國(guó)家罡

摘? 要：高壓脈沖電源擁有特定的脈沖和測(cè)量操作程序，在電場(chǎng)除菌、激光操作、等離子體發(fā)生器等領(lǐng)域起著十分重要的作用。隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)和科技的發(fā)展，工業(yè)領(lǐng)域、油田領(lǐng)域等都開始需要應(yīng)用脈沖電源。和傳統(tǒng)高壓直流供電電源相比，脈沖式電源顯示出良好的性能，在低壓脈沖電源的基礎(chǔ)上出現(xiàn)了適用范圍更廣泛的高壓脈沖電源。該文著重研究了1種基于脈沖頻率調(diào)節(jié)機(jī)制的數(shù)控高壓脈沖電源結(jié)構(gòu)，并用其滿足中子管檢測(cè)系統(tǒng)對(duì)離子源的供電需求。

關(guān)鍵詞：高壓脈沖電源;中子;離子源;脈沖電源

中圖分類號(hào)：TL822? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

中子發(fā)生器可以持續(xù)性發(fā)射中子，還可以以脈沖的方式發(fā)射中子并且深受離子源性能的影響，而離子源的工作狀態(tài)深受離子源結(jié)構(gòu)、磁場(chǎng)強(qiáng)度、陽極電壓大小以及離子源內(nèi)部壓力大小的影響。同時(shí)，離子源在直流狀態(tài)和脈沖狀態(tài)下的工作形式不同，為了能夠增強(qiáng)電壓使用的安全性和穩(wěn)定性，需要相關(guān)人員就脈沖狀態(tài)下的離子源特點(diǎn)進(jìn)行深入的研究。

1 高壓脈沖電源的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

高壓脈沖電源在運(yùn)行中的主要功能是將直流電壓通過斬波的形式來產(chǎn)生具有一定頻率、脈寬的脈沖高壓電，之后將其作為中子管離子源陽極電壓，并根據(jù)不同需求來選擇中子脈沖。為了能夠獲得良好的高壓脈沖波形，該文以MOSFET作為開關(guān)器件，設(shè)計(jì)出1種脈沖和頻率可調(diào)的高壓脈沖電源，該電源的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1中可以看出整個(gè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)了直流高壓電源，能夠產(chǎn)生直流高壓，之后通過控制開關(guān)器件斬波會(huì)將高壓直流變成方波式的脈沖有效輸出，為中子管內(nèi)部的離子源持續(xù)供電。

2 高壓脈沖電源的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)特點(diǎn)

2.1 脈沖頻率調(diào)制的基本原理分析

脈沖頻率調(diào)制方式一般是指通過固定導(dǎo)通時(shí)間和改變截止時(shí)間來改變高壓脈沖電源頻率。在整個(gè)高壓脈沖電源系統(tǒng)運(yùn)作的過程中，不管是負(fù)載還是輸入電壓發(fā)生變化，都會(huì)在不同程度上引起輸出電壓的變化，這種變化還會(huì)干擾到系統(tǒng)的穩(wěn)定電路。如果輸出電壓下降，系統(tǒng)通過穩(wěn)定電壓的時(shí)間和系統(tǒng)截止時(shí)間將會(huì)縮短，系統(tǒng)直流分量的快速增加會(huì)干擾高壓脈沖電源系統(tǒng)的穩(wěn)定。

2.1.1 變壓器設(shè)計(jì)

反激式變壓器一般會(huì)通過初級(jí)繞組將所接收到的能量存儲(chǔ)在磁性材料中，當(dāng)初級(jí)回路關(guān)斷后，將能量重新傳輸?shù)酱渭?jí)回路系統(tǒng)中。在具體操作時(shí)典型的變壓器阻抗和反復(fù)繞組匝數(shù)關(guān)系不能夠直接使用。

2.1.2 緩沖器的設(shè)計(jì)

抑制高壓脈沖電源的系統(tǒng)開關(guān)應(yīng)力一般包括3種方式。1）減少漏電感的操作方式。2）消耗電壓能量的方式。3）將能量重新反饋到電源的操作模式。第一種抑制開關(guān)應(yīng)力方式需要應(yīng)用先進(jìn)的工藝來完成，第二種和第三種則需要借助電感線圈、開關(guān)管并聯(lián)模式、附加的線圈、定向二極管來實(shí)現(xiàn)。

在反激的過程中，存儲(chǔ)在變壓器的初級(jí)電感會(huì)將能量重新傳輸?shù)酱渭?jí)系統(tǒng)中，次級(jí)回路中的寄生電感、電容C1寄生電感、輸出線路漏感折算會(huì)回歸到初級(jí)電感，并重新按照源極間的漏電容值重新分配在漏極電源中，這個(gè)時(shí)候過電壓引起的開關(guān)應(yīng)力就會(huì)加速管子的損壞，因此需要采取措施限制緩沖網(wǎng)絡(luò)。

2.1.3 過流保護(hù)

