李璽欽，馮莉，趙娟，吳紅光，李洪濤

（中國工程物理研究院流體物理研究所，脈沖功率科學(xué)與技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，綿陽621999）

基于冷陰極觸發(fā)管的重頻高壓脈沖源設(shè)計(jì)

李璽欽，馮莉，趙娟，吳紅光，李洪濤

（中國工程物理研究院流體物理研究所，脈沖功率科學(xué)與技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，綿陽621999）

為滿足爆轟物理實(shí)驗(yàn)、X光機(jī)以及Marx脈沖功率裝置等觸發(fā)系統(tǒng)的需求，設(shè)計(jì)了一種輸出幅度在8～15 kV、重復(fù)頻率1～40 Hz工作的重頻高壓脈沖源。采用固定頻率脈寬調(diào)制（PWM）控制器TL494集成電路，構(gòu)建高壓電源給儲能電容提供所需能量；在手動觸發(fā)、光觸發(fā)（單次和重頻）以及電觸發(fā)三種觸發(fā)脈沖信號的作用下驅(qū)動IGBT半導(dǎo)體開關(guān)，經(jīng)脈沖變壓器變換后控制冷陰極觸發(fā)管迅速導(dǎo)通，致使儲能電容上的能量在75 Ω負(fù)載上瞬間產(chǎn)生放電，得到一路幅度大于15 kV、脈沖前沿小于13 ns、脈寬大于500 ns的高壓脈沖和一路幅度大于150 V、前沿小于8.3 ns、脈寬大于1 μs的同步脈沖，系統(tǒng)抖動時(shí)間絕對值小于10 ns。通過實(shí)驗(yàn)結(jié)果驗(yàn)證了所采用的設(shè)計(jì)原理及方法的可行性，并給出了重頻工作下高壓脈沖源輸出的實(shí)驗(yàn)結(jié)果。

冷陰極；觸發(fā)管；PWM；重復(fù)頻率；高壓脈沖；同步脈沖；抖動

引言

隨著近年來脈沖功率技術(shù)的迅速發(fā)展，重復(fù)頻率脈沖功率技術(shù)的發(fā)展也成為了熱點(diǎn)之一。尤其是在高功率微波、強(qiáng)激光以及粒子束聚變等脈沖功率領(lǐng)域，以及許多民用領(lǐng)域中都要求脈沖功率裝置具有一定的重復(fù)頻率工作特性［1-2］。因而越來越多功能各異的重復(fù)頻率高壓脈沖源被廣泛應(yīng)用到高功率脈沖系統(tǒng)中，在X光機(jī)、Marx脈沖功率裝置、高功率微波、強(qiáng)激光以及粒子束聚變等領(lǐng)域中發(fā)揮著重要的作用［3-4］。

冷陰極觸發(fā)管作為一種運(yùn)用氣體放電原理所制作的開關(guān)器件，具有工作耐壓高、電流大、導(dǎo)通快以及可重復(fù)頻率工作等優(yōu)點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用于高功率脈沖系統(tǒng)中。針對不同的脈沖功率系統(tǒng)需選擇不同的高壓開關(guān)管，這就造成了脈沖功率系統(tǒng)中高壓脈沖源的設(shè)計(jì)千差萬別［5-7］。

本文所采用的高壓觸發(fā)管為冷陰極觸發(fā)管（V型管），根據(jù)其觸發(fā)機(jī)理成功設(shè)計(jì)了具有手動、光、電脈沖以及重頻（1～40 Hz）觸發(fā)工作模式，控制V型管放電產(chǎn)生幅度為8～15 kV、前沿＜13 ns、脈寬＞500 ns的高壓脈沖以及幅度＞150 V、前沿＜8.3 ns、脈寬＞1 μs的同步脈沖，并且系統(tǒng)抖動達(dá)到小于10 ns的一種重頻高壓脈沖源。

