5kV重复频率高压脉冲电源设计

重复频率高压脉冲产生技术是随着近代科学实验而发展起来的一门技术。主要是依据实验需求，产生不同幅值、频率和脉冲宽度等参数的高压脉冲。目前在科学研究、工业生产、技术改造中得到越来越多的应用。5 kV重复频率高压脉冲电源主要用于气体的预电离，在毛细管放电X线激光的研究中，预脉冲放电对气体预电离被认为是产生X线激光的必要条件。本文利用IGBT做主开关，通过脉冲变压器升压的方式来得到高压脉冲，采用工控计算机和数据采集控制卡对整个系统进行控制。  

1 系统总体设计  

脉冲电源的主要指标要求：脉冲电压3～5 kV可调；脉冲宽度2～20 μs可调；脉冲频率1～200 Hz可调；脉冲电流最大100 A。根据指标要求，所设计的系统原理框图如图l所示。  


  
系统工作过程如下：由控制系统控制可调直流高压电源给储能电容器充电，当充电电压达到设定值后，再控制IGBT按照设定的频率和脉冲宽度导通，产生脉冲电压加在高压脉冲变压器原边，最后由高压脉冲变压器升压，产生所需的高压脉冲加在负载上。  

2 高压脉冲变压器设计  

依据指标要求，高压脉冲变压器的主要参数如下：变比设计为1：4；次级电压为5 kV；初级电压为1．25 kV；最大脉冲宽度为20μs；频率最大为200 Hz。脉冲变压器的伏一秒数为λ。  


  
式中，N为匝数；U为电压；T为时间(脉冲宽度)；△B=Br+Bs(Br为剩余磁感应强度，Bs为饱和磁感应强度)；A为磁芯截面积；S为磁芯填充系数。  

将U=1．25 kV；T=20μs代人式(2)，磁芯材料为非晶，△B为1．6 T，A为0．005 6 m2，可求出原边N为3，由于变比是1：4，所以次变匝数为12。由于脉冲为单极性，磁性还要考虑复位，复位电路原理图如图2所示。  


  
图2中，V1为低压直流电源，R1为限流电阻。由V1通过R1提供一个直流电流给单匝复位线圈A。在高压脉冲变压器工作时，单匝线圈A上会感应较高的电压，利用电感L1，电容C1和高压硅堆VD1对低压直流电源V1进行保护。  

3 IGBT选取及驱动电路设计  

由于脉冲变压器的次边最大电流为100 A，变比为l：4，所以原边最大电流为400 A，原边电压为1．25 kV。IGBT的额定电流应大于400 A，额定电压应大于1．25 kV。采用ABB公司的5SNA0800N330100，额定电压为3 300 V，额定电流为800 A。  

IGBT的触发信号要求一个脉冲宽度在2～20μs可调，脉冲幅度15 V。脉冲频率l～200 Hz可调的方波信号，具备短路和过流保护功能。2-SD315-AI-33是瑞士CONCEPT公司专为3300V高压IGBT的可靠工作和安全运行而设计的驱动模块，它以专用芯片组为基础，外加必需的其他元件组成。  

4 可调直流高压电源设计  

可调直流高压电源由可控硅调压器、高压变压器、整流桥、储能电容器等几部分组成。工作过程如下：交流220 V供给可控硅调压模块，经过调压模块后输出交流0～220 V，加在工频升压变压器的初级，变压器的次级输出经过全桥整流后，通过电感给储能电容器充电。控制调压模块的输出电压，可以使电容器上的电压达到设定值。  

当主回路输出高压脉冲电压为5 kV、脉冲宽度为20μs、脉冲电流为100 A时，单脉冲的能量为10 J。考虑到输出脉冲的平顶，选取储能电容器时，在其工作电压值时的储能为5倍单脉冲能量，即50 J。工作电压为1．25 kV，可求出电容值为64μF。  

对于工频高压变压器，需确定其输出电压和功率等主要参数。主电路最大输出频率为200 Hz，每次电容器要放出约10 J的能量，而对电容器的充电时间必须小于5 ms，所以可求出变压器的平均功率为2 kW。考虑工频高压变压器输出电压经过全桥整流后，脉动频率为100 Hz，小于主电路的最大输出频率为200 Hz，所以实际工频高压变压器输出峰值功率会大于2 kW，可以选取5 kW的变压器。高压变压器输出电压实际选取1．5 kV(峰值)。  

5 控制系统设计  

控制系统原理框图如图3所示。通过计算机控制AO卡 (模拟量输出)输出0～10 V的模拟量，用来控制调压系统中 的可控硅调压器的输出。储能电容器上的电压经过高压采样和AI卡(模拟量输入)，由计算机采集。计算机控制DO卡(数字量输出)输出控制信号控制各类启动开关和IGBT驱动板输出触发信号。各类手动面板的开关信号经过DI卡(数字量输入)，由计算机采集。  


  
6 实验结果  

对系统各部分进行调试。用高压探头测试电压波形，用罗果夫斯基线圈测试电流波形。测试的实验波形如图4、图5和图6所示。  


  
图4中，纵坐标为电压幅度值(2通道2 kV／格，4通道200 mV／格)。通道2为电压波形，电压约为5 kV，脉冲宽度为10μs，上升沿小于lμs。通道4为电流波形，电流值约85 A(波形图中比例为l：500)。图5中，脉冲周期为5 ms，重复频率为200 Hz。图6中，纵坐标为电压幅度值(1通道5 kV／格，2通道2V／格)。l通道为放电电压波形，2通道为放电电流波形。从波形图中可以看出，脉冲当电压加在气体上时，大约经过几微秒时间后，气体发生电离。此时由于分压原因，电压幅值略有下降，电流波形开始出现。在脉冲电压加载期间，气体维持了电离状态。  


  
7 结束语  

以可调直流高压电源、高压IGBT、高压脉冲变压器、工控计算机和数据采集控制卡为核心部件的5 kV重复频率高压脉冲电源，具备脉冲电压、脉冲频率和脉冲宽度等参数可以同时调节的特点，为开展其他指标的脉冲电源研制提供了一种可行的技术途径。从测试结果来看，整个系统完全达到了指标要求，为开展毛细管放电x线激光的研究提供了必要的研究条件。