郭 翔 ，江 磊 ，范 青

(1.合肥華耀電子工業(yè)有限公司，安徽 合肥230088；2.安徽四創(chuàng)電子股份有限公司，安徽 合肥230088)

引言

根據(jù)客戶要求，我公司研制了一款高壓脈沖電源，該電源用于測(cè)試脈沖磁控管，要求輸出－4 500 V的高壓脈沖，并具有兩種不同的脈沖寬度，具體要求如下。

1 技術(shù)指標(biāo)要求

1.1 脈沖電源技術(shù)指標(biāo)

輸入電源：220 VAC50 Hz

輸入相數(shù)：?jiǎn)蜗?/p>

輸出電壓：-4 500 V（連續(xù)可調(diào)）

輸出峰值電流：10 A

輸出脈沖寬度與輸出頻率：

脈沖工作狀態(tài) 1： 0.5±10% μs/750±10%Hz（0.7電平處）

脈沖工作狀態(tài) 2： 2.5±10% μs/250±10%Hz（0.7電平處）

工作限度：可連續(xù)工作

具有過流、過壓、限流、限壓等保護(hù)功能。

1.2 燈絲電源

輸出電壓：6.3 V±5%DC

輸出電流：≥2 A

2 脈沖電源電路設(shè)計(jì)方案

由于該項(xiàng)目要求研制周期較緊，而體積要求較為寬松，因此我公司的設(shè)計(jì)方案盡量利用現(xiàn)有器件及成熟技術(shù)，高壓電源為工頻變壓器升壓的線性電源，控制電源、燈絲電源采用廠家標(biāo)準(zhǔn)產(chǎn)品。

該脈沖電源原理框圖見圖1。

工作原理如下：

交流電壓220 V50 Hz輸入后，分別送至高壓電源、控制電源及燈絲電源。高壓電源為線性電源，輸出為最高1 300 V的直流高壓 (通過調(diào)壓器實(shí)現(xiàn)連續(xù)可調(diào))。調(diào)制開關(guān)為4只MOS管IXFN32N120串聯(lián)開關(guān)。脈沖電源的觸發(fā)脈沖由觸發(fā)電路產(chǎn)生，經(jīng)控制電路、驅(qū)動(dòng)電路放大隔離后輸入至調(diào)制開關(guān)，調(diào)制開關(guān)導(dǎo)通，高壓電源經(jīng)調(diào)制開關(guān)向脈沖變壓器初級(jí)放電，經(jīng)1：4脈沖變壓器放大后輸出到磁控管負(fù)載，負(fù)載脈沖電壓最高輸出為－5 000 V。

控制電源為朝陽模塊電源4NIC-K37.5，燈絲電源為朝陽模塊電源4NIC-X30，燈絲電源工作即磁控管燈絲預(yù)熱后開始計(jì)時(shí)，5 min后時(shí)間繼電器閉合方可加高壓。

2.1 高壓電源

根據(jù)技術(shù)要求，該脈沖電源輸出峰值功率為45 kW，但平均功率很低，按脈沖工作狀態(tài)1計(jì)算，平均功率為17 W；按脈沖工作狀態(tài)2計(jì)算，平均功率為28 W。因此高壓電源按輸出功率100 W設(shè)計(jì)，足以滿足輸出功率要求。

高壓線性電源電路圖見圖2。

為便于電壓調(diào)整，輸入使用200 W調(diào)壓器，經(jīng)1:4.5電源變壓器升壓，整流濾波后輸出直流高壓。

高壓電源輸出電壓、電流取樣信號(hào)至控制電路，控制電路具有過壓、過流保護(hù)功能，過壓保護(hù)點(diǎn)為1 300 V，過流保護(hù)點(diǎn)為0.1 A，過壓或過流任一故障出現(xiàn)后控制電路封鎖觸發(fā)電路信號(hào)，調(diào)制開關(guān)關(guān)斷，高壓電源無輸出。

2.2 調(diào)制開關(guān)及均壓網(wǎng)絡(luò)