1　系統(tǒng)組成及工作原理

1.1基本組成

本文闡述的基于冷陰極V型管重復(fù)頻率高壓脈沖源主要是采用無源型電——光轉(zhuǎn)換模塊、PWM控制原理構(gòu)建的高壓模塊、數(shù)?；旌想娐?、驅(qū)動芯片和IGBT以及脈沖變壓器來作為高壓脈沖形成單元前級觸發(fā)電路，控制冷陰極觸發(fā)管（V型管）導(dǎo)通對負(fù)載放電。該重頻高壓脈沖源主要是由低壓電源、高壓電源、觸發(fā)脈沖輸入電路、觸發(fā)控制電路和儲能單元、高壓脈沖形成單元以及高壓脈沖和同步脈沖輸出7大部份組成。其中，觸發(fā)輸入電路包括光電脈沖、手動以及重頻三部分觸發(fā)電路；觸發(fā)控制電路由數(shù)模混合電路、驅(qū)動器和固體開關(guān)管IGBT以及脈沖變壓器構(gòu)成，是整個(gè)重頻高壓脈沖源系統(tǒng)核心。其基本組成如圖1所示。

圖1　重復(fù)頻率高壓脈沖源組成原理Fig.1 Form schematic of repetition-rate high voltage pulse power supply

1.2工作原理

冷陰極觸發(fā)管重復(fù)頻率高壓脈沖源系統(tǒng)基本工作原理是：首先低、高壓直流電源提供電路中所需的高、低電壓，分別供給儲能電容元件、外觸發(fā)輸入電路以及數(shù)模混合電路等組成的觸發(fā)控制電路單元。系統(tǒng)一旦被觸發(fā)，觸發(fā)控制電路產(chǎn)生一個(gè)幅度為5 V的正脈沖信號至驅(qū)動器和IGBT開關(guān)管后，輸出幅度500 V的負(fù)脈沖信號，經(jīng)脈沖變壓器變換后產(chǎn)生電壓幅度為5 000 V左右的負(fù)脈沖信號，去觸發(fā)控制冷陰極觸發(fā)管（V型管）瞬間導(dǎo)通，至75 Ω負(fù)載上放電最終輸出幅度為8～15 kV、脈寬大于500 ns、前沿小于13 ns的高壓負(fù)脈沖以及一路與其延遲時(shí)間達(dá)到小于27 ns的同步脈沖信號，系統(tǒng)抖動達(dá)到小于10 ns。

2　電路設(shè)計(jì)

2.1高壓電源

高壓直流電源主要是采用TL494（PWM）集成芯片作為核心控制電路。主要由兩大部分組成：一是以TL494（PWM）為核心構(gòu)成的脈沖源；二是高壓倍壓電路。其中，脈沖源部分是由低壓電源、外部控制調(diào)節(jié)電路以及脈沖形成電路三部分組成；高壓倍壓則是由高頻脈沖升壓變壓器、高壓輸出和電壓采樣反饋電路三部份構(gòu)成。其工作原理是：由低壓直流電源提供24 V電壓，供給固定頻率脈寬調(diào)制集成芯片TL494和半導(dǎo)體MOSFET開關(guān)管組成的推挽式逆變開關(guān)電路，由它產(chǎn)生輸出一個(gè)幅度為24 V、頻率為40 kHz的高頻逆變脈沖信號，去驅(qū)動脈沖變壓器升壓，經(jīng)倍壓整流濾波模塊電路后，輸出固定直流高壓。該直流高壓信號經(jīng)電壓采樣反饋電路產(chǎn)生的反饋信號送至TL494控制集成芯片，經(jīng)外部控制電路作用后，最終輸出電流為10 mA、直流高壓電壓可從0～20 kV連續(xù)調(diào)節(jié)。其電源模塊結(jié)構(gòu)組成如圖2所示。

圖2　高壓電源組成原理Fig.2 Form schematic of high voltage power

2.2觸發(fā)輸入電路

觸發(fā)輸入電路主要是由手動觸發(fā)、電脈沖和重復(fù)頻率觸發(fā)單元電路三部分構(gòu)成，其中，電脈沖和重復(fù)頻率信號為外觸發(fā)輸入信號，手動觸發(fā)為內(nèi)觸發(fā)。重復(fù)頻率觸發(fā)單元電路主要是由單片機(jī)、鍵盤、光纖發(fā)射器以及光纖接收器等部分組成，實(shí)現(xiàn)產(chǎn)生一種頻率和脈寬均可變化且單次或重復(fù)頻率輸出模式的光信號，經(jīng)電平變換電路后信號幅度轉(zhuǎn)換為TTL電平，為后續(xù)電路提供一種可單次或重復(fù)頻率工作的電脈沖外觸發(fā)信號。

