5KV重復(fù)頻率高壓脈沖電源設(shè)計(jì)

概述：重復(fù)頻率高壓脈沖產(chǎn)生技術(shù)是隨著近代科學(xué)實(shí)驗(yàn)而發(fā)展起來(lái)的一門技術(shù)。主要是依據(jù)實(shí)驗(yàn)需求，產(chǎn)生不同幅值、頻率和脈沖寬度等參數(shù)的高壓脈沖。目前在科學(xué)研究、工業(yè)生產(chǎn)、技術(shù)改造中得到越來(lái)越多的應(yīng)用。5 kV重復(fù)頻率高壓脈沖電源主要用于氣體的預(yù)電離，在毛細(xì)管放電X線激光的研究中，預(yù)脈沖放電對(duì)氣體預(yù)電離被認(rèn)為是產(chǎn)生X線激光的必要條件。本文利用IGBT做主開關(guān)，通過(guò)脈沖變壓器升壓的方式來(lái)得到高壓脈沖，采用工控計(jì)算機(jī)和數(shù)據(jù)采集控制卡對(duì)整個(gè)系統(tǒng)進(jìn)行控制。

　1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

　　脈沖電源的主要指標(biāo)要求：脈沖電壓3～5 kV可調(diào)；脈沖寬度2～20 μs可調(diào)；脈沖頻率1～200 Hz可調(diào)；脈沖電流最大100 A。根據(jù)指標(biāo)要求，所設(shè)計(jì)的系統(tǒng)原理框圖如圖l所示。

　　系統(tǒng)工作過(guò)程如下：由控制系統(tǒng)控制可調(diào)直流高壓電源給儲(chǔ)能電容器充電，當(dāng)充電電壓達(dá)到設(shè)定值后，再控制IGBT按照設(shè)定的頻率和脈沖寬度導(dǎo)通，產(chǎn)生脈沖電壓加在高壓脈沖變壓器原邊，最后由高壓脈沖變壓器升壓，產(chǎn)生所需的高壓脈沖加在負(fù)載上。

　　2 高壓脈沖變壓器設(shè)計(jì)

　　依據(jù)指標(biāo)要求，高壓脈沖變壓器的主要參數(shù)如下：變比設(shè)計(jì)為1：4；次級(jí)電壓為5 kV；初級(jí)電壓為1．25 kV；最大脈沖寬度為20μs；頻率最大為200 Hz。脈沖變壓器的伏一秒數(shù)為λ。

　　式中，N為匝數(shù)；U為電壓；T為時(shí)間(脈沖寬度)；△B=Br+Bs(Br為剩余磁感應(yīng)強(qiáng)度，Bs為飽和磁感應(yīng)強(qiáng)度)；A為磁芯截面積；S為磁芯填充系數(shù)。

　　將U=1．25 kV；T=20μs代人式(2)，磁芯材料為非晶，△B為1．6 T，A為0．005 6 m2，可求出原邊N為3，由于變比是1：4，所以次變?cè)褦?shù)為12。由于脈沖為單極性，磁性還要考慮復(fù)位，復(fù)位電路原理圖如圖2所示。

　　圖2中，V1為低壓直流電源，R1為限流電阻。由V1通過(guò)R1提供一個(gè)直流電流給單匝復(fù)位線圈A。在高壓脈沖變壓器工作時(shí)，單匝線圈A上會(huì)感應(yīng)較高的電壓，利用電感L1，電容C1和高壓硅堆VD1對(duì)低壓直流電源V1進(jìn)行保護(hù)。

　　3 IGBT選取及驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)

　　由于脈沖變壓器的次邊最大電流為100 A，變比為l：4，所以原邊最大電流為400 A，原邊電壓為1．25 kV。IGBT的額定電流應(yīng)大于400 A，額定電壓應(yīng)大于1．25 kV。采用ABB公司的5SNA0800N330100，額定電壓為3 300 V，額定電流為800 A。

　　IGBT的觸發(fā)信號(hào)要求一個(gè)脈沖寬度在2～20μs可調(diào)，脈沖幅度15 V。脈沖頻率l～200 Hz可調(diào)的方波信號(hào)，具備短路和過(guò)流保護(hù)功能。2-SD315-AI-33是瑞士CONCEPT公司專為3300V高壓IGBT的可靠工作和安全運(yùn)行而設(shè)計(jì)的驅(qū)動(dòng)模塊，它以專用芯片組為基礎(chǔ)，外加必需的其他元件組成。

　　4 可調(diào)直流高壓電源設(shè)計(jì)

