输出电压。500)this.style.ouseg(this)">　　逆变部分主电路图如图4所示。　　图中：GU(GATEUNIT)为驱动单元。　　在串联IGCT时，采取器件冗余技术，采用N＋1的连接方式，即

8、在考虑器件耐压裕量的同时，多串一个IGCT，这样，即使电路中IGCT出现了故障，剩余器件仍能正常工作，此时，利用IGCT正常工作与故障时的不同导通压降来控制发光二极管发光，以便及时发现故障并更换器件，这样大大提高了设备的可靠性。　　此外，由于IGCT本身集成有门极驱动电路，这样就大大降低了驱动电路的进线电感，简化了设计，使得设计者不必要过多地考虑驱动部分的设计。　　1.4控制电路设计　　控制电路是为了能产生可靠的控制信号供给IGCT的门极，以控制IGCT导通或切断电路，对于0.1Hz的方波电压源来说，其控制电路只要能

9、产生一个0.1Hz的小信号即可，因此，利用模拟电路或数字电路，可以非常简单地得到不同精度和不同成本的控制电路。　　控制电路原理框图如图5所示。500)this.style.ouseg(this)">　　1.5保护电路设计　　采取冗余设计的IGCT具有极高的可靠性，能承受一定的过电压，加上过电压吸收网络后，能将IGCT的存储时间进一步降低到几百n