【導讀】時至今日，綠色、環保、低能耗、高能效等理念時刻影響著消費者的決策。為此，廣大設計人員在設計產品時就需要盡量降低能耗，實現高能效。絕緣柵雙極型晶體管（IGBT）能夠幫助產品設計者應對他們所面臨的設計具有更高電路效率和性能的產品的挑戰。本文就為大家分析基于IGBT的高能效電源設計。
時至今日，綠色、環保、低能耗、高能效等理念時刻影響著消費者的決策。為此，廣大設計人員在設計產品時就需要盡量降低能耗，實現高能效。絕緣柵雙極型晶體管（IGBT）能夠幫助產品設計者應對他們所面臨的設計具有更高電路效率和性能的產品的挑戰。本文就為大家分析基于IGBT的高能效電源設計。
IGBT工作原理：
IGBT的開關作用是通過加正向柵極電壓形成溝道，給PNP晶體管提供基極電流，使IGBT導通。反之，加反向門極電壓消除溝道，流過反向基極電流，使IGBT關斷。IGBT的驅動方法和MOSFET基本相同，只需控制輸入極N一溝道MOSFET，所以具有高輸入阻抗特性。
當MOSFET的溝道形成后，從P+基極注入到N一層的空穴(少子)，對N一層進行電導調制，減小N一層的電阻，使IGBT在高電壓時，也具有低的通態電壓。
IGBT工作特性：
IGBT的工作特性包括靜態和動態兩類：
（1）靜態特性IGBT的靜態特性主要有伏安特性、轉移特性和開關特性。
IGBT的伏安特性是指以柵源電壓Ugs為參變量時，漏極電流與柵極電壓之間的關系曲線。輸出漏極電流比受柵源電壓Ugs的控制，Ugs越高，Id越大。它與GTR的輸出特性相似。也可分為飽和區1、放大區2和擊穿特性3部分。在截止狀態下的IGBT，正向電壓由J2結承擔，反向電壓由J1結承擔。如果無N+緩沖區，則正反向阻斷電壓可以做到同樣水平，加入N+緩沖區后，反向關斷電壓只能達到幾十伏水平，因此限制了IGBT的某些應用范圍。
IGBT的轉移特性是指輸出漏極電流Id與柵源電壓Ugs之間的關系曲線。它與 MOSFET的轉移特性相同，當柵源電壓小于開啟電壓Ugs(th)時,IGBT處于關斷狀態。在IGBT導通后的大部分漏極電流范圍內，Id與Ugs呈線性關系。最高柵源電壓受最大漏極電流限制，其最佳值一般取為15V左右。
IGBT的開關特性是指漏極電流與漏源電壓之間的關系。IGBT處于導通態時，由于它的PNP晶體管為寬基區晶體管，所以其B值極低。盡管等效電路為達林頓結構，但流過MOSFET的電流成為IGBT總電流的主要部分。此時，通態電壓Uds(on)可用下式表示
Uds(on)=Uj1+Udr+IdRoh(2-14)
式中Uj1——JI結的正向電壓，其值為0.7～IV;
Udr——擴展電阻Rdr上的壓降;
Roh——溝道電阻。
通態電流Ids可用下式表示：
Ids=(1+Bpnp)Imos(2-15)
式中Imos——流過MOSFET的電流。
由于N+區存在電導調制效應，所以IGBT的通態壓降小，耐壓1000V的IGBT通態壓降為2～3V。
IGBT處于斷態時，只有很小的泄漏電流存在。
（2）動態特性IGBT在開通過程中，大部分時間是作為MOSFET來運行的，只是在漏源電壓Uds下降過程后期，PNP晶體管由放大區至飽和，又增加了一段延遲時間。td(on)為開通延遲時間，tri為電流上升時間。實際應用中常給出的漏極電流開通時間ton即為td(on)tri之和。漏源電壓的下降時間由tfe1和tfe2組成，如圖1：
圖1：開通時IGBT的電流、電壓波形
IGBT在關斷過程中，漏極電流的波形變為兩段。因為MOSFET關斷后，PNP晶體管的存儲電荷難以迅速消除，造成漏極電流較長的尾部時間,td(off)為關斷延遲時間，trv為電壓Uds(f)的上升時間。實際應用中常常給出的漏極電流的下降時間Tf由圖2中的t(f1)和t(f2)兩段組成，而漏極電流的關斷時間。
圖2：關斷時IGBT的電流、電壓波形
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IGBT的固態高壓脈沖電源
高壓脈沖電源的拓撲結構
高壓脈沖電源常用的主電路拓撲可以歸納為兩類：電容充放電式和高壓直流開關電源加脈沖生成的兩級式兩種。電容充放電式是通過長時間充電、瞬間放電，即通過控制充放電的時間比例，達到能量壓縮、輸出高壓大功率脈沖的目的。優點是可以輸出的脈沖功率和電壓等級較高，脈沖上升沿較陡；但是，輸出脈沖的精度難以控制，而且重復頻率低，因而應用范圍比較有限，主要應用在核電磁物理研究、煙氣除塵、污水處理、液體殺菌等場合。兩級式結構為高壓直流開關電源級加上脈沖形成級的結構。文中采用這種兩級式拓撲結構，電源系統結構框圖如圖3所示。兩級式有脈沖穩定、可控性好、精度高、重復頻率變化范圍大等特點，因而適用范圍較廣，通用性較好。
