通毪电．潦技术 ２００８年５月２５日第２５卷第３期 胡天运：５ ｋＷ ４０ ｋＨｚ非对称双极性 脉冲开关电源的研制 ａＧＥ Ｔｅｌｅｃｏｍ Ｐｏｗｅｒ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｉｅｓ Ｍａｙ ２５，２００８，Ｖｏ１．２５ Ｎｏ．３ ＥＧ Ｉ １ 一 ｒ１ ＢＭ １ ＩＤ）ｖ ｝ｌＲｌ｝ｌ ： ●１Ｃ，： １＝Ｃ ｝’． １Ｅ Ｉ●Ｃ Ｔ —一 Ｌ１－ Ｃ９ １Ｃｌ２ １Ｂ．ＩＤ 。ｊ ２ １Ｄｈ ．８００Ｖ１ Ｖ １Ｒ３ｒ ｌ Ｉ 《｝ｌＲ２｝ｌ ●１Ｃ ＝ ＝１Ｃ ＝ Ｌ ｔ ｝ ∞“：Ｇ ： ”１Ｒ ＾１ｌ ＩＤ 【 Ｚ ｙ ≥ １１Ｄ 【ｈ 【１Ｄ ８ｌ ６ｌ Ｒ Ｉ 一 负电源 『块 １Ｒ ］１Ｒ，ｏ ６ｍ ２Ｒ ．．． １ ． ｒ ＋１００Ｖ ２Ｃｌ ２Ｃ２ ２Ｃ 一 ＝ 毫 ｊ ＝ ＝ ｗ ０豫 ３００Ｖ 『 ● 正电源 ２ ２ ＿ ＋１５０Ｖ 图１ 双极性脉冲电路电源的产生 ８００ Ｖ电源负极，这时电源向外负载输出负极性脉冲。 同理，ＩＧＢＴ １Ｔ３ 和１Ｌ 触发导通时，电源向外负载输 出１００ Ｖ正极性脉冲。 的专用芯片，详见图３。电路中调节６Ｒｐ４决定Ａ／Ｂ两 路脉宽调制信号的频率；６Ｒ７的大小决定两路信号转 换交接时的死区的时间；６Ｃ６用于消除芯片Ａ／Ｂ两路 信号转换交接时出现的一个大的电流过冲。芯片的１ 脚与２脚分别为片内误差放大器的反相输入端或同相 输入端；由芯片外的６Ｃ 、６Ｒ 组成比例积分ＰＩ调节 器。电流负反馈信号和ＰＷＭ脉宽调节的给定信号从 芯片的２脚加入。 ６Ｇ决定ＰＷＭ脉宽调节的软启动时间。Ａ／Ｂ两 路脉宽调制信号分别从芯片的１４脚或１１脚输出。调 节６Ｒｐ３即可改变负极性脉冲的占空比和输出电流的 ５０Ｖ 图２桥式双极性脉冲逆变电路原理图 ２控制电路 ２．１半桥逆变控制电路 大小。调节６Ｒｎ、６ＲＰ２和６ＲＰ３，使ＫＡ３５２５输出的Ａ／ Ｂ两路脉冲的最大脉宽为１６．５ Ｓ，采用脉冲交错控制 技术，在留出的８．５ ｓ空挡中准确插入正极性脉冲。 ２．３极性变换触发脉冲控制电路 逆变ＰＷＭ控制电路如图３所示。 茎瓷 辎一＜ ＫＡ３５２５输出的Ａ／Ｂ两路脉冲信号，经过快速光 耦隔离，从８脚和１７脚将脉宽调制信号送入 ＥＰＭ７０３２Ｓ芯片。 ２蚕 是 蕾 皇 ≥ 辎一＜ 瓷 ∞ 是 鲞 ≥ 瓷 《 电流 制信 选用Ａｌｔｅｒａ公司的ＥＰＭ７０３２Ｓ型ＣＰＬＤ复杂可 编程逻辑芯片，采用脉冲交错插入控制技术，用ＭＡＸ－ ｐｌｕｓ ＩＩ软件中的文本或原理图编辑器，可以方便的完 成可编程逻辑芯片中整个程序逻辑功能的设计、编程 和下载工作。程序采用组合逻辑与时序逻辑相结合的 编程方法，实现双极性脉冲、脉宽不相等非对称开关电 源的各项控制功能。电路详见图４。 ２．３．１ ＣＰＬＤ程序设计要点 （１）用同或门取出３５２５芯片Ａ或Ｂ路脉冲后沿， 即： 图３逆变ＰＷＭ控制电路 Ｙａ＝Ａ（＋）Ｂ Ｙｂ＝Ａ（＋）Ｂ ２．２半桥逆变控制电路原理 选用ＫＡ３５２５作为电源半桥逆变ＰＷＭ控制电路 （２）用两级反相器空翻延时，再与原信号相“与”， 整形后再发出信号，滤除ＣＰＬＤ中的空翻“毛茨”干 扰，即： ・２１ ・ 维普资讯 http://www.cqvip.com
