用于电感负载的全固态双极性LTD型脉冲电流发生器_许宁.pdf
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1、2023 年7 月 电 工 技 术 学 报 Vol.38 No.13 第 38 卷第 13 期 TRANSACTIONS OF CHINA ELECTROTECHNICAL SOCIETY Jul.2023 DOI:10.19595/ki.1000-6753.tces.220764 用于电感负载的全固态双极性 LTD 型脉冲电流发生器 许 宁1,2 米 彦1 李政民1 郑 伟1 马 驰1(1.输配电装备及系统安全与新技术国家重点实验室(重庆大学)重庆 400044 2.联合汽车电子有限公司 上海 201206)摘要 在基于脉冲功率技术的肿瘤治疗方法中,利用双极性脉冲磁场处理的治疗方法具有明显的
2、优势。针对此应用,该文结合模块化全桥型多电平换流器(FB-MMC)拓扑及直线变压器驱动(LTD)拓扑的优势,提出了一种用于电感负载的全固态双极性 LTD 型脉冲电流发生器。首先,对该文提出的拓扑结构及原理进行介绍,详细分析了发生器在电感负载下的工作过程;然后,对发生器的硬件电路进行了设计与选型;最后,研制了一台 4 级全固态双极性 LTD 型脉冲电流发生器样机并对其进行性能测试。测试结果表明,该发生器可在电感负载下输出800 A 的脉冲电流,电流的上升时间为 600 ns;发生器的最高工作频率为 10 kHz,并具备灵活的波形调制功能,能输出三角波、梯形波及阶梯波等多种波形。关键词:双极性直线
3、变压器驱动 模块化全桥型多电平换流器 电感负载 波形调制 IGBT 中图分类号:TM832 0 引言 基于脉冲磁场处理的肿瘤治疗方法具有非接触、非热等优点,已经有相关的研究表明脉冲磁场治疗肿瘤具有一定的效果1-4,在课题组前期的研究工作中也发现单极性高频纳秒脉冲磁场对离体肿瘤细胞具有较好的杀伤效果5-6。同时,有相关研究发现,由于交变磁场的方向会随时间变化,所以向肿瘤细胞中加入一定量的磁性纳米材料,并将其置于交变磁场中,磁性纳米材料会在交变磁场的作用下产生机械力和扭矩7,这些机械力和扭矩会传递至肿瘤细胞,从而对肿瘤细胞造成机械式的破坏8-10。而双极性脉冲磁场的方向也随着时间不断改变,其也有望
4、对肿瘤细胞具有较好的杀伤效果,因此基于双极性脉冲磁场处理的方式是一种很有前景的肿瘤治疗方法。为支持双极性脉冲磁场治疗肿瘤技术的相关研究,研制一台能产生双极性脉冲磁场的发生器具有重要的意义。而对于以电流线圈产生磁场的方式而言,其关键在于研制一台可用于电感负载的双极性脉冲电流发生器。对一般的电容储能型脉冲发生器来说,相同拓扑结构下的电流发生器与电压发生器只是开关通流能力的强弱差异,并不存在电路拓扑上的本质区别。有学者结合固态 Marx 和桥式电路的优势11,设计了一种双极性脉冲发生器,可输出5 kV 的脉冲电压。H.Canacsinh 等12分析了广义的双极性 Marx 的工作特性,设计了一种新型
5、的 Marx 发生器,该发生器具备负载普适性。L.M.Redondo 等13将双极性Marx 中的充电开关用电阻替代,电路的开关数量减半,但是放电时开关两端会承受双倍的电压。然而在多数的双极性 Marx 拓扑中14,储能电容的充电过程需要固态开关的参与,增加了电路控制的复杂性。同时,当固态开关高频工作或流过较大的电流时,开关损耗会急剧增加,对开关的耐受能力提出了较高的要求15-16。因此,对工作频率较高的电流发生器而言,充电时的开关损耗也应被考虑在内,需尽可能地避免开关温升过高。近些年来,模块化多电平换流器(Modular Multilevel Converter,MMC)也被广泛用于生成高压
6、双极性脉冲,并衍生出了多种新颖的电路拓扑结构。A.A.Elserougi 等17将多级模块化全桥多电平换流 国家自然科学基金项目(52077022)和“111”引智项目(BP0820005)资助。收稿日期 2022-05-07 改稿日期 2022-06-19 3414 电 工 技 术 学 报 2023 年 7 月 器(Modular Full Bridge Multilevel Converter,FB-MMC)结构串联,通过改变各级 FB-MMC 的开关状态,实现储能电容的顺序充电,而在放电阶段则能实现灵活的波形调制,输出不同的脉冲波形。有学者通过电阻隔离对模块化半桥型多电平换流器(Modu
