高壓斬波脈沖電源原理分析及特點介紹

前言

高壓斬波脈沖電源是最符合直覺的脈沖電源。其實現方式靈活多樣，在前期設計時需要對負載有一定的了解，本文從脈沖電源的原理出發介紹高壓斬波型脈沖電源的特點以及適合的負載類型，幫助您更好的理解脈沖電源。

更新歷史

2019年10月15日 - 初稿

作者：海伏科技——小濤（轉載注明出處）
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高壓斬波脈沖電源

圖1：高壓斬波脈沖電源

電能通過直流電源升壓存儲在高壓電容中，再經過斬波電路斬波，輸出脈沖電壓。斬波電路通常是由MOSFET或是IGBT串聯組成。

高壓斬波脈沖電源特點

• 配置多樣：

斬波電路所使用的功率器件可以是IGBT（絕緣柵雙極晶體管）、Si-MOSFET（硅基場效應晶體管）、SiC-MOSFET（碳化硅場效應晶體管）、半導體光電導體開關等等，根據負載類型、輸出電壓、輸出電流和輸出頻率的特點選用合適的開關器件。

除可以選用不同的功率管之外還可以根據波形具體需求配置電路連接形式，如：負載電流較大時，電壓可以通過自身泄放就可以選擇單臂輸出形式（如上圖）；負載阻值較大，有一定容性，無法通過自身放電時可以選擇雙臂輸出（如下圖）；要求正負電壓輸出時可以選擇雙電壓正負輸出類型。

圖2：高壓斬波脈沖電源雙臂輸出

• 負載類型：

由于高壓斬波型脈沖電源使用的功率管通流能力有限，所以需要預先計算或實際測量出輸出電流，如果輸出電流大于閾值就會觸發脈沖電源的過流保護。所以這就對脈沖電源的負載有一定的要求：

1.負載不能被高壓擊穿短路；
2.負載電容不能過大一般在 10pF - 100pF 量級，容值和上升時間關系密切，脈沖電源標注的上升時間一般為空載上升時間或負載電容在10pF以內的上升時間；
3.負載的阻值不能過低，根據歐姆定律 \( I = \frac{U}{R} \) 計算出來的電流不應超過功率管的最大允許電流（其中U為脈沖電源峰值電壓、R為負載的阻值）。

• 波形可控：

這種脈沖電源的優點是輸出波形比較可控，對于脈沖比較窄的情況脈沖輸出階段充電電流可以忽略。輸出波形近似方波，根據脈沖寬度，輸出電流大小及高壓容池的大小可以計算出方波電壓的跌落。根據電荷守恒，電容器的流出電荷等于流出電流的積分：

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

當負載為阻性負載電流恒定時上述公式可以簡化為：

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

由此可以計算出輸出方波電壓的平頂壓降。

高壓斬波脈沖電源能實現的參數范圍

• 輸出電壓：由于輸出電壓取決于功率管的整體耐壓，比較經濟的電壓范圍是：10kV - 20kV；當然 50 - 100kV的參數也可以實現只是相應的功率管數量和實現難度會有提升相應的價格也會有所不同。

• 輸出電流：使用IGBT作為斬波功率器件的脈沖電源峰值電流可以做到100A量級，當然后續更大的電流可以通過多橋臂并聯實現。

• 頻率：高壓斬波脈沖電源能實現的頻率段較寬，低頻的可以做到0Hz，也就是DC直流。高頻的根據不同的功率器件最大可以做到 1MHz 級別。當然，實際情況中根據脈沖電流、負載類型、發熱等因素的限制可能會有衰減。

• 上升時間（上升沿）：根據使用功率器件的不同，空載上升時間一般為 20 ~ 300 ns，上升時間IGBT > Si-MOSFET > SiC-MOSFET。

• 占空比：占空比非常靈活可以實現 0% 至 100% 可調。

說明：以上提到的參數范圍只是高壓斬波型脈沖電源，僅指這一種類型的脈沖電源所擅長的參數范圍，不代表我公司能實現的參數范圍，后續海伏課堂會陸續介紹其他類型的脈沖電源，如何您在高壓電源的使用過程中遇到任何問題，歡迎通過提問通道發送給我們，感謝您的持續關注。

高壓斬波脈沖電路對前級高壓電源的要求

由于電容的電壓是脈動的，普通的高壓電源對于這種負載沒有進行優化容易引起輸出電壓不穩定的情況，嚴重的可能會引起高壓電源PID震蕩甚至損壞電源。對于平均功率較低，儲能電容跌落不明顯的情況下，普通高壓電源也許能適應，但是隨著功率的提高普通電源就會顯得力不從心了。

海伏科技的高壓電源由于全部都是基于數字化算法的智能電源，在實際工作中可以選擇多種工作模式，例如直流模式、電容充電模式（高頻充電模式、低頻大電容充電模式）、脈沖負載模式等。其中脈沖負載模式是專門為匹配高壓斬波脈沖電路優化的，電容電壓跌落時會以較大的電流對儲能電容補電、達到設定電壓后會及時停止，也就是說輸出功率可以一定程度上跟隨脈沖輸出，進一步優化脈沖輸出波形，減小方波平頂壓降。

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