2.3觸發(fā)控制電路

觸發(fā)控制電路是整個(gè)系統(tǒng)電路設(shè)計(jì)中的核心部分［8］，它主要是由脈沖產(chǎn)生及輸出電路（數(shù)?；旌想娐罚Ⅱ?qū)動電路（驅(qū)動芯片和驅(qū)動管IGBT）以及脈沖變壓器變換電路三部分組成。

其中，脈沖產(chǎn)生及輸出電路是由數(shù)字集成電路7400和7410以及模擬分立器件組成，主要作用是對產(chǎn)生的觸發(fā)信號進(jìn)行整形及銳化，產(chǎn)生一個(gè)幅度為5 V的預(yù)脈沖觸發(fā)信號，然后供給驅(qū)動電路。

驅(qū)動電路則是由高速光隔離驅(qū)動器IXDN414和半導(dǎo)體開關(guān)器件IGBT構(gòu)成。目的是將脈沖產(chǎn)生及輸出電路單元輸出的預(yù)觸發(fā)脈沖信號，轉(zhuǎn)換成一幅度為15 V的觸發(fā)脈沖信號。用它去驅(qū)動IGBT半導(dǎo)體開關(guān)管，最終輸出一幅度為500 V的負(fù)脈沖觸發(fā)信號，提供給后級脈沖變壓器變換電路。采用光隔離驅(qū)動電路，不僅可以將觸發(fā)脈沖幅度提高，而且還將系統(tǒng)中的前級觸發(fā)部分與后級高壓脈沖形成部分實(shí)現(xiàn)了物理隔離，對整個(gè)系統(tǒng)技術(shù)參數(shù)的可靠性及穩(wěn)定性起到了重要的作用。

脈沖變壓器變換電路主要是由一個(gè)匝比為1：10的環(huán)形脈沖變壓器構(gòu)成，其主要功能是將前級驅(qū)動電路輸出的500 V負(fù)脈沖信號進(jìn)行能量變換，實(shí)現(xiàn)輸出幅度為5 000 V左右的高壓負(fù)脈沖信號，作為后級高壓脈沖形成電路中冷陰極觸發(fā)管（V型管）的觸發(fā)信號。觸發(fā)控制電路原理如圖3所示。

圖3　觸發(fā)控制電路原理Fig.3 Schematic of trigger control circuit

2.4高壓脈沖形成電路

高壓脈沖形成電路主要是由高壓電源、儲能網(wǎng)絡(luò)、高壓氣體開關(guān)、高壓脈沖和同步脈沖輸出電路四部分組成［9-10］。其中，儲能網(wǎng)絡(luò)采用低電感、儲能密度和耐壓高的無極性電容；高壓氣體開關(guān)則采用冷陰極觸發(fā)管（V型管）；高壓脈沖輸出電路則包括高壓限流電阻、儲能電容和互感線圈及高壓脈沖連接器。

高壓電源輸出的直流高壓分兩路：一路經(jīng)限流電阻R3對儲能網(wǎng)絡(luò)中的高壓儲能電容C1進(jìn)行充電；另一路則通過分壓電阻R1和R2加給數(shù)字式電壓表，顯示電壓值。觸發(fā)控制電路輸出幅度為5 000 V左右、脈寬幾微秒的負(fù)觸發(fā)脈沖信號，直接加至冷陰極觸發(fā)管（V型管）的觸發(fā)極上，使V型管瞬間導(dǎo)通，儲能網(wǎng)絡(luò)中電容C1上的能量則通過V型管迅速向負(fù)載放電，經(jīng)高壓脈沖輸出電路最終在負(fù)載上產(chǎn)生幅度為8～15 kV、脈寬大于500 ns、脈沖前沿小于13 ns的負(fù)極性高壓脈沖信號。同步信號則是采用在高壓脈沖連接器輸出地端串接一互感線圈，通過其感應(yīng)來獲取同步脈沖。電路原理如圖4所示。