調(diào)制開關(guān)為4只MOS管串聯(lián)的組合開關(guān)，電路圖見圖3。

MOS管型號(hào)為IXYS公司IXFN32N120，電壓1 200 V，穩(wěn)態(tài)電流32 A，脈沖電流128 A，4只MOS管串聯(lián)后耐壓達(dá)到4 800 V，該脈沖電源放電時(shí)，脈沖變壓器初級(jí)的脈沖電壓最大為1 300 V，脈沖電流40 A，該串聯(lián)調(diào)制開關(guān)可完全滿足要求。

對(duì)于串聯(lián)運(yùn)用的開關(guān)器件，均壓電路是非常重要的。本高壓脈沖電源采用一組串并結(jié)合的無源網(wǎng)絡(luò)作為均壓電路，網(wǎng)絡(luò)由電阻、電容和瞬態(tài)抑制二極管TVS組成。

均壓電阻1 MΩ：MOS管存在著漏電流的離散，特別在環(huán)境發(fā)生變化時(shí)，差異會(huì)更大，均壓電阻可以減小由于器件漏電流所造成的靜態(tài)阻抗的不均勻。此外，均壓電阻可以起到放電電阻的作用。

均壓電容1 000 pF:IXFN32N120MOS管的典型輸出電容COSS=1 000 pF，該電容在不同的環(huán)境下也存在差異，均壓電容并聯(lián)以后，可以提高串聯(lián)MOS管的等效輸出電容的一致性。

TVS擊穿電壓900 V：在均壓良好的情況下，單只 MOS管承受的工作電壓為 300V，IXFN32N120MOS管的最高漏-源電壓Vdss=1 100 V，而TVS的擊穿電壓有一定范圍要求，因此選擇900 V左右的瞬態(tài)抑制二極管對(duì)MOS管進(jìn)行過壓保護(hù)是合理的。

2.3 驅(qū)動(dòng)電路

調(diào)制開關(guān)中每只MOS管的驅(qū)動(dòng)電路見圖4。

驅(qū)動(dòng)電路的電源通過降壓隔離電源變壓器輸入，觸發(fā)信號(hào)通過觸發(fā)脈沖變壓器輸入，觸發(fā)脈沖變壓器次級(jí)輸出4路驅(qū)動(dòng)信號(hào)分別至MOS管串聯(lián)開關(guān)，因此要求觸發(fā)脈沖變壓器初、次級(jí)隔離電壓為3 000 VDC，以保證調(diào)制開關(guān)的對(duì)地絕緣。

2.4 脈沖變壓器

脈沖變壓器為該脈沖電源的關(guān)鍵元件，作用是將高壓電源放電產(chǎn)生的脈沖放大到所需的脈沖高壓，變比為1：4。由于該脈沖電源為鋼管調(diào)制器工作狀態(tài)，脈沖變壓器無充電電流去磁，因此脈沖變壓器的設(shè)計(jì)必須注意鐵芯的飽和問題。同時(shí)，該脈沖變壓器工作在兩種脈沖寬度狀態(tài) （0.5 μs，2.5 μs），脈沖寬度較窄，等效頻率較高，因此該脈沖變壓器選用低Br的超微晶鐵芯。

由于燈絲電源必須通過脈沖變壓器的次級(jí)繞組輸出到磁控管的陰極及燈絲，脈沖變壓器的次級(jí)繞組采用雙繞組的方式，繞組導(dǎo)線除承受脈沖電流外還必須能夠承受2 A的燈絲電流。

2.5 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案

該脈沖電源結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)見圖5，體積約為500 mm×500 mm×200 mm。

2.6 脈沖電源測(cè)試數(shù)據(jù)

該脈沖電源完成生產(chǎn)裝配后，經(jīng)調(diào)試，在電阻負(fù)載上兩種脈沖工作狀態(tài)下的輸出波形見圖6，脈沖輸出峰值電壓最高-4 500 V，脈沖電流10 A，前、后沿均小于200 ns。

3 結(jié)論

通過上述測(cè)試數(shù)據(jù)，可驗(yàn)證該脈沖電源設(shè)計(jì)方案完全滿足技術(shù)指標(biāo)要求。目前該脈沖電源已交付客戶并正常使用。