ＣｉＬ馋电．潦狻 ２００８年５月２５日第２５卷第３期 Ｔｅｌｅｃｏｍ Ｐｏｗｅｒ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｉｅｓ Ｍａｙ ２５，２００８，Ｖｏ１．２５ Ｎｏ．３ 图４脉冲组合、逻辑处理电路图 Ｙ＝ＡｏＢ （１．２ Ｆｓ），短路重新恢复时间调整为２．３ ｍｓ。正脉冲取 （３）用Ｄ触发器组成的双稳态适时分配发出正脉 负８００ ＶＡ／Ｂ脉冲后沿经延时、脉宽压缩和整形后取 冲； 得，有效避免了正负脉冲时间重叠“撞车”的可能性。 （４）Ａ或Ｂ路脉冲经ＣＰＬＤ整形、处理后从３９和 ２．４．１限流保护电路原理 ３６脚输出，通过ＫＡ９６２驱动板触发双极性变换桥路 电源采用限流电路进行负载的过流保护。限流保 中的１ 和１ ｂ两个ＩＧＢＴ，完成一８００Ｖ负极性脉冲 护电路如图６。图中１ＨＲ 霍尔互感器对输出电流取 的产生和输出。 样，输出电流反馈信号。该信号经运放ＩＣ８Ｂ电压跟 （５）经ＣＰＬＤ整形及内部组合逻辑电路或时序逻 随器隔离后送限流电路；调整ＷＲ 即可改变三极管 辑处理后，正脉冲频率不变，宽度压缩、且能随负脉冲 ５］ｒ２限流起控点大小；起控后５ 对３５２５—８脚外接软 的宽度自动跟踪调节变化。与Ａ／Ｂ路脉冲同步的 启动电容６Ｇ进行泄放，自动将占空比限制在某一偏 Ａ１１／Ｂ１１触发脉冲，通过ＫＡ９６２驱动板触发双极性 小数值，完成电路的限流保护。 变换桥路中的１ Ｔ３ 和１ Ｔ｛ｂ两个ＩＧＢＴ，完成１００ Ｖ正 极性脉冲的产生和输出。 （６）ＣＰＬＤ内部各逻辑门的“空翻毛茨干扰”问题 Ｍ 是整个ＣＰＬＤ程序设计中面临的最重要的挑战。只 电流互感器 有深刻理解“毛茨”问题，才有可能掌握ＣＰＬＤ设计精 信号 髓，顺利完成ＣＰＬＤ程序设计、调试和下载工作。 图６限流电路图 ２．３．２电源输出波形图 研发、调试完成后，非对称双极性脉冲电源的最终 ２．４．２短路保护原理 输出波形由图５所示。 ＫＡ９６２ ＩＧＢＴ驱动器是Ｍ５７９６２驱动器改进型产 品。驱动器采用光电耦合器隔离，有比较完善的保护 功能，当电源发生短路、过流故障时能最大限度的保护 功率管ＩＧＢＴ。当电源发生短路、过流故障时能设置 软关断速度和故障后再次启动的时间； 短路时的ＩＧＢＴ集电极一发射极电压（Ｕ ）的保护 动作阀值可用电阻Ｒ 精细调节；软关断时间设置 ６．２ ｓ；短路保护动作阀值电压设置４．５ Ｖ；故障后再 恢复时间设置２．３ ｍｓ。 ２．４．３软启动电路 图５电源输出波形图 本电源的软启动功能由两部分组成：电流的 ２．４保护电路 ＰＷＭ脉宽调节部分的软启动由ＫＡ３５２５－８脚外接 双极脉冲电源控制电路设计了多重保护，如限流 ６Ｇ电容充电完成；逆变桥路的工作电压的软启动由 保护、过流保护和短路保护电路。选用霍尔电流互感 图７所示电路完成。 器取样，霍尔互感器反应速度＜１ Ｆｓ，可以满足电路１ 刚上电时，电容２Ｃ 两端电压为０，电压跟随器Ｂ －３ Ｆｓ内控制灭弧的要求。 的７脚电压也为０，电压调节给定电压被２Ｉ）３箝位在 在ｌＧＢＴ驱动板上设置了Ａ／Ｂ脉冲死区调整 ０．７ Ｖ，电源输出电压在很低位置；随后，运放Ａ－１脚 ・２２・ 维普资讯 http://www.cqvip.com
