灯丝电源的抗高压/强电流冲击设计

 0 引言

灯丝加热电源是为某大功率装置大电流开关的灯丝提供加热的直流稳压电源。该大电流开关在触发动作时，会输出一个幅度近30 kV，脉宽约为10 μs的高压触发脉冲，这个高压触发脉冲会返回到灯丝加热电源装置。若不采取措施，不仅会导致灯丝加热电源装置的损坏，而且所形成的短路通路有可能致使大电流开关的管子受损；同时大电流开关在触发的瞬间，由于大电容对地放电，致使地电流迅速增大，地电位也随之迅速提高，这些突变，会通过220 V交流电来影响周围其他的仪器设备，导致这些设备的损坏。

为了确保灯丝加热电源能够正常的工作，灯丝加热电源本身必须具有抗高压、强电流冲击等功能。这就要求灯丝加热电源，不仅要为大功率装置大电流开关的灯丝加热提供4路高稳定度的电源输出，还必须具有抗大电流开关的反馈脉冲高压及强电流的冲击，并隔离与市电(220 V)的相互干扰等特性。

1 灯丝电源装置的设计思想

抗高压高精度灯丝电源应具有以下特点：

(1)因为灯丝电压的高低直接影响到大电流开关的触发质量，如：灯丝电压太低，阴极发射能力不足，增益会降低；灯丝电压太高，阴极活性物过分蒸发，会导致大电流开关寿命缩短。因此要求灯丝电源必须提供高稳定度的电压输出。

(2)大电流开关的灯丝具有冷态电阻小，热态电阻大的特点，灯丝电源在开机的瞬间易受浪涌电流(十几安培)的冲击，会影响其寿命。因此灯丝电源要具有抗大电流冲击的能力。

(3)大电流开关触发后，会反馈回一个幅度近30 kV脉冲电压和100 kA脉冲电流的高压脉冲，会直接损坏电源本身及影响周围其他仪器。因此灯丝电源还要具有抗高压反馈脉冲冲击的能力。

为满足以上要求，抗高压高精度灯丝电源采用图1的方法加以研究。



1．1 隔离高压触发反馈脉冲干扰技术

高压隔离变压器的设计是利用高压隔离变压器初次极间的电容所形成的交流阻抗并且断开地环路来隔离高压脉冲的冲击。同时在高压隔离变压器的输入端也接入高压旁路电容，这样就可以隔离高压触发反馈脉冲通过电源对后面测试仪器的影响。

将电源和仪器之间加入高压隔离变压器，可以起到阻断耦合路径的作用。接入高压隔离变压器后可以断开地环路，如图2所示。而且这种连接对正常传输电流的阻抗是很低的，但对纵向的噪声电流来说，它却有着很高的阻抗，即50 Hz的基波成分几乎可以畅通无阻地通过，而高频成分却被削弱，所以在灯丝电源装置中，高压隔离变压器是必不可少的。

接入高压隔离变压器把设备电源与进线电源隔离开来，把噪声于扰的路径切断，从而达到抑制噪声干扰的效果。可以有效地抑制窜入交流电源中的噪声干扰。隔离变压器属于感性负载，能抑制电流的突变，能有效地减少浪涌电流，减小电压高低的突变性及电源波动等，抑制从电源线引入的高压脉冲对电源产生干扰；能从根本上防止由于地电位扰动所引起的电源工作失常。

1．2 抗大电流冲击、高稳定度电源的技术

大电流开关的灯丝具有冷态电阻小，热态电阻通电后逐渐增大的特点，因此在开机时直流电源易受浪涌电流(十几安培)的冲击，会影响到灯丝加热电源的寿命和可靠性。同时为保证大电流开关的可靠性，稳定触发及其寿命，要求灯丝加热电源提供高稳定度的电压输出。

为此，低压电源部分采用缓起动和集成稳压技术来实现。以集成稳压技术实现为大电流开关的灯丝提供高稳定度的电源输出；以缓启动技术实现阻遏开机瞬间浪涌电流(大于10A)对低压电源的冲击。