圖3：高壓脈沖電源系統結構框圖
電源主電路結構和工作原理
電源主電路原理圖如圖4所示，電路由工頻交流輸入、整流濾波、LCC串并聯諧振變換器、電容充電儲能、電感的緩沖隔離、IGBT全橋逆變、脈沖升壓變壓器等單元構成。電路工作過程：220V交流通過整流濾波后得到低壓直流輸出，通過LCC串并聯諧振逆變經高頻升壓后向儲能電容C充電，經過IGBT全橋逆變拓撲結構實現雙極性脈沖輸出。
圖4：主電路原理圖
圖4中LCC串并聯諧振變換器是此高壓脈沖電源充電電路的核心部分，由4個功率開關管IGBT與諧振電感Ls、串聯諧振電容Cs、并聯諧振電容Cp組成，工作原理是：利用電感、電容等諧振元件的作用，使功率開關管的電流或電壓波形變為正弦波、準正弦波或局部正弦波，這樣能使功率開關管在零電壓或零電流條件下導通或關斷，減少開關管開通和關斷時的損耗，同時提高開關頻率，減小開關噪聲，降低EMI干擾和開關應力。
分析LCC串并聯諧振充電電路時，假設：1）所有開關器件和二極管均為理想器件；2）變壓器分布電容為0；3）n2C》Cs；4）開關器件工作在全軟開關狀態。
根據開關頻率fs與基本諧振頻率fr的關系，LCC諧振變換器有3種工作方式：1）fs<0.5fr的電流斷續模式（DCM），開關管工作在零電流/零電壓關斷、零電流開通狀態，反并聯二極管自然開通、自然關斷；2）fr>fs>0.5fr的電流連續模式（CCM），開關管為零電流/零電壓關斷、硬開通，反并聯二極管自然開通但關斷時二極管有反向恢復電流，電路開關損耗較大；3）fs>fr仍然為電流連續模式（CCM），與2）的區別是開關管為零電流/零電壓開通、硬關斷，電路開關損耗同樣較大。諧振頻率為：
在此設計中，選用合理的逆變設計參數，使LCC串并聯諧振變換器工作在DCM模式下，結合軟開關技術，使開關損耗達到最小。
高壓脈沖形成電路
高壓脈沖的形成是利用IGBT構成的全橋拓撲結構對前級產生的高電壓進行開關控制從而實現雙極性脈沖輸出，如圖4所示。
開關Q5、Q7與開關Q6、Q8分別在正負半周期交替導通，得到雙極性的脈沖輸出。改變兩組開關的切換頻率，即可改變輸出雙極性脈沖的頻率，控制開關管的導通時間即可調節輸出脈沖的占空比，得到脈寬與頻率均可調的雙極性高壓脈沖波。
高壓脈沖電源的控制
整個系統的控制由TMS320F2812 DSP芯片和IGBT驅動器來實現，主要通過恒定導通時間-恒頻控制的方法實現LCC串并聯諧振充電電路的軟開關，減少開關損耗，調節輸出電壓；及利用變 頻變寬的控制方法實現后級脈沖形成電路的輸出脈沖控制和IGBT同步觸發等。
TMS320F2812開發板，內部集成了16路12位A/D轉換器、兩個事件管理器模塊、一個高性能CPLD器件XC95144XL,可實現過壓、過流保護在內的電源系統運行全數字控制，提高輸出電壓的精度和穩定度。且采用軟件編程實現控制算法，使得系統升級、修改更為靈活方便。
1）過壓保護
通過高頻降壓互感器檢測脈沖升壓變壓器原邊電壓得到電壓信號Ui，將Ui作為過壓保護電路的輸入電壓，將過壓保護電路的輸出信號接到DSPF2812的引腳，這樣迫使系統重新啟動，實現過壓保護的目的，以達到保護負載的安全。
圖5：過壓保護電路
2）過流保護
當負載電流超過設定值或發生短路時，需對電源本身提供保護，系統的過流保護在系統的安全性方面占有重要的地位。過流保護電路與過壓保護電路相似，如圖4所示。將轉換的電壓信號輸入到F2812的，啟動保護程序，故障鎖存器置位，系統復位重新啟動。
圖6：過流保護電路
電路的仿真分析
令k=Cp/Cs,圖5（a）為k=0.25諧振電流和諧振電壓波形。選擇直流母線電壓Vin=300V,開關頻率fs=25kHz,脈寬tw=10μs,Lr=50μH,Cs=0.2μF,諧振頻率kHz,即滿足fs<1/2fr,LCC串并聯諧振變換器工作在DCM模式下，高頻升壓變壓器變比為1:4.高壓脈沖形成電路中，脈沖升壓變壓器變比為1:12,雙極性脈沖仿真波形如圖5（b）所示。
圖7：仿真波形圖
本文中的基于IGBT的高壓脈沖電源，我們分析了電源的各個組成部分及功能，并由DSP產生控制IGBT的觸發信號，實現過壓、過流保護，實現電源的數字化控制，可精確控制輸出脈沖電壓、輸出脈沖寬度、頻率和輸出脈沖數等，且利用LCC串并聯諧振充電電路作為對中間儲能電容充電的結構，有利于實現裝置的快速充電和小型化，從而實現高能效。
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