通缱电．潦技术 ２００８年５月２５日第２５卷第３期 胡天运： ５ ｋＷ ４０ ｋＨｚ非对称双极性脉冲开关电源的研制 Ｔｅｌｅｃｏｍ Ｐｏｗｅｒ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｉｅｓ Ｍａｙ ２５，２００８，Ｖｏ１．２５ Ｎｏ．３ Ｂ级。要求变压器低温预烘３０ ｍｉｎ后，浸二道环 １Ｃｌ０ 压调节 电路 氧树脂绝缘清漆，彻底烘干。 ｂ．绝缘电阻 变压器初级、次级绕组间，次级一次级绕组间，以及 各绕组对夹持金属间的绝缘电阻，不低于５００ Ｍｔ－Ｉ。 ３．５开关变压器的耐压试验 各绕组间，以及各绕组对夹持金属间：ＡＣ ４ ｋＶ ／ １ ｍｉｎ，且漏电流小于３ ｍＡ。 ３．６变压器铁芯阶梯式趋向饱和的可能性及其防止 ａ．铁芯阶梯式饱和趋向 图７电压调节软启动电路 的“１”电平通过２Ｒ 对电容２Ｃ 充电，运放１３－７脚电压 逐步升高，调节给定电压和电源输出电压亦逐步升高， 完成整个软启动过程。图中，２Ｉ）２为断电后电容２Ｃ 泄放二极管。 ３关于开关变压器铁芯的选用 本电源大功率开关变压器选用铁基纳米微晶材料 作铁芯。铁基纳米微晶合金的饱和磁感是铁氧体的３ 倍；铁芯损耗（在２０ ｋＨｚ ５０ ｋＨｚ的频率范围）是铁 氧体损耗的１／２～１／５；导磁率是铁氧体的１０倍以上； 居里温度是５７０℃，是铁氧体的３倍。 铁基纳米微晶材料具有优良的综合磁性能，集硅 钢、坡莫合金、铁氧体的优点于一身，即高磁感、高导磁 率、低损耗、及优异的温度稳定性，成为中频逆变电源 开关变压器铁芯的一个较好选择。 ３．１铁芯功率 由于非对称双极性脉冲电源输出正负脉冲的电 压、电流和脉宽均为非对称性，半桥式开关电路中变压 器存在较严重的偏磁现象。为了有效克服这一不利情 况，除了在电路中采取一定的补偿措施外，开关变压器 铁芯功率选择应留有比正常设计大得多的余量。 ３．２原边绕组匝数计算 ａ．初次级绕组电流密度按２．５ Ａ／ｍｍ２选用。 ｂ．初级绕组匝数计算 Ｎｐ＝ Ｕ１ Ｘ １０４ 式中，Ｎ 为初级绕组匝数；Ｕ 为原边电压；Ｋ 为波形系 数，有效值与平均值之比，正弦波时为４．４４，方波时为 ４； 为开关频率（Ｈｚ）；Ｂ 为铁芯磁通密度Ｔ（特斯 拉）；Ａ 为铁芯有效面积（ｍ２）。 在以上公式计算出来的变压器初级绕组匝数的基 础上，再增加一至二匝线圈，即可在一定程度上减小开 关变压器开机导通时励磁涌流带来的影响。 ３．３开关变压器的绕制 变压器的次级高压绕组在铁芯底层，用４股环氧 树脂高强度漆包线并绕，均匀分布；变压器的初级绕组 绕在次级高压绕组外层，１２股环氧树脂高强度漆包线 并绕，均匀覆盖次级高压绕组；１００ Ｖ次级绕组绕在最 外层。