5KV重復頻率高壓脈沖電源設計

概述：重復頻率高壓脈沖產生技術是隨著近代科學實驗而發展起來的一門技術。主要是依據實驗需求，產生不同幅值、頻率和脈沖寬度等參數的高壓脈沖。目前在科學研究、工業生產、技術改造中得到越來越多的應用。5 kV重復頻率高壓脈沖電源主要用于氣體的預電離，在毛細管放電X線激光的研究中，預脈沖放電對氣體預電離被認為是產生X線激光的必要條件。本文利用IGBT做主開關，通過脈沖變壓器升壓的方式來得到高壓脈沖，采用工控計算機和數據采集控制卡對整個系統進行控制。

　1 系統總體設計

　　脈沖電源的主要指標要求：脈沖電壓3～5 kV可調；脈沖寬度2～20 μs可調；脈沖頻率1～200 Hz可調；脈沖電流最大100 A。根據指標要求，所設計的系統原理框圖如圖l所示。

　　系統工作過程如下：由控制系統控制可調直流高壓電源給儲能電容器充電，當充電電壓達到設定值后，再控制IGBT按照設定的頻率和脈沖寬度導通，產生脈沖電壓加在高壓脈沖變壓器原邊，最后由高壓脈沖變壓器升壓，產生所需的高壓脈沖加在負載上。

　　2 高壓脈沖變壓器設計

　　依據指標要求，高壓脈沖變壓器的主要參數如下：變比設計為1：4；次級電壓為5 kV；初級電壓為1．25 kV；最大脈沖寬度為20μs；頻率最大為200 Hz。脈沖變壓器的伏一秒數為λ。

　　式中，N為匝數；U為電壓；T為時間(脈沖寬度)；△B=Br+Bs(Br為剩余磁感應強度，Bs為飽和磁感應強度)；A為磁芯截面積；S為磁芯填充系數。

　　將U=1．25 kV；T=20μs代人式(2)，磁芯材料為非晶，△B為1．6 T，A為0．005 6 m2，可求出原邊N為3，由于變比是1：4，所以次變匝數為12。由于脈沖為單極性，磁性還要考慮復位，復位電路原理圖如圖2所示。

　　圖2中，V1為低壓直流電源，R1為限流電阻。由V1通過R1提供一個直流電流給單匝復位線圈A。在高壓脈沖變壓器工作時，單匝線圈A上會感應較高的電壓，利用電感L1，電容C1和高壓硅堆VD1對低壓直流電源V1進行保護。

　　3 IGBT選取及驅動電路設計

　　由于脈沖變壓器的次邊最大電流為100 A，變比為l：4，所以原邊最大電流為400 A，原邊電壓為1．25 kV。IGBT的額定電流應大于400 A，額定電壓應大于1．25 kV。采用ABB公司的5SNA0800N330100，額定電壓為3 300 V，額定電流為800 A。

　　IGBT的觸發信號要求一個脈沖寬度在2～20μs可調，脈沖幅度15 V。脈沖頻率l～200 Hz可調的方波信號，具備短路和過流保護功能。2-SD315-AI-33是瑞士CONCEPT公司專為3300V高壓IGBT的可靠工作和安全運行而設計的驅動模塊，它以專用芯片組為基礎，外加必需的其他元件組成。

　　4 可調直流高壓電源設計

　　可調直流高壓電源由可控硅調壓器、高壓變壓器、整流橋、儲能電容器等幾部分組成。工作過程如下：交流220 V供給可控硅調壓模塊，經過調壓模塊后輸出交流0～220 V，加在工頻升壓變壓器的初級，變壓器的次級輸出經過全橋整流后，通過電感給儲能電容器充電。控制調壓模塊的輸出電壓，可以使電容器上的電壓達到設定值。

　　當主回路輸出高壓脈沖電壓為5 kV、脈沖寬度為20μs、脈沖電流為100 A時，單脈沖的能量為10 J。考慮到輸出脈沖的平頂，選取儲能電容器時，在其工作電壓值時的儲能為5倍單脈沖能量，即50 J。工作電壓為1．25 kV，可求出電容值為64μF。

　　對于工頻高壓變壓器，需確定其輸出電壓和功率等主要參數。主電路最大輸出頻率為200 Hz，每次電容器要放出約10 J的能量，而對電容器的充電時間必須小于5 ms，所以可求出變壓器的平均功率為2 kW。考慮工頻高壓變壓器輸出電壓經過全橋整流后，脈動頻率為100 Hz，小于主電路的最大輸出頻率為200 Hz，所以實際工頻高壓變壓器輸出峰值功率會大于2 kW，可以選取5 kW的變壓器。高壓變壓器輸出電壓實際選取1．5 kV(峰值)。

　　5 控制系統設計

　　控制系統原理框圖如圖3所示。通過計算機控制AO卡 (模擬量輸出)輸出0～10 V的模擬量，用來控制調壓系統中 的可控硅調壓器的輸出。儲能電容器上的電壓經過高壓采樣和AI卡(模擬量輸入)，由計算機采集。計算機控制DO卡(數字量輸出)輸出控制信號控制各類啟動開關和IGBT驅動板輸出觸發信號。各類手動面板的開關信號經過DI卡(數字量輸入)，由計算機采集。

　　6 實驗結果

　　對系統各部分進行調試。用高壓探頭測試電壓波形，用羅果夫斯基線圈測試電流波形。測試的實驗波形如圖4、圖5和圖6所示。

　　圖4中，縱坐標為電壓幅度值(2通道2 kV／格，4通道200 mV／格)。通道2為電壓波形，電壓約為5 kV，脈沖寬度為10μs，上升沿小于lμs。通道4為電流波形，電流值約85 A(波形圖中比例為l：500)。圖5中，脈沖周期為5 ms，重復頻率為200 Hz。圖6中，縱坐標為電壓幅度值(1通道5 kV／格，2通道2V／格)。l通道為放電電壓波形，2通道為放電電流波形。從波形圖中可以看出，脈沖當電壓加在氣體上時，大約經過幾微秒時間后，氣體發生電離。此時由于分壓原因，電壓幅值略有下降，電流波形開始出現。在脈沖電壓加載期間，氣體維持了電離狀態。

　　7 結束語

　　以可調直流高壓電源、高壓IGBT、高壓脈沖變壓器、工控計算機和數據采集控制卡為核心部件的5 kV重復頻率高壓脈沖電源，具備脈沖電壓、脈沖頻率和脈沖寬度等參數可以同時調節的特點，為開展其他指標的脈沖電源研制提供了一種可行的技術途徑。從測試結果來看，整個系統完全達到了指標要求，為開展毛細管放電x線激光的研究提供了必要的研究條件。

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