　　可調(diào)直流高壓電源由可控硅調(diào)壓器、高壓變壓器、整流橋、儲(chǔ)能電容器等幾部分組成。工作過(guò)程如下：交流220 V供給可控硅調(diào)壓模塊，經(jīng)過(guò)調(diào)壓模塊后輸出交流0～220 V，加在工頻升壓變壓器的初級(jí)，變壓器的次級(jí)輸出經(jīng)過(guò)全橋整流后，通過(guò)電感給儲(chǔ)能電容器充電?？刂普{(diào)壓模塊的輸出電壓，可以使電容器上的電壓達(dá)到設(shè)定值。

　　當(dāng)主回路輸出高壓脈沖電壓為5 kV、脈沖寬度為20μs、脈沖電流為100 A時(shí)，單脈沖的能量為10 J?？紤]到輸出脈沖的平頂，選取儲(chǔ)能電容器時(shí)，在其工作電壓值時(shí)的儲(chǔ)能為5倍單脈沖能量，即50 J。工作電壓為1．25 kV，可求出電容值為64μF。

　　對(duì)于工頻高壓變壓器，需確定其輸出電壓和功率等主要參數(shù)。主電路最大輸出頻率為200 Hz，每次電容器要放出約10 J的能量，而對(duì)電容器的充電時(shí)間必須小于5 ms，所以可求出變壓器的平均功率為2 kW?？紤]工頻高壓變壓器輸出電壓經(jīng)過(guò)全橋整流后，脈動(dòng)頻率為100 Hz，小于主電路的最大輸出頻率為200 Hz，所以實(shí)際工頻高壓變壓器輸出峰值功率會(huì)大于2 kW，可以選取5 kW的變壓器。高壓變壓器輸出電壓實(shí)際選取1．5 kV(峰值)。

　　5 控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

　　控制系統(tǒng)原理框圖如圖3所示。通過(guò)計(jì)算機(jī)控制AO卡 (模擬量輸出)輸出0～10 V的模擬量，用來(lái)控制調(diào)壓系統(tǒng)中 的可控硅調(diào)壓器的輸出。儲(chǔ)能電容器上的電壓經(jīng)過(guò)高壓采樣和AI卡(模擬量輸入)，由計(jì)算機(jī)采集。計(jì)算機(jī)控制DO卡(數(shù)字量輸出)輸出控制信號(hào)控制各類啟動(dòng)開關(guān)和IGBT驅(qū)動(dòng)板輸出觸發(fā)信號(hào)。各類手動(dòng)面板的開關(guān)信號(hào)經(jīng)過(guò)DI卡(數(shù)字量輸入)，由計(jì)算機(jī)采集。

　　6 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

　　對(duì)系統(tǒng)各部分進(jìn)行調(diào)試。用高壓探頭測(cè)試電壓波形，用羅果夫斯基線圈測(cè)試電流波形。測(cè)試的實(shí)驗(yàn)波形如圖4、圖5和圖6所示。

　　圖4中，縱坐標(biāo)為電壓幅度值(2通道2 kV／格，4通道200 mV／格)。通道2為電壓波形，電壓約為5 kV，脈沖寬度為10μs，上升沿小于lμs。通道4為電流波形，電流值約85 A(波形圖中比例為l：500)。圖5中，脈沖周期為5 ms，重復(fù)頻率為200 Hz。圖6中，縱坐標(biāo)為電壓幅度值(1通道5 kV／格，2通道2V／格)。l通道為放電電壓波形，2通道為放電電流波形。從波形圖中可以看出，脈沖當(dāng)電壓加在氣體上時(shí)，大約經(jīng)過(guò)幾微秒時(shí)間后，氣體發(fā)生電離。此時(shí)由于分壓原因，電壓幅值略有下降，電流波形開始出現(xiàn)。在脈沖電壓加載期間，氣體維持了電離狀態(tài)。

　　7 結(jié)束語(yǔ)

　　以可調(diào)直流高壓電源、高壓IGBT、高壓脈沖變壓器、工控計(jì)算機(jī)和數(shù)據(jù)采集控制卡為核心部件的5 kV重復(fù)頻率高壓脈沖電源，具備脈沖電壓、脈沖頻率和脈沖寬度等參數(shù)可以同時(shí)調(diào)節(jié)的特點(diǎn)，為開展其他指標(biāo)的脈沖電源研制提供了一種可行的技術(shù)途徑。從測(cè)試結(jié)果來(lái)看，整個(gè)系統(tǒng)完全達(dá)到了指標(biāo)要求，為開展毛細(xì)管放電x線激光的研究提供了必要的研究條件。

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