铁芯与各绕组的初级与次级绕组之间的绝缘材 料，不少于２层ＤＭＤ薄膜（厚度：２０ ｍ）。 ３．４开关变压器的绝缘处理 ａ．绝缘等级 由于非对称双极性脉冲开关电源在一个周期内所 加到变压器原边正向脉冲平均伏・微秒值不等于负向 脉冲平均伏・微秒值，随着电源通电时间的增加，铁芯 存在逐渐阶梯式饱和趋向，引起开关变压器严重偏磁。 在电源带中、小负载时，由开关变压器偏磁直接引 起变压器的磁饱和的可能性较小；假设电源已带中载、 满载稳定运行，铁芯单向已临近饱和，电源在过流、打 弧或短路等负载瞬变时，极易引起关变压器铁芯饱和 而烧坏开关管ＩＧＢＴ。 ｂ．铁芯阶梯式饱和趋向的防止 非对称双极性脉冲开关电源铁芯偏磁和阶梯式趋 向饱和程度，可用测量两串联滤波电容１Ｃ，、１Ｃ４上的 不平衡电压的数值间接反映出来。研制实践表明，直 流再生补偿电路是防止铁芯偏磁和阶梯式趋向饱和的 有效办法。直流再生补偿电路如图８。 ＋ Ｉ １Ｄｌ６ ２ ＩＣ，ｌ Ｕ ｋ Ｉ Ｌ】 １Ｄ＂２ １Ｃ４牛 － ｆ 图８直流再生补偿电路 图８所示电路，在开关变压器铁芯上加绕一个绕 组Ｌ ，同时接人１Ｄ １Ｄ 两个快恢复二极管。 直流再生补偿电路，是一种动态再生补偿电路，即 偏得少，补偿少，偏得多，再生补偿也多；铁芯上的补偿 线圈多了少了都不行，要获得比较好的效果，可以调整 精确到一匝。 ４电源的占空比 等脉宽（对称或非对称型）双极性脉冲电源，ＰＷＭ 占空比的调节范围一般在５ ９／６～４５ ；而本电源属于 不等脉宽非对称型双极性脉冲电源，其占空比的调节 范围一般在５ ～７０ 左右；两者相比较，后者电源 的占空比的调节范围加大，增加了生产效率和加大了 化合物膜和氧化物膜工艺参数调节范围。 ・２３・ 维普资讯 http://www.cqvip.com 型 巳 旦三 笙 鲞笙 塑 ５电源主要技术性能 所设计电源的主要技术性能如下： Ｃ薹Ｌ馋电．凉 术 ｒｒｅ—ｌｅｃｏｒｎ Ｐｏｗｅｒ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｉｅｓ Ｍａｙ ２５，２００８，Ｖｏ１．２５ Ｎ０．３ 源面板指示仪表。需指出，指针式的直流仪表，指示的 只是电源输出脉冲电压、电流的平均值，电源在使用中 为用户计算靶实际承受功率大小带来方便；但靶的起 起辉电压： 一４００—９００ Ｖ（可调） 工作电压（负脉冲）：一２００—６００ Ｖ（可调） 正脉冲电压： ＋１００ Ｖ 开关频率：电流调节方式占空比调节范围 保护功能 ４０ ｋＨｚ ＰＷＭ脉宽调制 ５ Ｖｏｏ～７０ 限流、过流和短路保护；软 启动。 辉电压决定于电源在同一频率输出脉冲电压的峰值， 而非面板仪表显示的输出电压的平均值。 ６．５试验负载的选用 调试或负载试验时，不同的负载对电源输出脉冲 的波形会产较大的影响。 试验负载可以选用灯泡、电阻箱和水负载。灯泡、 正、负脉冲电压 脉宽与幅值 脉冲宽度、幅值均不相同； 正脉冲随负脉冲的脉宽自 动跟踪调节变化。 