为了减小浪涌电流的冲击，避免低压开关电源提前损坏，在低压开关电源电路的设计上采取措施，即将低压开关电源电路与缓起动电路设计相接合。使灯丝电压缓慢增加至额定值，使电流亦缓慢增加，从而避免了浪涌电流的冲击。缓起动电路采取从零开始平滑提升的办法，利用其输出电压相应改变的原理，达到了输出电压从零平滑升高的目的(见图3)。

它的基本电路结构框图如图4所示。缓起动电路的作用是对VAdj进行控制，使输出电压逐步形成一个上升的曲线，上升时间的长短可以借助R3C3参数的调整，在较大的范围内改变，刚开机时PNP晶体管导通，Adj的电位被Vces箝位得很低，使输出电压不能瞬间建立，随着电容C3的充电，PNP晶体管最终达到截止，这时输出电压Vo=VAdj+Vces。达到了缓起动的目的，起到了对灯丝电源的稳流控制。

1．3 大功率扼流圈

由于低压开关电源的输出工作电流达到了1．6 A，因此要求扼流圈自身的直流阻抗很小，使其自身的直流压降很小；同时为了增加脉冲高压在它上面的压降，又要求它的交流阻抗要很大。为了得到较高的交流阻抗，在选择扼流圈磁芯时，要优选导磁率高的磁芯。

工作频率远高于截止频率时，电阻增量远大于电抗增量，阻抗增量接近电阻增量，此时扼流圈接近于一个电阻器，它不仅能抑制而且能吸收反馈脉冲的能量。

按图5所示电路连接，L为用2 m长的φ1 mm的高强度漆包线，分别在μ0=2 kH／m和μ0=7 kH／m的磁芯(φ50 mm×30 mm×20 mm)上绕制的扼流圈(自制)。当输入电压为5 V的正弦波信号时，通过测量输出的电压值，就可以得到L上交流阻抗的压降大小。因为主脉冲的脉宽为10μs，频率应选用100 kHz，但仅有的SG503信号源没有100 kHz档，所以只能利用信号源现有的50 kHz和220 kHz档来做实验。实验数据见表1。

若交流阻抗高，L上的压降就大，输出的电压值Vo就低。通过实验数据比较可以看出，在试验的频段内μ0=7 kH／m的磁芯的交流阻抗，优于μ0=2 kH／m的磁芯的交流阻抗。

1．4 抗干扰技术

(1)低压开关电路的输出直流电流达1．6 A，因此要求高压脉冲扼流圈的直流电阻要很小，以使其直流压降很小；为了增加反馈高压脉冲在它上面的压降，又要求它的交流阻抗很大。为了得到较高的交流阻抗，在扼流圈磁芯的选材上，要选磁导率高的磁芯。

(2)在低压开关电路与氢闸管灯丝之间串入电感量为10 mH的并行双扼流圈，使100 kHz的频率信号能形成约6．3 kΩ的阻抗。因而高压触发反馈脉冲就有约3／4的峰值压降在了高压脉冲扼流圈上。

(3)在低压开关电路的输入／输出线间，以及输入／输出与地之间，大量使用了高压旁路电容，组成了抗高压组件，遏制和泄放高压反馈脉冲的冲击，以防止在低压开关电路上形成过高的峰值电压，损坏低压开关电源的器件。同时接地也采用"浮地"的方法来抑制环境的干扰。

(4)高压隔离变压器在绕制时将初级和次级分开绕制，并加屏蔽来减少其分布电容，以提高抗干扰能力。在220 V交流电源通过隔离变压器后又加装了滤波电路。这种滤波器对滤掉干扰频率有一定效果。因为L对较高频率有一定的阻抗，从电容C来说，对高频阻抗小，因此可以为干扰频率提供回路，这对滤除干扰有效。

大电流开关在动作时，高压隔离变压器等效为大电容C；由于高压电容的旁路作用，此时的低压开关电源模块交流阻抗趋于零；高压脉冲扼流圈等效为电感L。总之，要使整个回路的交流阻抗尽可能大，使流入的高压峰值电流趋于零。整个回路可以等效为Γ型滤波电路，见图6。