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高压斩波脉冲电源原理分析及特点介绍

脉冲电源选型指南高压电源应用

2019-10-15

前言

高压斩波脉冲电源是最符合直觉的脉冲电源。其实现方式灵活多样，在前期设计时需要对负载有一定的了解，本文从脉冲电源的原理出发介绍高压斩波型脉冲电源的特点以及适合的负载类型，帮助您更好的理解脉冲电源。

更新历史

2019年10月15日 - 初稿

作者：海伏科技——小涛（转载注明出处）
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高压斩波脉冲电源

图1：高压斩波脉冲电源

电能通过直流电源升压存储在高压电容中，再经过斩波电路斩波，输出脉冲电压。斩波电路通常是由MOSFET或是IGBT串联组成。

高压斩波脉冲电源特点

配置多样：

斩波电路所使用的功率器件可以是IGBT（绝缘栅双极晶体管）、Si-MOSFET（硅基场效应晶体管）、SiC-MOSFET（碳化硅场效应晶体管）、半导体光电导体开关等等，根据负载类型、输出电压、输出电流和输出频率的特点选用合适的开关器件。

除可以选用不同的功率管之外还可以根据波形具体需求配置电路连接形式，如：负载电流较大时，电压可以通过自身泄放就可以选择单臂输出形式（如上图）；负载阻值较大，有一定容性，无法通过自身放电时可以选择双臂输出（如下图）；要求正负电压输出时可以选择双电压正负输出类型。

高压斩波脉冲电源双臂输出

图2：高压斩波脉冲电源双臂输出

负载类型：

由于高压斩波型脉冲电源使用的功率管通流能力有限，所以需要预先计算或实际测量出输出电流，如果输出电流大于阈值就会触发脉冲电源的过流保护。所以这就对脉冲电源的负载有一定的要求：

1.负载不能被高压击穿短路；
2.负载电容不能过大一般在 10pF - 100pF 量级，容值和上升时间关系密切，脉冲电源标注的上升时间一般为空载上升时间或负载电容在10pF以内的上升时间；
3.负载的阻值不能过低，根据欧姆定律 \( I = \frac{U}{R} \) 计算出来的电流不应超过功率管的最大允许电流（其中U为脉冲电源峰值电压、R为负载的阻值）。

波形可控：

这种脉冲电源的优点是输出波形比较可控，对于脉冲比较窄的情况脉冲输出阶段充电电流可以忽略。输出波形近似方波，根据脉冲宽度，输出电流大小及高压容池的大小可以计算出方波电压的跌落。根据电荷守恒，电容器的流出电荷等于流出电流的积分：

\( Q = \Delta U\cdot C = \int Idt \)

当负载为阻性负载电流恒定时上述公式可以简化为：

\( \Delta U = \frac{It}{c} \)

由此可以计算出输出方波电压的平顶压降。

高压斩波脉冲电源能实现的参数范围

输出电压：由于输出电压取决于功率管的整体耐压，比较经济的电压范围是：10kV - 20kV；当然 50 - 100kV的参数也可以实现只是相应的功率管数量和实现难度会有提升相应的价格也会有所不同。
输出电流：使用IGBT作为斩波功率器件的脉冲电源峰值电流可以做到100A量级，当然后续更大的电流可以通过多桥臂并联实现。
频率：高压斩波脉冲电源能实现的频率段较宽，低频的可以做到0Hz，也就是DC直流。高频的根据不同的功率器件最大可以做到 1MHz 级别。当然，实际情况中根据脉冲电流、负载类型、发热等因素的限制可能会有衰减。
上升时间（上升沿）：根据使用功率器件的不同，空载上升时间一般为 20 ~ 300 ns，上升时间IGBT > Si-MOSFET > SiC-MOSFET。
占空比：占空比非常灵活可以实现 0% 至 100% 可调。

说明：以上提到的参数范围只是高压斩波型脉冲电源，仅指这一种类型的脉冲电源所擅长的参数范围，不代表我公司能实现的参数范围，后续海伏课堂会陆续介绍其他类型的脉冲电源，如何您在高压电源的使用过程中遇到任何问题，欢迎通过提问通道发送给我们，感谢您的持续关注。

高压斩波脉冲电路对前级高压电源的要求

由于电容的电压是脉动的，普通的高压电源对于这种负载没有进行优化容易引起输出电压不稳定的情况，严重的可能会引起高压电源PID震荡甚至损坏电源。对于平均功率较低，储能电容跌落不明显的情况下，普通高压电源也许能适应，但是随着功率的提高普通电源就会显得力不从心了。

海伏科技的高压电源由于全部都是基于数字化算法的智能电源，在实际工作中可以选择多种工作模式，例如直流模式、电容充电模式（高频充电模式、低频大电容充电模式）、脉冲负载模式等。其中脉冲负载模式是专门为匹配高压斩波脉冲电路优化的，电容电压跌落时会以较大的电流对储能电容补电、达到设定电压后会及时停止，也就是说输出功率可以一定程度上跟随脉冲输出，进一步优化脉冲输出波形，减小方波平顶压降。