圖4　高壓脈沖輸出電路原理Fig.4 Schematic of high voltage pulse output circuit

3　結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

為實(shí)現(xiàn)冷陰極觸發(fā)管重復(fù)頻率高壓脈沖源小型化，在電路結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，采用將直流高壓電源控制電路及重頻高壓脈沖源系統(tǒng)中的觸發(fā)輸入和觸發(fā)控制三個(gè)部分電路，集成在一塊PCB電路板上的方法；對高壓模塊電源中的倍壓電路，則采用有機(jī)玻璃盒封裝及有機(jī)硅凝膠灌封。具有絕緣性好、重量輕、體積小便于攜帶。冷陰極觸發(fā)管重復(fù)頻率高壓脈沖源系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖5所示。

圖5　重復(fù)頻率高壓脈沖源結(jié)構(gòu)Fig.5 Repetition-rate high voltage pulse power supply structure schematic

4　實(shí)驗(yàn)結(jié)果

根據(jù)所提設(shè)計(jì)理念，對該冷陰極觸發(fā)管重復(fù)頻率高壓脈沖源進(jìn)行一系列系統(tǒng)調(diào)試實(shí)驗(yàn)，其各項(xiàng)技術(shù)指標(biāo)均達(dá)到并優(yōu)于設(shè)計(jì)要求，其輸出的脈沖波形（前沿、脈寬及延遲時(shí)間）性能穩(wěn)定、體積小重量輕、系統(tǒng)的抗干擾性能強(qiáng)、可靠性高。在重復(fù)頻率為1 Hz觸發(fā)工作下，高壓脈沖源系統(tǒng)在直流高壓為15 kV、負(fù)載75 Ω時(shí)輸出的高壓脈沖以及同步脈沖波形，輸出波形如圖6所示。其主要技術(shù)參數(shù)達(dá)到：高壓脈沖輸出幅度為-15.05 kV，脈寬569.6 ns，前沿12.8 ns；同步脈沖輸出幅度為202 V、前沿為8.24 ns、脈寬1.02 μs，與高壓脈沖信號之間的延遲時(shí)間為26.23 ns（同步脈沖信號取自高壓脈沖輸出末端，傳輸兩者脈沖信號電纜長度達(dá)到一致時(shí)，它們之間的延遲時(shí)間會更小）。其中圖中通道2為高壓脈沖信號，測試采用1000：1高壓探頭，高壓電纜5 m（阻抗75 Ω）；通道1為同步脈沖信號，測試采用10：1探頭，長度為1 m同軸電纜（阻抗50 Ω）。

圖6　高壓脈沖輸出波形Fig.6 Waveform of high-voltage pulse output

為了達(dá)到減小冷陰極觸發(fā)管重復(fù)頻率高壓脈沖源的系統(tǒng)抖動（外觸發(fā)輸入到高壓脈沖輸出之間延遲時(shí)間的最大值與最小值之差），還分別對該脈沖源系統(tǒng)工作電壓進(jìn)行了不同等級系列的加載實(shí)驗(yàn)。在外觸發(fā)脈沖保持不變的狀態(tài)下工作15次，分別得到了一系列數(shù)據(jù)。通過對其數(shù)據(jù)分析得到該冷陰極觸發(fā)管重復(fù)頻率高壓脈沖源，工作電壓在15 kV（自擊穿電壓為16 kV）時(shí)，輸出的高壓脈沖信號不僅前沿快、穩(wěn)定性好，而且系統(tǒng)抖動最小達(dá)到8.3 ns。其延遲時(shí)間及系統(tǒng)抖動（絕對值）波形如圖7所示。