电阻箱因结构和制造的原因含有一定的电感分量，使 输出负脉冲波形平顶部位产生振荡。其中水负载影响 最小。电阻箱影响较大。双极性脉冲电源的实际工作 负载为真空镀膜设备，是带有一定容性分量的阻性负 载。因此，带工作负载后，电源输出波形失真会大为好 转。 时序逻辑控制 龛 与 （控制程序可在线升级）～ 。 一 一 ６研制注意事项 ６．１驱动器的接线 ７研制小结 非对称（不等脉宽）双极性脉冲开关电源研制成功 并已正常运行半年，完成化合物、氧化物膜的磁控溅射 工艺试验二百多台次。电源经受住了运行中出现的 “打弧”、过流和靶短路等多发性大电流冲击的考验，达 到了设计的各项电气技术指标。目前，该电源已批量 投入生产。 参考文献： ［１］张占松，蔡宣三．开关电源的原理与设计［Ｍ］．北京：电子 工业出版社，２００４． ＩＧＢＴ的两根门极引线，采用截面不低于０．５ ｍｍ 的多股铜塑线；两线绞接（≥２转／ｃｍ），接线应尽可能 短（＜０．５ ｍ）。ＩＧＢＴ的集电极上有千伏以上高压，故 集电极短路保护取样线在实际接线时不能与两根门极 线扎绑在一起。 ６．２半桥式逆变器输出电容 半桥式开关电源的输出电容１Ｃ １Ｃ 应选用逆 变器专用无感电容或ＣＤＥ电容。电容容量不可选择 过大，否则，易造成输出脉冲不对称和加大铁芯偏磁。 ６．３正极性脉冲电压幅值与脉宽 正极性脉冲的幅值为１００ Ｖ，脉宽最大４．５ ｐｔｓ，最 ／Ｊｓ０．５ ｓ，能跟随负极性脉冲的脉宽而自动调节变化； 不同的靶材所需的正脉冲最佳匹配电压和脉宽不完全 相同，可根据不同用户要求定制。 ６．４指示仪表的选用 选用指针式的直流电压、电流表作为双极脉冲电 ［２］周志敏，周纪海，纪爱华．ＩＧＢＴ和ＩＰＭ及其应用电路 ［Ｍ］．北京：人民邮电出版社，２００６． ［３］王志鹏，付丽琴．Ａｌｔｅｒａ可编程逻辑器件及其应用［Ｍ］．北 京：清华大学出版社，１９９５． ［４］ 王福贞，马文存．气相沉积应用技术［Ｍ］．北京：机械工业 出版社，２００６． ［５］Ｒｏｂｅｒ￣Ｄｕｅｃｋ编著（Ｉｍ拿大），张春等译．数字系统设 计——ｃＰＬＤ应用与ＶＨＤＬ编程ＥＭ］．北京：清华大学出 版社，２００５． 世界通信大会（ＩＣＣ ２００８）专题报道 ２００８年ＩＥＥＥ举办的世界通信大会（ＩＣＣ ２００８）于５月１９日至２３日在中国的北京举行，藉着北京的奥运年，世界通信大会 围绕”通信：更快、更高、更强”的主题，举行了大型的专题讨论会、技术应用交流会、教程和小组讨论。 ＩＣＣ是ＩＥＥＥ通信学会的旗舰会议，其技术会议和企业应用推介活动涵盖了通信领域所有热点领域：声音、文字、图像、服务质 量、家庭网络、信号处理、无线、光学、多媒体通信。ＩＣＣ自１９６５年第一届以来，已举办４Ｏ届。举办城市起初仅限美国国内，后来逐 步扩展到其他国家，而本次ＩＣＣ ２００８首次来到中国，是经国务院特别批准的大型国际通信学术会议，是在奥运之年体现“科技奥 运”的良机。 （摘自：Ｃ１１４网）
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