【导读】时至今日，绿色、环保、低能耗、高能效等理念时刻影响着消费者的决策。为此，广大设计人员在设计产品时就需要尽量降低能耗，实现高能效。绝缘栅双极型晶体管（IGBT）能够帮助产品设计者应对他们所面临的设计具有更高电路效率和性能的产品的挑战。本文就为大家分析基于IGBT的高能效电源设计。
时至今日，绿色、环保、低能耗、高能效等理念时刻影响着消费者的决策。为此，广大设计人员在设计产品时就需要尽量降低能耗，实现高能效。绝缘栅双极型晶体管（IGBT）能够帮助产品设计者应对他们所面临的设计具有更高电路效率和性能的产品的挑战。本文就为大家分析基于IGBT的高能效电源设计。
IGBT工作原理：
IGBT的开关作用是通过加正向栅极电压形成沟道，给PNP晶体管提供基极电流，使IGBT导通。反之，加反向门极电压消除沟道，流过反向基极电流，使IGBT关断。IGBT的驱动方法和MOSFET基本相同，只需控制输入极N一沟道MOSFET，所以具有高输入阻抗特性。
当MOSFET的沟道形成后，从P+基极注入到N一层的空穴(少子)，对N一层进行电导调制，减小N一层的电阻，使IGBT在高电压时，也具有低的通态电压。
IGBT工作特性：
IGBT的工作特性包括静态和动态两类：
（1）静态特性IGBT的静态特性主要有伏安特性、转移特性和开关特性。
IGBT的伏安特性是指以栅源电压Ugs为参变量时，漏极电流与栅极电压之间的关系曲线。输出漏极电流比受栅源电压Ugs的控制，Ugs越高，Id越大。它与GTR的输出特性相似。也可分为饱和区1、放大区2和击穿特性3部分。在截止状态下的IGBT，正向电压由J2结承担，反向电压由J1结承担。如果无N+缓冲区，则正反向阻断电压可以做到同样水平，加入N+缓冲区后，反向关断电压只能达到几十伏水平，因此限制了IGBT的某些应用范围。
IGBT的转移特性是指输出漏极电流Id与栅源电压Ugs之间的关系曲线。它与 MOSFET的转移特性相同，当栅源电压小于开启电压Ugs(th)时,IGBT处于关断状态。在IGBT导通后的大部分漏极电流范围内，Id与Ugs呈线性关系。最高栅源电压受最大漏极电流限制，其最佳值一般取为15V左右。
IGBT的开关特性是指漏极电流与漏源电压之间的关系。IGBT处于导通态时，由于它的PNP晶体管为宽基区晶体管，所以其B值极低。尽管等效电路为达林顿结构，但流过MOSFET的电流成为IGBT总电流的主要部分。此时，通态电压Uds(on)可用下式表示
Uds(on)=Uj1+Udr+IdRoh(2-14)
式中Uj1——JI结的正向电压，其值为0.7～IV;
Udr——扩展电阻Rdr上的压降;
Roh——沟道电阻。
通态电流Ids可用下式表示：
Ids=(1+Bpnp)Imos(2-15)
式中Imos——流过MOSFET的电流。
由于N+区存在电导调制效应，所以IGBT的通态压降小，耐压1000V的IGBT通态压降为2～3V。
IGBT处于断态时，只有很小的泄漏电流存在。
（2）动态特性IGBT在开通过程中，大部分时间是作为MOSFET来运行的，只是在漏源电压Uds下降过程后期，PNP晶体管由放大区至饱和，又增加了一段延迟时间。td(on)为开通延迟时间，tri为电流上升时间。实际应用中常给出的漏极电流开通时间ton即为td(on)tri之和。漏源电压的下降时间由tfe1和tfe2组成，如图1：
图1：开通时IGBT的电流、电压波形
IGBT在关断过程中，漏极电流的波形变为两段。因为MOSFET关断后，PNP晶体管的存储电荷难以迅速消除，造成漏极电流较长的尾部时间,td(off)为关断延迟时间，trv为电压Uds(f)的上升时间。实际应用中常常给出的漏极电流的下降时间Tf由图2中的t(f1)和t(f2)两段组成，而漏极电流的关断时间。
图2：关断时IGBT的电流、电压波形
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IGBT的固态高压脉冲电源
高压脉冲电源的拓扑结构
高压脉冲电源常用的主电路拓扑可以归纳为两类：电容充放电式和高压直流开关电源加脉冲生成的两级式两种。电容充放电式是通过长时间充电、瞬间放电，即通过控制充放电的时间比例，达到能量压缩、输出高压大功率脉冲的目的。优点是可以输出的脉冲功率和电压等级较高，脉冲上升沿较陡；但是，输出脉冲的精度难以控制，而且重复频率低，因而应用范围比较有限，主要应用在核电磁物理研究、烟气除尘、污水处理、液体杀菌等场合。两级式结构为高压直流开关电源级加上脉冲形成级的结构。文中采用这种两级式拓扑结构，电源系统结构框图如图3所示。两级式有脉冲稳定、可控性好、精度高、重复频率变化范围大等特点，因而适用范围较广，通用性较好。