7、lar Half Bridge Multilevel Converter,HB-MMC)充电18,然后将多个 HB-MMC 串联放电以实现电压叠加,可在电阻负载下实现4 kV 的输出,且波形的上升、下降沿均可灵活调节。总的来看,MMC 拓扑具备灵活的波形调制功能,然而,以上拓扑均需相应的开关给储能电容提供充电回路,因此不适合工作频率较高或者电流较大的应用场合。有学者通过引入辅助充电支路解决了单极性 MMC 型发生器的这一问题19,但是还尚未有涉及双极性MMC 型发生器相关问题的研究。直线变压器驱动(Linear Transformer Driver,LTD)利用磁心的隔离作用,使电压叠加在脉冲
8、变压器的二次侧得以实现,且各模块外壳都接地,从而对绝缘的要求大大减低20-21。所以从理论上讲,LTD 可以实现无限制的电压叠加,这也是 LTD 最显著的优势。近年来,有大量学者研究了用于电阻负载的单极性 LTD 型脉冲发生器22-26。总的来看,在 LTD拓扑中,储能电容的充电过程无需额外的开关动作,且由于 LTD 中存在很多的并联单元,因此很适合输出较大的脉冲电流,如文献27中设计的 LTD 可在电阻负载下输出 3.2 kA 的脉冲电流。但是受限于磁心的饱和效应,单极性 LTD 的输出脉宽较窄,工作频率不高28,而双极性 LTD 则不存在这一问题。因此,双极性 LTD 受到了研究人员的广泛
9、关注29-33。本文开创性地将 FB-MMC 拓扑与 LTD 拓扑的优势结合起来:由于 LTD 拓扑的引入,所设计的发生器能输出较大的脉冲电流,且储能电容的充电过程无需额外的开关动作,有利于降低开关的损耗;而由于 FB-MMC 拓扑的引入,所设计的发生器获得了灵活的波形调制能力,且形成了双极性工作模式,从而避免了 LTD 中磁心饱和的问题,有利于发生器的高频工作。同时,与一般的发生器不同,本文的发生器负载是一个电感线圈。本文首先对发生器的拓扑和工作原理进行分析与介绍;之后搭建样机的测试系统,对输出性能进行相应的测试。1 脉冲电流发生器的原理 1.1 拓扑结构 FB-MMC 的拓扑结构如图 1
10、所示。1 个 FB-MMC 图 1 FB-MMC 拓扑 Fig.1 FB-MMC topology 拓扑主要由 1 个电容器和 4 个固态 IGBT 开关组成。FB-MMC 的开关状态见表 1。由表 1 可知,通过合理地控制 4 个开关的导通时序即可实现不同的电压输出。当开关 Q1及 Q4导通、Q2及 Q3关断时,FB-MMC 输出电压为 Ui;当开关 Q2及 Q3导通、Q1及 Q4关断时,FB-MMC 输出电压为Ui;其余状态下,只要有一个开关导通,FB-MMC 的输出电压均为 0。表 1 FB-MMC 开关状态 Tab.1 FB-MMC switching states 开关状态 Uo Q
11、1 Q2 Q3 Q4 ON OFF ON OFF 0 OFF ON OFF ON 0 ON OFF OFF ON+Ui OFF ON ON OFF Ui 先将多个 FB-MMC 并联以增加发生器的通流能力(亦可降低发生器的等效杂散电感值20),再利用 LTD 原理实现多级 FB-MMC 输出电压的叠加,即构成了本文的 m 级双极性 LTD 型脉冲电流发生器拓扑,如图 2 所示。整个发生器拓扑包括 m 个高压直流电源、mn 个充电电阻、mn 个 FB-MMC、m 个 1:1 的脉冲变压器(对应到实物即为磁心),以及 1 个负载电感。每个 FB-MMC 中的储能电容均可由各自的高压电源直接通过充电
12、电阻充电至相应的电压,充电时不需要任何开关动作,有利于降低充电时开关的功率损耗。通过合理地控制开关时序使每级 FB-MMC 输出合适的脉冲电压,最后经脉冲变压器耦合完成输出电压的串联叠加,在负载电感两端产生相应的脉冲电压输出。需要强调的是,在理论上,该拓扑中的每级发生器均可配备独立的高压电源,且其充电电压均可独立调节,即每级发生器能输出幅值不同的脉冲电压,有利于输出脉冲的波形调制,这是一般的脉冲功率拓扑所不具备的优势。第 38 卷第 13 期 许 宁等 用于电感负载的全固态双极性 LTD 型脉冲电流发生器 3415 图 2 双极性 LTD 型脉冲电流发生器拓扑 Fig.2 Topology o