高壓脈沖電源的系統(tǒng)的過流保護(hù)主要包括平均電流門限檢測(cè)、漸進(jìn)性的過流保護(hù)等保護(hù)方式，通過這種方式來限制整個(gè)門限的操作。過流保護(hù)操作作用下的輸出電流一般是通過在負(fù)載上串聯(lián)電阻來實(shí)現(xiàn)的。如果檢測(cè)到輸出的電流接近最開始設(shè)計(jì)的限定數(shù)值，則會(huì)在一定程度上阻礙電壓的誤差，由此來限制整個(gè)電流。而如果電壓輸出過程中突然遇到阻礙因素，且沒有及時(shí)采取措施保護(hù)功率開關(guān)，就會(huì)無法檢測(cè)進(jìn)入到飽和狀態(tài)的磁性元件，最終嚴(yán)重?fù)p壞整個(gè)高壓脈沖電源的系統(tǒng)的功率開關(guān)管。針對(duì)以上的過流保護(hù)局限，人們提出逐周過電流保護(hù)方式。通過在功率開關(guān)管上串聯(lián)1個(gè)電阻互感器/電流互感器來更好地檢測(cè)通過功率開關(guān)管的瞬時(shí)間電流。如果系統(tǒng)電流超過之前設(shè)定的瞬時(shí)電流限制值，就需要及時(shí)采取措施關(guān)閉功率開關(guān)管，由此以較快的速度保護(hù)電路。

2.1.4 輸出電壓通斷開關(guān)的控制操作

高壓脈沖電源的系統(tǒng)電源輸出的最大電流為1 mA，最大功率為3 W，因而在高壓脈沖電源的系統(tǒng)運(yùn)行的時(shí)候可以通過限制電源電壓和最大輸出功率來實(shí)現(xiàn)對(duì)整個(gè)操作系統(tǒng)的控制，主要是對(duì)輸出高壓通斷情況的控制。高壓脈沖電源的系統(tǒng)可以通過高壓繼電器、高壓晶閘管等來對(duì)整個(gè)系統(tǒng)高壓輸出情況進(jìn)行控制。但是這種操控方式往往需要消耗較多的資金，適用范圍十分有限。

2.1.5 電容放電電路

根據(jù)電源實(shí)際需求和電路應(yīng)用性、經(jīng)濟(jì)性，在輸出電壓斷電的時(shí)候可以利用小電阻快速放電，從而使得輸出的電壓數(shù)值能夠更好地接近矩形波。高壓脈沖電源電路采用了2個(gè)1.7 kV的晶體管，在Dis-C信號(hào)是高電平狀態(tài)的時(shí)候，晶體管會(huì)被接通，之后通過R26進(jìn)行放電。在整個(gè)系統(tǒng)操作時(shí)，為了防止晶體管不同時(shí)導(dǎo)通，可以通過采用穩(wěn)壓管來避免晶體管被擊穿。

3 高壓脈沖電源測(cè)試結(jié)果

從高壓脈沖電源測(cè)試結(jié)果來看，在電源深受單片機(jī)控制而無法正常工作的時(shí)候，VTr的柵極驅(qū)動(dòng)電壓波形的工作頻率在80 kHz左右，單片機(jī)給出的控制信號(hào)頻率一般為25 Hz。在高壓脈沖電源系統(tǒng)控制信號(hào)處于低電平狀態(tài)的時(shí)候，VTr的柵極將不會(huì)產(chǎn)生驅(qū)動(dòng)信號(hào)和輸出電壓。

在進(jìn)行電容放電測(cè)試的時(shí)候，單片機(jī)不會(huì)發(fā)出放電信號(hào)，即在不通過放電電路的時(shí)候就能夠進(jìn)行放電。經(jīng)過測(cè)試后發(fā)現(xiàn)高壓脈沖電源適合應(yīng)用于中子管探測(cè)系統(tǒng)，并且經(jīng)過多次試驗(yàn)和測(cè)試后發(fā)現(xiàn)這個(gè)系統(tǒng)的操作基本達(dá)到了離子源供電所要求的技術(shù)指標(biāo)。

4 結(jié)語

綜上所述，脈沖電源技術(shù)是在20世紀(jì)30年代、60年代產(chǎn)生的一種新興技術(shù)形式，經(jīng)過很多年的發(fā)展，這類技術(shù)形式具備了持續(xù)供電的特點(diǎn)，隨著工業(yè)化社會(huì)的深入開展，脈沖電源技術(shù)逐漸被人們應(yīng)用到社會(huì)生活、生產(chǎn)的多個(gè)方面。根據(jù)該文分析，設(shè)計(jì)的高壓脈沖電源具有能耗消耗少、體積小、重量輕、絕緣性能好、成本低、高壓輸出持續(xù)和電壓性能穩(wěn)定的應(yīng)用優(yōu)勢(shì)，在高壓脈沖電源系統(tǒng)出現(xiàn)異常故障的時(shí)候，高壓脈沖電源不會(huì)因?yàn)閱?dòng)保護(hù)功能而引起其他零部件的損害，更不會(huì)對(duì)他人造成傷害。

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