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磁控管测试台高压脉冲电源设计
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磁控管测试台高压脉冲电源设计

作者:   发布日期:2016-07-19 18:50   信息来源:/

    

摘要:文中主要阐明了高压脉冲电源的工作原理、主要设计思路和设计过程。说明了安全性、可靠性、维修性以及环境适应性的措施。对于整个高压脉冲电源的设计具有较强的参考价值,特别是针对脉冲电压较高、脉冲频率相对也高的电源。
关键词:高压脉冲电源;磁控管测试;高功率MOS驱动;调制稳流系统

0 引言
    磁控管测试台的主要部件为高压脉冲电源,该部件是磁控管测试台的核心部件。该部件的主要功能为分别产生输出电压为-4500V、输出电流大于等于10A、脉冲宽度分别为0.51μs和2.5μs的两种脉宽,他们所对应的输出电压都为-4500V。
通过电源箱架上的脉宽转换开关的控制,可以使脉冲电源输出不同脉宽的脉冲,他们频率也不相同,脉宽为0.5μs的脉冲对应的输出频率为750Hz:脉宽为2.5μs的脉冲对应的输出频率为250Hz。

1 脉冲电源工作原理
    交流电压220V 50Hz输入后,分别送至高压电源、控制电源及灯丝电源。其中高压电源是线性电源,可以输出最高1300V的直流高压(连续可调),涉及的主要器件有:200W的调压器,1:4.5的电源变压器以及整流滤波系统。调制开关为4只MOS管IXFN32N120串联开关,可以通过控制电路控制其开通和关断。当其开通时,便输出1300V左右的直流高压。当其断开时,输出零电压。均压网络的作用则是为了稳定四个MOS管IXFN32N120上的电压,由于这四个MOS管IXFN32N120的型号完全相同,因此为使这四个MOS管IXFN32N120能够正常工作,加在它们上面的电压也必须一样。脉冲电源的触发脉冲直接由脉冲信号发生器产生,然后经控制电路、驱动电路放大隔离后输入至调制开关。控制电路同时起到过压过流保护作用,它先对将高压电源的直流输出电压和电流取样,并输入控制电路,然后通过控制电路的比较分析,确认是否过压或者过流,若出现过压或者过流,则控制电路输出零电平,调制开关停止工作。当调制开关导通,高压电源经调制开关向脉冲变压器初级放电,再经1:4脉冲变压器放大后输出到磁控管负载。负载脉冲电压最高为5000V。

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1.1 高压电源
    根据技术要求,虽然该脉冲电源峰值功率为45kW,但平均功率很低,按脉冲工作状态1计算,平均功率为17W;按脉冲工作状态2计算,平均功率为28W。因此本设计的高压电源按输出功率为100W来设计足以满足要求。
    本设计的高压电源采用线性电源,为便于电压调整,输入使用200W调压器(TDGC2-0.2KVA),之后经1:4.5电源变压器升压,并经整流滤波后输出直流高压,其体电路见图2,图中的主要元器件参数为:

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    电源变压器:输入220V,变比1:4.5,功率100W
    整流桥:DQL0503(3000V,0.5A)
    滤波电感:1H,0.1A(自制)
    滤波电容:1500V 60μF(自制)
    在电源电路的输出端有控制电路,它可以将提取的输出电压和输出电流取样,而且控制板具有过压、过流保护功能,其过压保护点为1300V,过流保护点为0.1A,因此出现过压或过流任一故障,控制板都会封锁触发信号,使调制开关关断,高压电源也就无输出。


1.2 控制电路
    图3所示为控制电路的电路图。图中,触发输入经过一个跟随器以后与过流故障和过压故障一起输入一个与门。当无过流故障或者过压故障时,与门输出端随着触发输入端的电平变化而变化。当存在过流故障或者过压故障或者两者兼而有之时,其输入端将出现低电平,那么无论触发输入端的电平如何变化,与门输出端都为低电平,即无电压输出。这样就能保证在当前取样电流或者电压出现过高时,调制开关能自动关闭。

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1.3 驱动电路
    图4所示为调制开关每只MOS管的驱动电路图,其中,XS7的输入是通过隔离变压器输入,其隔离电位为3000VDC,可以保证调制开关的对地绝缘。XS8的输入为脉冲发生器产生的脉冲经过控制器以后的输入。IXDN414为高功率MOS驱动。其输入电源为经过隔离后的低压15V输入,输入信号是脉冲发生器产生的脉冲信号在其经过IXDN414高功率MOS驱动器的驱动以后,输入至MOS管,实现对MOS管的驱动。

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1.4 调制开关及均压网络
    图5所示为调制开关为4只MOS管串联的组合开关电路图。MOS管型号为IXYS公司的IXFN32N120,其电压为:1200V,稳态电流为:32A,脉冲电流为:128A,4只MOS管串联后耐压可达到4800V。该脉冲电源放电时,脉冲变压器初级的脉冲电压最大为1300V,脉冲电流为40A,因此该调制开关完全可满足要求。图5中,四个MOS管上面分别有一个稳压电路,电路中的电阻、电容以及稳压管系数取值都相等,故可以保证各个MOS管的正常工作。

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1.5 辅助电源
    该脉冲电源的辅助电源为控制电路电源和灯丝电源,它们均为朝阳模块电源。
    控制电源为4NIC-K37.5,具有两路输出+15VDC2A,-15VDC0.5A,主要是为控制电路供电。
    灯丝电源的要求为:输出电压:6.3V±5%DC。输出电流:≥2A。设计中采用了朝阳电源4NIC-X30.其输出为0-10VDC可调,3A。将其
设为可调的目的是为了与灯丝匹配,在电源给灯丝加热的过程中,功率既不能过高,以免烧掉灯丝,又不能过低,以免使灯丝工作在不正常状态下,缩短灯丝寿命。
1.6 脉冲变压器
    脉冲变压器为该脉冲电源的关键元件,它的作用是将高压电源放电产生的脉冲放大到所需的脉冲高压,变比为1:4,其中初级绕组为6匝,次级绕组为24匝。由于该脉冲电源为刚管调制器工作状态,脉冲变压器无充电电流去磁,因此在设计脉冲变压器时必须注意铁芯的饱和问题。同时,由于该脉冲变压器工作在两种脉冲宽度状态(0.5μs,2.5μs),其脉冲宽度较窄,等效频率较高,因此该脉冲变压器选用低Br的超微晶铁芯。
    由于灯丝电源必须通过脉冲变压器的次级绕组输出到磁控管的阴极及灯丝,脉冲变压器的次级绕组采用双绕组的方式,绕组导线除承受脉冲电流外还必须能够承受2A的灯丝电流。
1.7 环境条件及安全性、可靠性、措施
    该设计的环境条件应满足:温度:-20℃-+40℃湿度:≤80%安全性应满足:此磁控管测试台高压输出部分采用具有高压隔离功能的防护罩对输出接口进行隔离,并对防护罩设置一简易智能电源关断装置,即一旦防护罩在测试台使用过程中被打开,智能电源关断装置将自行切断电源,以保证操作安全。
    可靠性应满足:本测试台的研制所采用的器件均系国内外知名厂商生产,稳定性高,因此保证了测试台的可靠性。

2 结束语
    本文主要介绍了高压脉冲电源的工作原理、主要设计思路和设计过程以及各元部件的工作电路,选取的元器件等等。同时说明了设备运行的安全性、可靠性、维修性以及环境适应性。对实际应用中磁控管测试台的设计具有一定价值。

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