13、f bipolar LTD pulse current generator 1.2 工作原理 由于本文提出的拓扑中采用的是电容储能,因此发生器直接输出的是脉冲电压信号,而本文关注的是负载电感上的脉冲电流,由电感的定义式变形得到的式(1)即可将两者联系起来。0()()dTLLUtIttL=(1)式中,L 为负载电感值;IL(t)为流过负载电感的电流;UL(t)为负载电感两端的电压;T 为施加 UL(t)的持续时间。很显然,流过负载电感的电流,即发生器的输出电流由负载电感值、发生器的输出电压及输出电压的持续时间三者共同决定。另需说明的是,在该电流发生器工作时,发生器同一级的不同 FB-MMC 的相
14、同桥臂处的开关(如开关 Q1m1、Q1m2、Q1mn)动作必须保持同步,即保证同一级并联的各 FB-MMC 的开关动作完全一致。因此,为了方便介绍发生器的基本工作原理,接下来仅介绍发生器每级只包含 1 个 FB-MMC 时的工作过程。此外,为了避免充电电路的连接过于复杂,在本文的电流发生器中,不同级的发生器共用 1 台高压直流电源。1.2.1 充电模式 充电过程示意图如图 3 所示,发生器工作在充电模式时,所有开关均断开,发生器无输出电流。高压直流电源分别通过充电电阻 R1nRmn给储能电容 C1nCmn充电,达到稳定状态时,储能电容器的电压与每级发生器的充电电压 VDC相同。图 3 充电过程
15、示意图 Fig.3 Schematic diagram of charging process 1.2.2 放电模式 放电过程示意图如图 4 所示。发生器工作在正极性放电模式时,主控信号控制开关 Q11nQ1mn及Q41nQ4mn同步导通,通过脉冲变压器一次侧形成闭合的放电回路,储能电容 C1nCmn经开关对变压器一次侧放电。变压器再将放电能量耦合至负载电感,从而输出正极性脉冲电流。需要注意的是,变压器此时将电压信号耦合给负载电感,由式(1)可知电感上的电流 IL不会突变,而是随着两端电压 UL的持续施加缓慢上升。假设储能电容 C1nCmn足够大,则 IL应随时间线性上升。图 4 放电过程示意
16、图 Fig.4 Schematic diagram of discharge process 1.2.3 续流模式 通过控制开关动作终止储能电容放电后,电路即退出放电模式。如果控制开关 Q11nQ1mn及Q41nQ4mn中的一串关断,另一串保持导通,发生器则进入续流模式,续流过程示意图如图 5 所示。控制 Q41nQ4mn保持导通,由于电感电流不能突变,电感电流将通过开关 Q41nQ4mn及开关 Q11nQ1mn的寄生二极管形成续流回路。在下一个开关动作到来之前,电感电流将一直保持恒定。需要说明的是,续流模式在发生器的工作过程中是可有可无的(如后文描述的负极性输出即为无续流模式),且控制较为简
17、单,这也让其成为该电流发生器波形调制中最为关键的一环。3416 电 工 技 术 学 报 2023 年 7 月 图 5 续流过程示意图 Fig.5 Schematic diagram of tail-cutting process 1.2.4 能量回收模式 能量回收过程示意图如图 6 所示,关断发生器上的所有开关,发生器即进入能量回收模式。电感中的磁场储能将通过 Q21nQ2mn、Q31nQ3mn的寄生二极管回馈至储能电容 C1nCmn,理论上的电感电流下降过程应与放电模式的上升过程完全一致。图 6 能量回收过程示意图 Fig.6 Schematic diagram of tail-cuttin
18、g process 后续则重复以上 4 个模式,当放电模式是通过控制开关 Q21nQ2mn及 Q31nQ3mn导通、后续模式也是控制开关 Q21nQ2mn或 Q31nQ3mn的相关动作时,发生器会输出负极性脉冲电流,其工作过程与正极性完全一致,在此不再赘述。整个工作过程的开关控制信号时序与输出电流波形如图 7 所示。图中分别对应充电模式、放电模式、续流模式和能量回收模式。2 脉冲电流发生器设计 2.1 关键器件的参数选择 2.1.1 目标参数 该电流发生器是为了给高频双极性脉冲磁场对离体肿瘤细胞活性的影响进行实验研究提供硬件平台。在已经开展的实验中6发现,当用 7 匝且电感值为 0.28 H
19、的阿基米德螺旋线圈作为磁场产生线圈,并通入幅值为 600 A、上升时间为 800 ns(0 图 7 开关控制时序与输出电流波形示意图 Fig.7 Timing of control signals of switches and ideal output current 100%)的电流时,对肿瘤细胞具有很强的杀伤效果。因此,若将线圈增加至 8 匝(理论上电感值会增加至 0.366 H,不妨考虑为 0.4 H)、通入的电流幅值增加至 800 A、上升时间缩短至 600 ns 以内,该 8 匝线圈能在更短的时间内产生磁感应强度更大的脉冲磁场,对肿瘤的杀伤效果更佳。同时,相关研究发现,当单极性脉冲
