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磁控管測試臺高壓脈沖電源設計
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磁控管測試臺高壓脈沖電源設計

作者:   發布日期:2016-07-19 18:50   信息來源:http://www.ongiz.club/

    

摘要:文中主要闡明了高壓脈沖電源的工作原理、主要設計思路和設計過程。說明了安全性、可靠性、維修性以及環境適應性的措施。對于整個高壓脈沖電源的設計具有較強的參考價值,特別是針對脈沖電壓較高、脈沖頻率相對也高的電源。
關鍵詞:高壓脈沖電源;磁控管測試;高功率MOS驅動;調制穩流系統

0 引言
    磁控管測試臺的主要部件為高壓脈沖電源,該部件是磁控管測試臺的核心部件。該部件的主要功能為分別產生輸出電壓為-4500V、輸出電流大于等于10A、脈沖寬度分別為0.51μs和2.5μs的兩種脈寬,他們所對應的輸出電壓都為-4500V。
通過電源箱架上的脈寬轉換開關的控制,可以使脈沖電源輸出不同脈寬的脈沖,他們頻率也不相同,脈寬為0.5μs的脈沖對應的輸出頻率為750Hz:脈寬為2.5μs的脈沖對應的輸出頻率為250Hz。

1 脈沖電源工作原理
    交流電壓220V 50Hz輸入后,分別送至高壓電源、控制電源及燈絲電源。其中高壓電源是線性電源,可以輸出最高1300V的直流高壓(連續可調),涉及的主要器件有:200W的調壓器,1:4.5的電源變壓器以及整流濾波系統。調制開關為4只MOS管IXFN32N120串聯開關,可以通過控制電路控制其開通和關斷。當其開通時,便輸出1300V左右的直流高壓。當其斷開時,輸出零電壓。均壓網絡的作用則是為了穩定四個MOS管IXFN32N120上的電壓,由于這四個MOS管IXFN32N120的型號完全相同,因此為使這四個MOS管IXFN32N120能夠正常工作,加在它們上面的電壓也必須一樣。脈沖電源的觸發脈沖直接由脈沖信號發生器產生,然后經控制電路、驅動電路放大隔離后輸入至調制開關。控制電路同時起到過壓過流保護作用,它先對將高壓電源的直流輸出電壓和電流取樣,并輸入控制電路,然后通過控制電路的比較分析,確認是否過壓或者過流,若出現過壓或者過流,則控制電路輸出零電平,調制開關停止工作。當調制開關導通,高壓電源經調制開關向脈沖變壓器初級放電,再經1:4脈沖變壓器放大后輸出到磁控管負載。負載脈沖電壓最高為5000V。

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1.1 高壓電源
    根據技術要求,雖然該脈沖電源峰值功率為45kW,但平均功率很低,按脈沖工作狀態1計算,平均功率為17W;按脈沖工作狀態2計算,平均功率為28W。因此本設計的高壓電源按輸出功率為100W來設計足以滿足要求。
    本設計的高壓電源采用線性電源,為便于電壓調整,輸入使用200W調壓器(TDGC2-0.2KVA),之后經1:4.5電源變壓器升壓,并經整流濾波后輸出直流高壓,其體電路見圖2,圖中的主要元器件參數為:

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    電源變壓器:輸入220V,變比1:4.5,功率100W
    整流橋:DQL0503(3000V,0.5A)
    濾波電感:1H,0.1A(自制)
    濾波電容:1500V 60μF(自制)
    在電源電路的輸出端有控制電路,它可以將提取的輸出電壓和輸出電流取樣,而且控制板具有過壓、過流保護功能,其過壓保護點為1300V,過流保護點為0.1A,因此出現過壓或過流任一故障,控制板都會封鎖觸發信號,使調制開關關斷,高壓電源也就無輸出。