另外，還將該脈沖源在不同頻率觸發(fā)信號作用下，對系統(tǒng)輸出脈沖幅度穩(wěn)定性等方面進(jìn)行了一系列實(shí)驗(yàn)。在工作電壓15 kV、負(fù)載阻抗75 Ω，頻率為1～40 Hz、連續(xù)工作60 s后，得到系統(tǒng)輸出的高壓脈沖幅度分別為-15.05、-15.04、-15.03、-15.03、-15.02和-14.999 kV；當(dāng)系統(tǒng)工作在頻率為7 Hz時(shí)，輸出的高壓脈沖幅度則達(dá)到-14.398 kV。通過對其數(shù)據(jù)分析可得到：該冷陰極觸發(fā)管重復(fù)頻率高壓脈沖源系統(tǒng)，在頻率從1 Hz到6 Hz時(shí)，輸出的高壓脈沖幅度均實(shí)現(xiàn)達(dá)到15 kV，系統(tǒng)穩(wěn)定可靠、實(shí)現(xiàn)重頻工作，達(dá)到的指標(biāo)優(yōu)于設(shè)計(jì)要求（重復(fù)頻率1～35 Hz，連續(xù)工作40 s）。

圖7　延遲時(shí)間及系統(tǒng)抖動（絕對值）波形Fig.7 Waveforms of delay time and system jitter time（absolute value）

5　結(jié)語

實(shí)驗(yàn)表明，要減小冷陰極觸發(fā)管的抖動時(shí)間以及獲取快前沿脈沖，除選用管子最佳工作電壓接近自擊穿電壓外，還可以采用增加對其觸發(fā)脈沖能量和采用快前沿觸發(fā)信號等技術(shù)方法。文中闡述的重頻高壓脈沖源系統(tǒng)在工作電壓為15 kV時(shí)，輸出的高壓脈沖幅度不僅有很好的一致性和穩(wěn)定性，脈沖前沿快、抖動小，而且還可以在重頻模式下可靠工作（重復(fù)頻率1～40 Hz，連續(xù)工作60 s）。本文采用一種基于冷陰極觸發(fā)管和PWM構(gòu)建高壓電源相結(jié)合的技術(shù)方法，來作為重頻高壓脈沖源系統(tǒng)的原理設(shè)計(jì)，經(jīng)實(shí)驗(yàn)結(jié)果驗(yàn)證是可行的，具有良好的可移植性和拓展性。

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Design of the Repetition-rate High Voltage Pulsed Power by Cold Cathode Trigger Tube

LI Xiqin，F(xiàn)ENG Li，ZHAO Juan，WU Hongguang，LI Hongtao
（Key Laboratory of Pulsed Power，Institute of Fluid Physics，China Academy of Engineering Physics，Mianyang 621999，China）

To fulfill the demand of the trigger system of detonation physics experiment，X-ray system and Marx pulse power system，a high voltage pulse trigger with output voltage of 8～15 kV and repetitive frequency of 1～40 Hz is designed.Based on the PWM TL494 integration circuit with fixed frequency，the high voltage power supply was established and supplied the energy to the storage capacitor.The storage capacitor discharged through IGBT and cold cathode trigger tube with manual trigger，optical trigger and electric trigger signal，two in-phase pulses were gotten，the pulse of one channel is with more than15 kV output voltage，less than 13 ns fall time，more than 500 ns pulse width，and another pulse is with more than 150 V output voltage，less than 8.3 ns fall time，more than 1 μs pulse width and jitter less than 10 ns.The experimental results validate the feasibility of the designed theory and method.

cold cathode；trigger tube；PWM；repetition-rate；high voitage pulse；synchronous pulse；jitter time

李璽欽

10.13234/j.issn.2095-2805.2016.5.33

TM 832

A

李璽欽（1968-），男，本科，工程師，研究方向：電子技術(shù)應(yīng)用及脈沖功率技術(shù)應(yīng)用，E-mail：lixiqin107@163.com。

馮莉（1970-），女，本科，高級工程師，研究方向：自動化控制，E-mail：fleexiyue@163.com。

趙娟（1968-），女，本科，高級工程師，研究方向：電子技術(shù)應(yīng)用，E-mail：zj680525@163.com。

吳紅光（1976-），男，通信作者，本科，工程師，研究方向：脈沖功率技術(shù)應(yīng)用，E-mail：wuhongguang@163.com。

李洪濤（1968-），男，博士，研究員，研究方向：脈沖功率技術(shù)應(yīng)用，E-mail：lihongtao@163.com。

2015-12-01

國家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目（61504127）

Project Supported by National Natural Science Foundation of China（61504127）