20、磁场的重复频率从 1 kHz 增加到 500 kHz 时,脉冲磁场对肿瘤细胞活性的影响无显著性差异34。因此,本文将该电流发生器的最高重复频率设为 10 kHz,其目标参数见表 2。表 2 脉冲电流发生器的目标参数 Tab.2 Target parameters of pulse current generator 参 数 目标数值 负载电感/H 0.4 脉冲电流幅值/A 800 脉冲电流上升时间/ns 600 脉冲电流最高重复频率/kHz 10 2.1.2 器件选型 本文要求脉冲电流发生器可输出800 A 的脉冲电流。由式(1)可知,要想保证发生器能输出较大的脉冲电流,首先应保证其能输出较高
21、的脉冲电压。实际电路中的开关、储能电容及脉冲变压器等均可能存在杂散电感,而杂散电感的存在会影响发生器的电压传输效率,因此本文考虑理想状态下的发生器输出电压 Uo=2 kV。同时,为了避免开关因 第 38 卷第 13 期 许 宁等 用于电感负载的全固态双极性 LTD 型脉冲电流发生器 3417 切断感性电流而出现过电压击穿现象,最终将发生器设计为 4 级,每级的最大充电电压为 500 V。固态开关选用 Infineon 公司的 IKY75N120CH3型 IGBT。该 IGBT 采用 TO-247-4 型的开尔文式封装结构,有独立的用于驱动的发射极引脚,这有利于在大电流应用场合提高开关控制的可靠
22、性。该IGBT 的各项性能参数见表 3。单个 IGBT 的脉冲耐流为 300 A,因此需要将开关并联以增加发生器的通流能力。本文最终考虑将 2 个 IGBT 并联组成 1块开关板,每块开关板再作为 1 个 FB-MMC 的桥臂开关;最后,每级发生器再由 2 个 FB-MMC 并联组成,此时发生器的脉冲耐流可达 1 200 A,满足设计要求并留有合适的裕度。表 3 IKY75N120CH3 的性能参数 Tab.3 Parameters of IKY75N120CH3 参 数 数 值 集射极击穿电压/V 1 200 脉冲耐流/A 300 通态压降/V 2 二极管压降/V 1.9 发射极电感/nH
23、13 储能电容是电流发生器系统中脉冲能量的供给源,由式(1)可知,在电感电流线性增加的前 600 ns内,电感上的电压应该保持恒定。假设电感电流达到 800 A 时电容器的电压跌落为 5%,且电容器损失的能量全部转移至负载电感。由电容的能量公式计算储能电容 C 损失的能量CW(单位为 J)为()()22oo22195%21200095%2000195000 22=()CWC UUCC 再由电感的能量公式计算负载电感 L 获得的能量LW(单位为 J)为 262110.4 108000.12822LLWLI=(3)最后根据 WC=WL,得到 4 级电流发生器等效的储能电容 C0.656 F,所以每
24、级发生器的等效电容为4 C,每个 FB-MMC的储能电容为2 C=1.312 F。实际上,由于杂散电感及磁心损耗等的存在,储能电容的能量不可能完全转移至负载电感。如果总的杂散电感为 400 nH,则只有 50%的电容能量能转移至负载电感。因此为了保证脉冲放电时的能量供给,储能电容要留有较大裕度。此外,在电感电流的下降阶段虽然会有一部分能量回馈到储能电容,但是整个过程依然伴随着能量损失。而且在 10 kHz 的高频脉冲串放电期间,高压直流电源给储能电容补充的能量可以忽略不计(高压直流电源的充电电流很小),为保证脉冲串内的后续脉冲电流幅值不至于跌落太多,储能电容也应足够大。本文最终选用KEMET公
25、司的 C4AQPBW5170M3OJ型金属化聚丙烯薄膜电容器作为储能电容。该电容的电容值为 17 F,直流耐压为 1 200 V,脉冲耐流达 765 A,且自感仅为 13 nH,各项指标均能达到发生器的设计要求。利用磁心即可构成图 2 中 1:1 的脉冲变压器,所需磁心截面积 S 应满足伏秒平衡,即 ()1sri0()dTk BBSU tt(4)式中,Bs为饱和磁感应强度;Br为剩余磁感应强度;Ui为储能电容的电压值,其最大值为 500 V;T1为放电的持续时间,即 Ui施加的持续时间;k 为填充系数。忽略放电过程中储能电容的电压降落,则式(4)简化为 i 1sr()U TSk BB(5)在本
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