1.2 控制電路
    圖3所示為控制電路的電路圖。圖中,觸發輸入經過一個跟隨器以后與過流故障和過壓故障一起輸入一個與門。當無過流故障或者過壓故障時,與門輸出端隨著觸發輸入端的電平變化而變化。當存在過流故障或者過壓故障或者兩者兼而有之時,其輸入端將出現低電平,那么無論觸發輸入端的電平如何變化,與門輸出端都為低電平,即無電壓輸出。這樣就能保證在當前取樣電流或者電壓出現過高時,調制開關能自動關閉。

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1.3 驅動電路
    圖4所示為調制開關每只MOS管的驅動電路圖,其中,XS7的輸入是通過隔離變壓器輸入,其隔離電位為3000VDC,可以保證調制開關的對地絕緣。XS8的輸入為脈沖發生器產生的脈沖經過控制器以后的輸入。IXDN414為高功率MOS驅動。其輸入電源為經過隔離后的低壓15V輸入,輸入信號是脈沖發生器產生的脈沖信號在其經過IXDN414高功率MOS驅動器的驅動以后,輸入至MOS管,實現對MOS管的驅動。

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1.4 調制開關及均壓網絡
    圖5所示為調制開關為4只MOS管串聯的組合開關電路圖。MOS管型號為IXYS公司的IXFN32N120,其電壓為:1200V,穩態電流為:32A,脈沖電流為:128A,4只MOS管串聯后耐壓可達到4800V。該脈沖電源放電時,脈沖變壓器初級的脈沖電壓最大為1300V,脈沖電流為40A,因此該調制開關完全可滿足要求。圖5中,四個MOS管上面分別有一個穩壓電路,電路中的電阻、電容以及穩壓管系數取值都相等,故可以保證各個MOS管的正常工作。

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1.5 輔助電源
    該脈沖電源的輔助電源為控制電路電源和燈絲電源,它們均為朝陽模塊電源。
    控制電源為4NIC-K37.5,具有兩路輸出+15VDC2A,-15VDC0.5A,主要是為控制電路供電。
    燈絲電源的要求為:輸出電壓:6.3V±5%DC。輸出電流:≥2A。設計中采用了朝陽電源4NIC-X30.其輸出為0-10VDC可調,3A。將其
設為可調的目的是為了與燈絲匹配,在電源給燈絲加熱的過程中,功率既不能過高,以免燒掉燈絲,又不能過低,以免使燈絲工作在不正常狀態下,縮短燈絲壽命。
1.6 脈沖變壓器
    脈沖變壓器為該脈沖電源的關鍵元件,它的作用是將高壓電源放電產生的脈沖放大到所需的脈沖高壓,變比為1:4,其中初級繞組為6匝,次級繞組為24匝。由于該脈沖電源為剛管調制器工作狀態,脈沖變壓器無充電電流去磁,因此在設計脈沖變壓器時必須注意鐵芯的飽和問題。同時,由于該脈沖變壓器工作在兩種脈沖寬度狀態(0.5μs,2.5μs),其脈沖寬度較窄,等效頻率較高,因此該脈沖變壓器選用低Br的超微晶鐵芯。
    由于燈絲電源必須通過脈沖變壓器的次級繞組輸出到磁控管的陰極及燈絲,脈沖變壓器的次級繞組采用雙繞組的方式,繞組導線除承受脈沖電流外還必須能夠承受2A的燈絲電流。
1.7 環境條件及安全性、可靠性、措施
    該設計的環境條件應滿足:溫度:-20℃-+40℃濕度:≤80%安全性應滿足:此磁控管測試臺高壓輸出部分采用具有高壓隔離功能的防護罩對輸出接口進行隔離,并對防護罩設置一簡易智能電源關斷裝置,即一旦防護罩在測試臺使用過程中被打開,智能電源關斷裝置將自行切斷電源,以保證操作安全。
    可靠性應滿足:本測試臺的研制所采用的器件均系國內外知名廠商生產,穩定性高,因此保證了測試臺的可靠性。

2 結束語
    本文主要介紹了高壓脈沖電源的工作原理、主要設計思路和設計過程以及各元部件的工作電路,選取的元器件等等。同時說明了設備運行的安全性、可靠性、維修性以及環境適應性。對實際應用中磁控管測試臺的設計具有一定價值。

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