图3：高压脉冲电源系统结构框图
电源主电路结构和工作原理
电源主电路原理图如图4所示，电路由工频交流输入、整流滤波、LCC串并联谐振变换器、电容充电储能、电感的缓冲隔离、IGBT全桥逆变、脉冲升压变压器等单元构成。电路工作过程：220V交流通过整流滤波后得到低压直流输出，通过LCC串并联谐振逆变经高频升压后向储能电容C充电，经过IGBT全桥逆变拓扑结构实现双极性脉冲输出。
图4：主电路原理图
图4中LCC串并联谐振变换器是此高压脉冲电源充电电路的核心部分，由4个功率开关管IGBT与谐振电感Ls、串联谐振电容Cs、并联谐振电容Cp组成，工作原理是：利用电感、电容等谐振元件的作用，使功率开关管的电流或电压波形变为正弦波、准正弦波或局部正弦波，这样能使功率开关管在零电压或零电流条件下导通或关断，减少开关管开通和关断时的损耗，同时提高开关频率，减小开关噪声，降低EMI干扰和开关应力。
分析LCC串并联谐振充电电路时，假设：1）所有开关器件和二极管均为理想器件；2）变压器分布电容为0；3）n2C》Cs；4）开关器件工作在全软开关状态。
根据开关频率fs与基本谐振频率fr的关系，LCC谐振变换器有3种工作方式：1）fs<0.5fr的电流断续模式（DCM），开关管工作在零电流/零电压关断、零电流开通状态，反并联二极管自然开通、自然关断；2）fr>fs>0.5fr的电流连续模式（CCM），开关管为零电流/零电压关断、硬开通，反并联二极管自然开通但关断时二极管有反向恢复电流，电路开关损耗较大；3）fs>fr仍然为电流连续模式（CCM），与2）的区别是开关管为零电流/零电压开通、硬关断，电路开关损耗同样较大。谐振频率为：
在此设计中，选用合理的逆变设计参数，使LCC串并联谐振变换器工作在DCM模式下，结合软开关技术，使开关损耗达到最小。
高压脉冲形成电路
高压脉冲的形成是利用IGBT构成的全桥拓扑结构对前级产生的高电压进行开关控制从而实现双极性脉冲输出，如图4所示。
开关Q5、Q7与开关Q6、Q8分别在正负半周期交替导通，得到双极性的脉冲输出。改变两组开关的切换频率，即可改变输出双极性脉冲的频率，控制开关管的导通时间即可调节输出脉冲的占空比，得到脉宽与频率均可调的双极性高压脉冲波。
高压脉冲电源的控制
整个系统的控制由TMS320F2812 DSP芯片和IGBT驱动器来实现，主要通过恒定导通时间-恒频控制的方法实现LCC串并联谐振充电电路的软开关，减少开关损耗，调节输出电压；及利用变 频变宽的控制方法实现后级脉冲形成电路的输出脉冲控制和IGBT同步触发等。
TMS320F2812开发板，内部集成了16路12位A/D转换器、两个事件管理器模块、一个高性能CPLD器件XC95144XL,可实现过压、过流保护在内的电源系统运行全数字控制，提高输出电压的精度和稳定度。且采用软件编程实现控制算法，使得系统升级、修改更为灵活方便。
1）过压保护
通过高频降压互感器检测脉冲升压变压器原边电压得到电压信号Ui，将Ui作为过压保护电路的输入电压，将过压保护电路的输出信号接到DSPF2812的引脚，这样迫使系统重新启动，实现过压保护的目的，以达到保护负载的安全。
图5：过压保护电路
2）过流保护
当负载电流超过设定值或发生短路时，需对电源本身提供保护，系统的过流保护在系统的安全性方面占有重要的地位。过流保护电路与过压保护电路相似，如图4所示。将转换的电压信号输入到F2812的，启动保护程序，故障锁存器置位，系统复位重新启动。
图6：过流保护电路
电路的仿真分析
令k=Cp/Cs,图5（a）为k=0.25谐振电流和谐振电压波形。选择直流母线电压Vin=300V,开关频率fs=25kHz,脉宽tw=10μs,Lr=50μH,Cs=0.2μF,谐振频率kHz,即满足fs<1/2fr,LCC串并联谐振变换器工作在DCM模式下，高频升压变压器变比为1:4.高压脉冲形成电路中，脉冲升压变压器变比为1:12,双极性脉冲仿真波形如图5（b）所示。
图7：仿真波形图
本文中的基于IGBT的高压脉冲电源，我们分析了电源的各个组成部分及功能，并由DSP产生控制IGBT的触发信号，实现过压、过流保护，实现电源的数字化控制，可精确控制输出脉冲电压、输出脉冲宽度、频率和输出脉冲数等，且利用LCC串并联谐振充电电路作为对中间储能电容充电的结构，有利于实现装置的快速充电和小型化，从而实现高能效。
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