5kV重复频率高压脉冲电源设计

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。[!--empirenews.page--]

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。