前言

高壓斬波脈沖電源是最符合直覺的脈沖電源。其實(shí)現(xiàn)方式靈活多樣，在前期設(shè)計(jì)時(shí)需要對(duì)負(fù)載有一定的了解，本文從脈沖電源的原理出發(fā)介紹高壓斬波型脈沖電源的特點(diǎn)以及適合的負(fù)載類型，幫助您更好的理解脈沖電源。

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2019年10月15日 - 初稿

作者：海伏科技——小濤（轉(zhuǎn)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(chǔ)在高壓電容中，再經(jīng)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(lián)組成。

高壓斬波脈沖電源特點(diǎn)

• 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(chǎng)效應(yīng)晶體管）、SiC-MOSFET（碳化硅場(chǎng)效應(yīng)晶體管）、半導(dǎo)體光電導(dǎo)體開關(guān)等等，根據(jù)負(fù)載類型、輸出電壓、輸出電流和輸出頻率的特點(diǎn)選用合適的開關(guān)器件。

除可以選用不同的功率管之外還可以根據(jù)波形具體需求配置電路連接形式，如：負(fù)載電流較大時(shí)，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(fù)載阻值較大，有一定容性，無法通過自身放電時(shí)可以選擇雙臂輸出（如下圖）；要求正負(fù)電壓輸出時(shí)可以選擇雙電壓正負(fù)輸出類型。

圖2：高壓斬波脈沖電源雙臂輸出

• 負(fù)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(yù)先計(jì)算或?qū)嶋H測(cè)量出輸出電流，如果輸出電流大于閾值就會(huì)觸發(fā)脈沖電源的過流保護(hù)。所以這就對(duì)脈沖電源的負(fù)載有一定的要求：

1.負(fù)載不能被高壓擊穿短路；
2.負(fù)載電容不能過大一般在 10pF - 100pF 量級(jí)，容值和上升時(shí)間關(guān)系密切，脈沖電源標(biāo)注的上升時(shí)間一般為空載上升時(shí)間或負(fù)載電容在10pF以內(nèi)的上升時(shí)間；
3.負(fù)載的阻值不能過低，根據(jù)歐姆定律 \( I = \frac{U}{R} \) 計(jì)算出來的電流不應(yīng)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(fù)載的阻值）。

• 波形可控：

這種脈沖電源的優(yōu)點(diǎn)是輸出波形比較可控，對(duì)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(jù)脈沖寬度，輸出電流大小及高壓容池的大小可以計(jì)算出方波電壓的跌落。根據(jù)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(dāng)負(fù)載為阻性負(fù)載電流恒定時(shí)上述公式可以簡(jiǎn)化為：

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

由此可以計(jì)算出輸出方波電壓的平頂壓降。

高壓斬波脈沖電源能實(shí)現(xiàn)的參數(shù)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(jīng)濟(jì)的電壓范圍是：10kV - 20kV；當(dāng)然 50 - 100kV的參數(shù)也可以實(shí)現(xiàn)只是相應(yīng)的功率管數(shù)量和實(shí)現(xiàn)難度會(huì)有提升相應(yīng)的價(jià)格也會(huì)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(jí)，當(dāng)然后續(xù)更大的電流可以通過多橋臂并聯(lián)實(shí)現(xiàn)。

• 頻率：高壓斬波脈沖電源能實(shí)現(xiàn)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(jù)不同的功率器件最大可以做到 1MHz 級(jí)別。當(dāng)然，實(shí)際情況中根據(jù)脈沖電流、負(fù)載類型、發(fā)熱等因素的限制可能會(huì)有衰減。

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

• 占空比：占空比非常靈活可以實(shí)現(xiàn) 0% 至 100% 可調(diào)。

說明：以上提到的參數(shù)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(zhǎng)的參數(shù)范圍，不代表我公司能實(shí)現(xiàn)的參數(shù)范圍，后續(xù)海伏課堂會(huì)陸續(xù)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(fā)送給我們，感謝您的持續(xù)關(guān)注。

高壓斬波脈沖電路對(duì)前級(jí)高壓電源的要求

由于電容的電壓是脈動(dòng)的，普通的高壓電源對(duì)于這種負(fù)載沒有進(jìn)行優(yōu)化容易引起輸出電壓不穩(wěn)定的情況，嚴(yán)重的可能會(huì)引起高壓電源PID震蕩甚至損壞電源。對(duì)于平均功率較低，儲(chǔ)能電容跌落不明顯的情況下，普通高壓電源也許能適應(yīng)，但是隨著功率的提高普通電源就會(huì)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(shù)字化算法的智能電源，在實(shí)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(fù)載模式等。其中脈沖負(fù)載模式是專門為匹配高壓斬波脈沖電路優(yōu)化的，電容電壓跌落時(shí)會(huì)以較大的電流對(duì)儲(chǔ)能電容補(bǔ)電、達(dá)到設(shè)定電壓后會(huì)及時(shí)停止，也就是說輸出功率可以一定程度上跟隨脈沖輸出，進(jìn)一步優(yōu)化脈沖輸出波形，減小方波平頂壓降。

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